Luận Án Tiến Sĩ: Nghiên Cứu Xây Dựng Bộ Ổn Định Và Thuật Toán Điều Khiển Bám Quỹ Đạo Cho UAV Cánh Bằng

Phần này giới thiệu khái quát về điều khiển UAV, bao gồm các loại UAV, điều khiển bay UAV, kiểm soát bay UAV, và các thuật toán điều khiển phổ biến. Điều khiển UAV là một lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết điều khiển, kỹ thuật hàng không, và công nghệ thông tin. Thuật toán điều khiển cần phải đảm bảo độ chính xác cao, ổn định, và khả năng thích ứng với các điều kiện môi trường khác nhau. Điều khiển vòng kín thường được sử dụng để đảm bảo độ chính xác. Giải thuật điều khiển UAV thường dựa trên các mô hình động học và khí động học. Mô hình động lực học UAV cần được xây dựng chính xác để thiết kế thuật toán điều khiển hiệu quả. Phát triển UAV đòi hỏi sự nghiên cứu kỹ lưỡng về các khía cạnh này. Nghiên cứu UAV liên tục được cập nhật để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về hiệu năng và độ tin cậy.

UAV cánh bằng đặt ra những thách thức riêng trong điều khiển UAV. Sự phức tạp của mô hình động học, ảnh hưởng của điều kiện thời tiết, và sự hạn chế về nguồn năng lượng là những yếu tố cần được xem xét. Điều khiển phi tuyến thường được sử dụng do tính chất phi tuyến của hệ thống. Thiết kế bộ ổn định là một phần quan trọng của hệ thống điều khiển UAV. Bộ ổn định UAV cần đảm bảo sự ổn định của UAV trong mọi điều kiện bay. Điều khiển đa biến UAV cũng là một thách thức lớn, đặc biệt trong điều khiển vùng kín UAV. Thuật toán điều khiển phải được tối ưu để xử lý hiệu quả các tín hiệu từ cảm biến UAV. Phân tích ổn định của hệ thống là cần thiết để đảm bảo an toàn cho UAV trong quá trình hoạt động. Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nhằm khắc phục các thách thức này.

Mô hình động học UAV và khí động học UAV là cơ sở cho thiết kế bộ ổn định. Mô hình động học UAV mô tả chuyển động của UAV dưới tác động của các lực và moment. Mô hình khí động học UAV mô tả các lực và moment tác động lên UAV do luồng không khí. Các thông số khí động học như hệ số lực nâng, hệ số lực cản, và hệ số moment cần được xác định chính xác. Động lực học UAV có tính phi tuyến, đòi hỏi sử dụng các kỹ thuật điều khiển phi tuyến. Phương trình động lực học UAV được lập ra dựa trên các nguyên lý cơ bản của vật lý. Phát triển mô hình động lực học UAV là bước đầu tiên trong quá trình thiết kế bộ ổn định. Các phương pháp xác định các thông số của mô hình động học UAV được đề cập.

Thiết kế bộ ổn định dựa trên các thuật toán điều khiển phù hợp. Thuật toán PID UAV thường được sử dụng do tính đơn giản và hiệu quả. Thuật toán điều khiển tiên tiến như điều khiển Backstepping có thể được sử dụng để xử lý các tính chất phi tuyến của hệ thống. Phần cứng của bộ ổn định bao gồm các cảm biến, bộ xử lý tín hiệu, và các bộ truyền động. Cảm biến UAV cung cấp thông tin về trạng thái của UAV. IMU UAV và GPS UAV là các cảm biến quan trọng. Lập trình điều khiển UAV được thực hiện để triển khai thuật toán điều khiển. Kiểm tra và hiệu chỉnh bộ ổn định là cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác của UAV.

Thuật toán bám quỹ đạo được xây dựng dựa trên các nguyên lý điều khiển tự động. Thuật toán điều khiển bám quỹ đạo có thể dựa trên các kỹ thuật điều khiển như điều khiển PID, điều khiển dự đoán, hoặc điều khiển tối ưu. Phương pháp điều khiển bám quỹ đạo cần đảm bảo sự ổn định và chính xác của UAV. Thiết kế bộ điều khiển bám quỹ đạo đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về động lực học UAV và khí động học UAV. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển bám quỹ đạo có thể sử dụng các kỹ thuật như lập trình động lực học và mạng nơ-ron. Thực hiện bám quỹ đạo UAV trong môi trường thực tế cần xét đến các yếu tố nhiễu như gió và nhiễu đo.

Mô phỏng điều khiển UAV được sử dụng để đánh giá hiệu quả của thuật toán bám quỹ đạo. Mô phỏng bám quỹ đạo UAV cho phép kiểm tra hiệu quả của thuật toán trong các điều kiện khác nhau. Môi trường mô phỏng cần bao gồm các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bay như gió, nhiễu đo, và các điều kiện môi trường khác. Phân tích kết quả mô phỏng giúp đánh giá độ chính xác, ổn định, và khả năng thích ứng của thuật toán bám quỹ đạo. Kết quả mô phỏng cần được phân tích kỹ lưỡng để xác định các điểm mạnh và điểm yếu của thuật toán. Cải tiến thuật toán bám quỹ đạo dựa trên kết quả mô phỏng là bước quan trọng trong quá trình phát triển hệ thống điều khiển UAV.