Luận án xây dựng bộ ổn định và thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho UAV cánh bằng

Tính cấp thiết của đề tài luận án Kỹ thuật quân sự thế giới trong những thập kỷ qua có nhiều phát triển mạnh mẽ cho ra đời nhiều loại vũ khí, trang bị tự động và thông minh; điều đó dẫn tới xu hướng chiến tranh hiện đại đang hạn chế dần sự có mặt của con người trong tham gia trực tiếp chiến đấu. Các vũ khí, trang bị có người điều khiển đã được thay thế bằng tên lửa hành trình, các robot chiến trường, các máy bay không người lái (UAV). để hạn chế tối đa thương vong và tăng khả năng tác chiến. Nga, Israel và Hoa Kỳ là những nước tiên phong trong công nghệ và hoạt động của UAV.

Các UAV hiện đại đó có khả năng bay ở độ cao lớn, khoảng cách hoạt động xa và đặc biệt có khả năng mang theo các loại vũ khí tấn công hiện đại. Để đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ bảo vệ toàn vẹn chủ quyền lãnh thổ vùng trời, vùng biển của Tổ quốc trong giai đoạn hiện nay; nhu cầu sử dụng UAV cỡ lớn, có khả năng mang phương tiện trinh sát, sát thương hiện đại tiệm cận với các UAV của các nước tiên tiến có thể thực hiện các nhiệm vụ chiến đấu của quân đội ngày càng cần thiết. Trong khi, chương trình UAV của Việt Nam đang ở giai đoạn sơ khai, khả năng phát triển UAV của ta còn hạn chế do tiềm lực công nghệ, đặc biệt là công nghệ hàng không và hệ thống các ngành công nghệ phụ trợ khác còn thấp. Các UAV của chúng ta hiện nay mới phát triển sử dụng làm mục tiêu bay, thực hiện trinh sát chụp ảnh và một số ứng dụng khác…, chúng chưa đáp đủ ứng yêu cầu được các nhiệm vụ tác chiến trong tình hình mới.

Tuy nhiên, các máy bay chiến đấu cũ của quân đội ta có thể đảm nhận những nhiệm vụ quan trọng, phức tạp, đặc thù với vai trò một UAV chiến đấu hiện đại khi được thực hiện cải hoán phù hợp. Do đó vấn đề thiết kế, chế tạo, cải tạo các phương tiện bay thành các phương tiện bay không người lái (UAV) vào nhiệm vụ bảo vệ vùng trời, vùng biển là một nhiệm vụ cấp thiết đang được nhiều sự quan tâm của quân đội ta. Việc nghiên cứu hoán cải các máy bay không còn sử dụng với mục đích có người lái thành các UAV thực hiện các nhiệm vụ chiến đấu đặc biệt sẽ mang lại cho không quân ta một loại vũ khí, trang bị mới đảm nhận được các nhiệm vụ trong các tình huống đặc biệt. 2 Với mục tiêu sử dụng các máy bay chiến đấu cũng như các UAV cánh bằng (trong luận án viết gọn là UAV) vào các nhiệm vụ chiến đấu của quân đội, đặt ra cần nghiên cứu tổng hợp bộ điều khiển tự động thực hiện chuyến bay thực hiện nhiệm vụ cho UAV, từ đó áp dụng kết quả nghiên cứu vào nhiệm vụ hoán cải máy bay chiến đấu thành các UCAV thực hiện các nhiệm vụ chiến đấu đặc biệt: công kích (cảm tử lao vào) mục tiêu di động trên biển, mặt đất… Vấn đề nghiên cứu hoán cải các máy bay chiến đấu cũ không còn sử dụng với mục đích có người lái thành các UCAV thực hiện các nhiệm vụ chiến đấu đặc biệt ở nước ta hiện nay chưa có nghiên cứu nào; trên thế giới đã có thông tin một số nước đã và đang tiến hành hoán cải, thử nghiệm thành công ở các nước như Mỹ [22], [25], [39].

Hoán cải máy bay chiến đấu cũ thành UAV để thực hiện các nhiệm vụ tác chiến sẽ mang lại cho không quân ta một loại vũ khí, trang bị mới, khác biệt đảm nhận được các nhiệm vụ đặc biệt trong các tình huống đặc biệt. Do đó có thể khẳng định hướng nghiên cứu hoán cải các máy bay chiến đấu cũ thành các UAV chiến đấu thực hiện nhiệm vụ đặc biệt là hướng nghiên cứu mới có tính thực tế và cấp thiết. Để thực hiện nhiệm vụ sử dụng các UAV thực hiện các nhiệm vụ chiến đấu (áp dụng kết quả nghiên cứu vào việc hoán cải máy bay chiến đấu cũ thành UCAV), ví dụ như công kích mục tiêu trên biển, cần đảm bảo UAV tự động thực hiện đầy đủ các giai đoạn bay chiến đấu: cất cánh, bay hành trình, cơ động công kích mục tiêu trên biển và hạ cánh. Do đó trong luận án đặt ra nội dung cần thực hiện là: xây dựng các “luật dẫn điều khiển bám quỹ đạo” thực hiện nhiệm vụ cho UAV (điều khiển dẫn bám quỹ đạo bay hành trình thực hiện nhiệm vụ, luật dẫn thực hiện công kích mục tiêu di động trên biển, luật dẫn UAV thực hiện cơ động hạ cánh và hạ cánh trực tiếp trong kênh chuyển động dọc); đồng thời cần xây dựng “Bộ ổn định” đảm nhiệm điều khiển bám tham số dẫn theo kênh dọc và kênh ngang là thành phần đưa ra các lệnh điều khiển các cánh lái và cơ cấu chấp hành cho UAV.

Bộ ổn định có vai trò là bộ điều khiển vòng trong cho các luật dẫn điều khiển bám quỹ đạo vòng ngoài. Các kết quả nghiên cứu sẽ được mô phỏng kiểm chứng trên hệ thống mô 3 phỏng UAV sử dụng các tham số mô hình máy bay MiG-21. Để giải quyết nội dung nghiên cứu đặt ra trên, luận án đi theo cách tiếp cận như sau: - Nghiên cứu về phương tiện bay cánh bằng và các tài liệu kỹ thuật của máy bay chiến đấu để xây dựng mô hình động học đầy đủ của UAV và mô hình rút gọn phục vụ cho việc tổng hợp “Bộ ổn định” theo phương pháp Backstepping. - Trên cơ sở mô hình động học được xây dựng ở trên, tổng hợp “Bộ ổn định” thực hiện vai trò điều khiển bám tham số dẫn đường (tham số quỹ đạo) theo kênh dọc và kênh ngang trên cơ sở thuật toán điều khiển Backstepping.

Bộ ổn định này sẽ là bộ điều khiển vòng trong điều khiển các cánh lái của UAV giúp UAV bám theo (đạt được) các tham số đặt, với các tham số đặt là các tham số dẫn đường được tính toán từ các bộ điều khiển dẫn bám vòng ngoài có vai trò điều khiển UAV bám các quỹ đạo hỗn hợp khi bay thực hiện nhiệm vụ. - Nghiên cứu xây dựng một số luật dẫn bám quỹ đạo bay hỗn hợp thực hiện nhiệm vụ: quỹ đạo hành trình và xây dựng luật dẫn bám quỹ đạo hành trình sử dụng phương pháp bám theo điểm đích ảo VTP; xây dựng các luật dẫn để thực hiện bám các quỹ đạo cơ động đặc thù (thực hiện nhiệm vụ công kích mục tiêu di động trên biển cho UAV, quay về sân bay hạ cánh và thực hiện tự động hạ cánh trực tiếp). Các luật dẫn này tạo thành “Bộ điều khiển dẫn đường” bám quỹ đạo bay hỗn hợp thực hiện nhiệm vụ với vai trò là bộ điều khiển vòng ngoài có tham số đầu ra là tham số đặt cho “Bộ ổn định” được tổng hợp ở trên. - Xây dựng chương trình mô phỏng động học phi tuyến đầy đủ của UAV cánh bằng, trong đó các tham số mô hình sử dụng bộ tham số của máy bay MiG-21.

Chương trình mô phỏng này kết hợp với các chương trình mô phỏng của các buồng tập lái máy bay tạo thành “Hệ thống mô phỏng UAV” đảm bảo khảo sát, đánh giá các thuật toán điều khiển tổng hợp được một cách trực quan, đầy đủ. Với cách tiếp cận như vậy, luận án sẽ đề cập chính đến xây dựng “bộ ổn định” và “thuật toán điều khiển bám quỹ đạo” (các luật dẫn đường điều khiển bám quỹ đạo) hỗn hợp thực hiện nhiệm vụ công kích mục tiêu di động trên biển cho 4 UAV. Các luật dẫn đó sẽ thực hiện điều khiển UAV bám quỹ đạo thông qua bộ ổn định (được tổng hợp theo phương pháp Backstepping), bộ ổn định có nhiệm vụ điều khiển bám các tham số dẫn được tính toán từ các luật dẫn đường trên. Các luật dẫn đường nêu trên và bộ ổn định sẽ được thực hiện khảo sát, kiểm chứng trên hệ thống mô phỏng UAV (hệ thống mô phỏng chuyến bay cho UAV) được xây dựng trên Matlab-Simulink.

Hệ thống mô phỏng UAV được thực hiện với mô hình phi tuyến đầy đủ của UAV cánh bằng sử dụng bộ tham số của máy bay MiG-21. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu a. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận án là xây dựng hệ thống điều khiển lái tự động (bộ điều khiển tổng hợp) cho UAV cánh bằng thực hiện nhiệm vụ chiến đấu. Bộ điều khiển lái tự động bao gồm “Bộ ổn định” và “Bộ điều khiển dẫn đường” bám quỹ đạo bay, chúng điều khiển UAV thực hiện các giai đoạn bay: bay hành trình, cơ đô ̣ng công kı́ch mu ̣c tiêu di đô ̣ng và hạ cánh (để thu hồi khi cần thiết).

Đây là những nghiên cứu lý thuyết bước đầu ứng dụng cho UAV cánh bằng và hướng tới cải tiến máy bay có người lái thành máy bay không người lái cảm tử tấn công mục tiêu trên biển. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu về UAV cánh bằng, phương pháp điều khiển bám quỹ đạo bay hỗn hợp cho UAV để đảm bảo UAV có thể tự động thực hiện nhiệm vụ chiến đấu. Kết quả nghiên cứu ứng dụng để cải hoán các máy bay chiến đấu không còn đủ điều kiện phục bay có ngưới lái thành những UCAV cảm tử thực hiện một số nhiệm vụ bay cơ động chiến đấu đă ̣c biê ̣t: cơ đô ̣ng công kıć h mu ̣c tiêu di đô ̣ng trên biể n. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của luận án: Xây dựng mô hıǹ h và chương trình mô phỏng của UAV và các phương tiện bay cánh bằng; các thuật toán dẫn đường theo các quỹ đạo hành trình thực hiện nhiệm vụ trong không gian 3D; nghiên cứu và xây dựng các phương pháp hạ cánh và công kích mục tiêu di động; nghiên cứu các phương pháp điều khiển hiện đại nhằm tổng hợp bộ ổn định cho UAV.

Các nghiên cứu của luận án được xây dựng trên phương diện lý thuyết áp 5 dụng cho UAV cánh bằng; kết quả nghiên cứu được khảo sát, kiểm chứng bằng chương trình mô phỏng được xây dựng trên Matlab-Simulink trong đó mô hình sử dụng bộ tham số của máy bay MiG-21.