Luận án tiến sĩ: Tổng hợp thuật toán điều khiển hạ cánh UAV cỡ nhỏ - Ngô Văn Toàn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGÔ VĂN TOÀN TỔNG HỢP THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HẠ CÁNH THEO CHƯƠNG TRÌNH CHO MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI CỠ NHỎ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI ­ 2021 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGÔ VĂN TOÀN TỔNG HỢP THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HẠ CÁNH THEO CHƯƠNG TRÌNH CHO MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI CỠ NHỎ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 9.16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Lê Thanh Phong 2. Nguyễn Xuân Căn HÀ NỘI – 2021 2 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội dung, số liệu và kết quả đã trình bày trong Luận án là hoàn toàn trung thực và chưa có tác giả nào công bố trong bất cứ một công trình nào khác.

TÁC GIẢ LUẬN ÁN Ngô Văn Toàn 4 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể cán bộ hướng dẫn, các thầy giáo: Đại tá, TS Nguyễn Xuân Căn Đại tá, TS Lê Thanh Phong đã giúp đỡ và khuyến khích tôi trong suốt thời gian thực hiện Luận án. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, tập thể cán bộ Bộ môn Tên Lửa / Khoa Kỹ thuật điều khiển đã quan tâm đóng góp ý kiến giúp tôi hoàn thiện nội dung nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn gia đình, vợ con, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, khuyến khích giúp tôi có thêm nghị lực để hoàn thành nội dung Luận án. 5 MỤC LỤC 6 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1.

Chữ viết tắt: UAV máy bay không người lái TBB thiết bị bay HPTVP hệ phương trình vi phân ГРМ đài chuẩn hướng hạ cánh КРМ đài chuẩn tầm hạ cánh 2. Ký hiệu: Ooxoyozo hệ tọa độ mặt đất Oxgygzg hệ tọa độ mặt đất di động Ox1y1z1 hệ tọa độ liên kết Oxryrzr hệ tọa độ tốc độ Oxkykzk hệ tọa độ quỹ đạo góc chúc ngóc ? góc hướng góc nghiêng (cren, roll), góc giữa trục Oz và mặt phẳng nằm ngang Oxgzg góc nghiêng quỹ đạo góc tấn (của véc tơ địa tốc ) r góc tấn không tốc (của véc tơ không tốc ) tốc độ góc của thiết bị bay trong hệ tọa độ liên kết đạo hàm hệ số mô men chúc ngóc theo , với đạo hàm hệ số mô men chúc ngóc theo cánh lái độ cao đạo hàm hệ số mô men chúc ngóc theo tốc độ góc tấn Mx, My, Mz mô men khí động trong hệ tọa độ liên kết Jx, Jy, Jz mô men quán tính của UAV quanh tâm khối Yr lực nâng trong hệ tọa độ tốc độ Xr lực cản trong hệ tọa độ tốc độ khối lượng riêng không khí m khối lượng của UAV Vr không tốc (tốc độ tương đối của UAV so với không khí) Vk địa tốc (tốc độ tuyệt đối của UAV so với mặt đất) Vhc vận tốc hạ cánh của UAV (vận tốc tiếp đất) Vmt vận tốc mục tiêu di động W vận tốc gió Wx vận tốc gió dọc Wy vận tốc gió đứng ba dây cung khí động trung bình S diện tích cánh hiệu dụng của UAV T lực kéo động cơ c góc lệch cánh lái độ cao h góc lệch cánh lái hướng 7 ny1 quá tải đứng theo hệ tọa độ liên kết nx1 quá tải dọc trục theo hệ tọa độ liên kết ny quá tải đứng theo hệ tọa độ tốc độ (quá tải pháp tuyến vận tốc) nx quá tải dọc theo hệ tọa độ tốc độ (quá tải tiếp tuyến vận tốc ) H Độ cao chuyến bay Hct độ cao theo chương trình Ho độ cao bay bằng (bắt đầu vào hạ cánh) góc chúc ngóc theo chương trình quá tải đứng theo chương trình hệ số cản dịu kênh dọc u(t) tín hiệu điều khiển các biến đồng trạng thái tương ứng các biến thời điểm bắt đầu vào hạ cánh thời điểm kết thúc hạ cánh (UAV tiếp đất) J hàm mục tiêu hàm Hamilton hàm Lagrange hàm Terminant s tham số liên tục p hàm Laplace Lhc quãng đường hạ cánh Lhđc quãng đường hạ độ cao Lkb quãng đường kéo bằng Lhđ quãng đường hãm đà l chiều dài đường băng khoảng cách từ đầu đường băng đến vị trí tiếp mong muốn trọng lực của UAV g gia tốc trọng trường (g = 9,80665 m/s²); Cx hệ số lực cản chính diện hệ số lực nâng hdc độ cao của động cơ so với trục dọc UAV 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 9 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 10 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, máy bay không người lái (UAV­ Unmanned Aerial Vehicle) được sử dụng khá rộng rãi trong lĩnh vực quân sự cũng như trong các lĩnh vực khác của đời sống xã hội. Không chỉ các nước có tiềm lực kinh tế, khoa học ­ công nghệ như Mỹ, Nga, Đức, Pháp, Israel.

mà ngay cả các nước đang phát triển như Trung Quốc, Ấn Độ, Iran, Malaixia. cũng quan tâm, đầu tư nghiên cứu và liên tiếp công bố các mẫu UAV thế hệ mới. Với Việt Nam, là một nước có biên giới trên biển, trên đất liền dài hàng chục ngàn km, 2/3 diện tích là vùng rừng núi, diện tích lãnh hải và vùng đặc quyền kinh tế trên biển khá rộng (trên 1 triệu km2) và thường xuyên bị tranh chấp về chủ quyền. Việc sử dụng UAV để kiểm soát vùng biển, vùng rừng núi và biên giới của Tổ quốc cũng như trong các lĩnh vực khác luôn có vai trò quan trọng và đem lại lợi ích cao.

Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu, chế tạo UAV ở nước ta đã và đang được nhiều đơn vị đầu tư thực hiện. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu về UAV ở Việt Nam chỉ mới dừng lại ở phạm vi nghiên cứu riêng rẽ từng thành phần của UAV cũng như từng phần tử của hệ thống điều khiển UAV trên cơ sở sử dụng các phần tử điều khiển có sẵn và phụ thuộc nhiều vào công nghệ nước ngoài. Việc nghiên cứu, chế tạo UAV và xây dựng hệ thống tự động điều khiển chưa thực sự hoàn chỉnh. Trong điều kiện hiện tại, nghiên cứu xây dựng từng phần tử của hệ thống điều khiển có chất lượng cao hơn là một hướng đi phù hợp, mang tính độc lập cao, cho phép từng bước hoàn thiện toàn bộ hệ thống điều khiển.

Đối với UAV, hệ thống tự động điều khiển cất hạ cánh luôn giữ một vị trí đặc biệt quan trọng. Giai đoạn cất hạ cánh của các thiết bị bay nói chung, của UAV nói riêng là giai đoạn phức tạp và chịu tác động của nhiều yếu tố, đặc biệt là khi hạ cánh xuống các tàu sân bay, các sân bay dã chiến hoặc khi phải hạ cánh bắt buộc xuống bãi ngoài. Các sự cố và tai nạn xảy ra trong giai đoạn này thường chiếm tỷ lệ cao. Vì vậy, nghiên cứu, xây dựng hệ thống điều khiển hạ cánh cho UAV có khả năng làm việc ổn định và chính xác cao được đặt ra.

Xuất pháp từ đòi hỏi thực tiễn đó, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Tổng hợp thuật toán điều khiển hạ cánh theo chương trình cho máy bay không người lái cỡ nhỏ” cho Luận án tiến sỹ của mình. Đây là một đề tài khoa học mang tính cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao. Mục đích nghiên cứu Đề xuất phương pháp xây dựng quỹ đạo hạ cánh của UAV trên cơ sở ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại nhằm góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết và áp dụng trong thực tiễn để nâng cao tính an toàn đối với quá trình hạ cánh của UAV. Đồng thời tổng hợp bộ điều khiển bám quỹ hạ cánh đối với UAV cụ thể trong điều kiện có nhiễu động gió.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ­ Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển hạ cánh của UAV cỡ nhỏ, có cánh cố định. Luận án không xem xét loại UAV có nhiều cánh quạt (Multirotor, quadrotor. ­ Phạm vi nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu thuật toán tối ưu quỹ đạo hạ cánh của UAV cỡ nhỏ. Trong đó, tập trung xem xét chuyển động của UAV trong kênh chuyển động dọc.

Phương pháp nghiên cứu 10 11 Trên cơ sở phương pháp luận duy vật biện chứng, Nghiên cứu sinh sử dụng tổng hợp các phương pháp: Lý thuyết, toán học; mô hình hóa toán học hệ thống, mô phỏng bằng phần mềm Matlab 2015. ­ Về lý thuyết: Luận án vận dụng các lý thuyết sau: + Lý thuyết động lực học bay; + Lý thuyết điều khiển tự động; + Lý thuyết điều khiển tối ưu; + Lý thuyết về mô hình hóa toán học các quá trình. ­ Phương pháp thực nghiệm: Mô hình hóa toán học hệ thống điều khiển hạ cánh của UAV, khảo sát, mô phỏng bằng phần mềm Matlab để kiểm chứng hiệu quả của thuật toán đã tổng hợp. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và những đóng góp mới của Luận án ­ Ý nghĩa khoa học: Luận án đã đề xuất được phương pháp tối ưu quỹ đạo hạ cánh của UAV trên cơ sở sử dụng nguyên lý cực đại Pontryagin.

Trọng tâm là việc sử dụng phương pháp liên tục giải theo tham số để giải quyết bài toán biên nhằm tìm ra quỹ đạo hạ cánh tối ưu của UAV. Thuật toán bám quỹ đạo đề xuất đảm bảo UAV hạ cánh an toàn khi có gió trong phạm vi nhất định. ­ Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của Luận án có thể vận dụng vào thực tiễn thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển hạ cánh của UAV cũng như vận dụng trong quá trình điều khiển hạ cánh của UAV trong các trường hợp cụ thể (hạ cánh khẩn cấp, hạ cánh xuống đường băng ngắn, hạ cánh xuống mục tiêu di động) nhằm nâng cao khả năng bảo đảm an toàn bay cho UAV. ­ Những đóng góp mới: + Đã tổng hợp được thuật toán tìm quỹ đạo tối ưu hạ cánh UAV; + Đã tổng hợp được bộ điều khiển bám quỹ đạo hạ cánh cho UAV cỡ nhỏ trong điều kiện có gió.

Bố cục của Luận án Luận án gồm 156 trang in khổ A4; trình bày trong 4 chương với: 129 hình vẽ và đồ thị minh họa; 07 bảng biểu; 63 đầu tài liệu tham khảo trên ba ngôn ngữ: tiếng Việt, tiếng Anh và tiếng Nga. Ngoài phần mở đầu, kết luận, các tài liệu tham khảo và các phụ lục, Luận án được cấu trúc thành 4 chương: Chương 1.