Luận án tiến sĩ xây dựng thuật toán điều khiển quỹ đạo bám mục tiêu di động mặt đất cho UAV cánh bằng - Phạm Thị Phương Anh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ PHẠM THỊ PHƯƠNG ANH XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO VÀ BÁM MỤC TIÊU DI ĐỘNG MẶT ĐẤT CHO UAV CÁNH BẰNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ PHẠM THỊ PHƯƠNG ANH XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO VÀ BÁM MỤC TIÊU DI ĐỘNG MẶT ĐẤT CHO UAV CÁNH BẰNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá. LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS Phan Tương Lai HÀ NỘI - 2021 luan an i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu trình bày nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ.

Nghiên cứu sinh Phạm Thị Phương Anh luan an ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Vũ, người hướng dẫn khoa học chính và TS Phan Tương Lai người hướng dẫn thứ hai, đã tận tình hướng dẫn, chỉ ra những nội dung cần giải quyết và đóng góp những ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn thành bản luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, chỉ huy Viện Tự động hóa KTQS và các đồng nghiệp đã luôn tạo điều kiện, động viên, quan tâm và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo cùng tập thể Phòng Đào tạo/ Viện Khoa học và Công nghệ quân sự đã luôn quan tâm giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể gia đình và bạn bè đã luôn thông cảm, động viên, giúp đỡ và chia sẻ với tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án.

Nghiên cứu sinh Phạm Thị Phương Anh luan an iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT………………………… vi DANH MỤC CÁC BẢNG ………………………………………………. x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ……………………………………………. xi MỞ ĐẦU………………………………………………………………. 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ UAV VÀ ĐIỀU KHIỂN UAV……….

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển UAV……………………………. Các vòng điều khiển trong hệ thống điều khiển bay…………………. Phương trình động học điều khiển quỹ đạo của UAV…………. Điều khiển quỹ đạo của UAV………………………………………… 17 1.

Thuật toán bám theo điểm ngắm ảo………………………………… 19 1. Thuật toán điều khiển quỹ đạo phi tuyến……………………………. Thuật toán bám theo đường dựa trên luật ngắm thẳng vào đích đến và dẫn theo đường ngắm của quỹ đạo……………………………… 20 1. Luật điều khiển quỹ đạo tựa theo trường véc tơ……………….

Luật điều khiển dựa trên bộ điều chỉnh tuyến tính toàn phương LQR………. Hệ thống đo lường trên UAV…………………………………………. Hệ cảm biến đo các trạng thái dịch chuyển…………………………. Hệ thống cảm biến đo tư thế UAV………………………………… 26 1.

Tích hợp các hệ thống cảm biến…………………………………… 29 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước…………. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước…………………. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước………………….

Đặt vấn đề nghiên cứu……………………………………………. 34 Kết luận chương 1…………………………………………………………. 35 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO CHO UAV…………………………………………………………………. 36 luan an iv 2.

Sơ lược về chế độ trượt……………………………………………. Tổng hợp bộ điều khiển hoạt động trong chế độ trượt………………. Điều kiện tồn tại chế độ trượt………………………………………. Hiện tượng chattering trong chế độ trượt…………………………….

Bài toán bám quỹ đạo sử dụng chế độ trượt…………………………. Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt tuyến tính…………………. Thuật toán xác định sai số bám và sai số góc hướng của UAV theo đường quỹ đạo cần bám……………………………………………. Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt tuyến tính theo khoảng cách….

Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt tuyến tính hỗn hợp………. Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt phi tuyến theo hàm lượng giác. Lựa chọn mặt trượt………………………………………………. Luật điều khiển tương đương…………………………………….

Sự ổn định của chế độ trượt…………………………………………. Mô phỏng đánh giá thuật toán………………………………………. Thuật toán dẫn đường với mặt trượt phi tuyến dựa trên quỹ đạo Dubin…. Quỹ đạo Dubin……………………………………………………….

Xây dựng chế độ trượt………………………………………………. Mô phỏng đánh giá thuật toán………………………………………. Thuật toán bám theo đường cong trong hệ tọa độ Serret-Frenet…. Hệ tọa độ Serret-Frenet……………………………………………… 77 2.

Xác định tọa độ UAV trọng hệ tọa S-F……………………………… 79 2. Xây dựng thuật toán dẫn đường bám quỹ đạo trong hệ tọa độ SF. Đánh giá thuật toán…………………………………………………. 84 Kết luận chương 2………………………………………………………….

85 CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DẪN ĐƯỜNG BÁM MỤC TIÊU MẶT ĐẤT DI ĐỘNG CHO UAV………………… 87 luan an v 3. Xác định tọa độ và các tham số chuyển động của mục tiêu…………… 89 3. Mô hình Camera và hệ tọa độ Camera………………………………. Xác định tọa độ mục tiêu từ hệ tọa độ của camera………………….

Bám sát mục tiêu di động theo chế độ quay quanh mục tiêu (chế độ loitering)… 98 3. Chế độ bám theo đường quỹ đạo động kép……………………………. Thời gian quá độ trong chế độ điều khiển dẫn đường sử dụng chế độ trượt với mặt trượt phi tuyến theo quỹ đạo Dubin………………… 106 3. Quỹ đạo kép trong bài toán hộ tống mục tiêu……………………….

Sai số bám trong chế độ hộ tống sử dụng quỹ đạo kép……………… 114 3. Mô phỏng chế độ bám theo mục tiêu di động mặt đất theo chế độ hộ tống …. Lưu đồ thuật toán khối tạo nhiệm vụ bay…………………………. 120 Kết luận chương 3………………………………………………………….

125 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ……. 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………. 128 luan an vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT a x , a y , az Gia tốc theo các trục x, y , z  m s 2  m Khối lượng máy bay  m  p, q, r Tốc độ góc của các trục hệ tọa độ gắn liền  rad s  FE  OE xE yE z E  Hệ tọa độ địa tâm (ECEF) (Earth-Centered Earth- Fixed Frame) Fi  Oi xi yi zi  Hệ tọa độ quán tính cố định nằm ngang- Inertia reference frame FB OBxByBzB  Hệ tọa độ liên kết (Body-fixed frame) F  Fx , Fy , Fz  Véc tơ lực tác động lên UAV g gia tốc trọng trường  m s 2  g ( g x ,g y , g z ), P  mg Véc tơ gia tốc trọng trường và véc tơ lực trọng trường, M  N , M , L Véc tơ momen khí động P Trọng lực  m s 2  R bán kính quay  m  ye sai số bám ngang  m  xu , yu , zu Tọa độ của UAV trong hệ tọa độ dẫn đường u, v, w Vận tốc UAV theo các trục trong hệ tọa độ gắn liền vu , vw Vận tốc UAV và vận tốc mục tiêu v g , vg Véc tơ địa tốc và giá trị véc tơ địa tốc, v a , va Véc tơ không tốc và giá trị véc tơ không tốc, v w , vw Véc tơ gió và giá trị véc tơ gió, luan an vii   Hướng của hệ tọa độ liên kết trong hệ tọa độ mặt đất,  2     tương ứng: góc nghiêng, góc chúc ngóc, góc hướng     (Orientation of the body-fixed frame expressed in the Earth-fixed frame) a , e , r , t Góc cánh lái liệng (Ailerons), góc cánh lái lên xuống (Elevator), góc cánh lái hướng (Rudder), vị trí tay ga  p , , d Góc đường quỹ đạo, góc hướng của UAV và góc hướng mong muốn của UAV. u , Góc đường nối điểm gốc đến UAV, góc đường nối từ tâm đến UAV GPS Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System) IMU Cảm biến góc quay và cảm biến gia tốc (Inertial Measurement Unit) NED Thành phần vector theo hướng Bắc, Đông, Dưới của hệ tọa độ địa lý – North, East, and Down components of n frame vector MIMO Hệ thống nhiều đầu ra nhiều đầu vào (Multiple Input – Multiple Output) SF Hệ tọa độ Serret-Frenet SISO Hệ thống 1 đầu ra 1 đầu vào (Single Input –Single Output) UAV Thiết bị bay không người lái – Unmanned aircraft vehicle VTP Đích ảo – Virtual target point luan an viii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.

Bảng số liệu tính sai số tối đa khi bám theo chế độ hộ tống. 116 luan an ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống điều khiển UAV.2 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống điều khiển UAV với các vecto trạng thái và vecto điều khiển…………………………… 9 Hình 1.3 Mô tả một số tham số của mô hình…………………………….4 Tham số của mô hình trong chế độ bám đường quỹ đạo thẳng .5 Mô tả tham số của mô hình trong chế độ bám đường quỹ đạo tròn….6 Thành phần lực nâng trong chế độ nghiêng cánh …………….7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển quỹ đạo theo kênh ngang .8 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển quỹ đạo theo kênh dọc ….9 (a) UAV bám theo quỹ đạo đường thẳng; (b) UAV bám theo quỹ đạo tròn bán kính r……………………………………….10 (a) Xác định điểm S theo thuật toán phi tuyến; (b) Sơ đồ mô tả luật ngắm thẳng và dẫn theo đường ngắm…………………….11 Bộ ước lượng trạng thái………………….1 Sơ đồ xác định sai số bám và sai số góc hướng của UAV theo đường quỹ đạo đường thẳng………………………………….2 Sơ đồ xác định sai số bám và sai số góc hướng của UAV …….3 Kết quả mô phỏng mặt trượt tuyến tính với điều kiện  200;0  ……….4 Kết quả mô phỏng mặt trượt tuyến tính với điều kiện  600;0  ………….5 Kết quả mô phỏng mặt trượt tuyến tính với điều kiện  600;  6  …….6 Kết quả mô phỏng mặt trượt tuyến tính với điều kiện  600;  6  …….7 Kết quả mô phỏng mặt trượt tuyến tính với điều kiện  200; 2  …….8 Mô phỏng mặt trượt tuyến tính hỗn hợp với điều kiện  200;0  ……. 56 luan an x Hình 2.9 Mô phỏng với mặt trượt tuyến tính hỗn hợp với điều kiện  600;0  …….10 Mô phỏng với mặt trượt tuyến tính hỗn hợp có điều kiện  600;  6  .11 Mô phỏng với mặt trượt tuyến tính hỗn hợp điều kiện  600;  6  ….12 Mô phỏng mặt trượt tuyến tính hỗn hợp với điều kiện  200;  2  …… 59 Hình 2.13 Mô phỏng mặt trượt phi tuyến với điều kiện  200;0  ……… 63 Hình 2.14 Mô phỏng mặt trượt phi tuyến với điều kiện  600;0  …….15 Mô phỏng mặt trượt phi tuyến với điều kiện  600;  6  ….16 Mô phỏng mặt trượt phi tuyến với điều kiện  600; 6 ….17 Kết quả mô phỏng mặt trượt phi tuyến với điều kiện  200; 2  ……… 65 Hình 2.18 Minh họa quỹ đạo Dubin ……………………….19 Minh họa quỹ đạo Dubin tiếp cận đường quỹ đạo…………… 68 Hình 2.20 Sơ đồ UAV bám theo quỹ đạo Dubin……………………….