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

• Tác giả: Lê Ngọc Lân
• Người hướng dẫn: PGS-TS, Đại tá Nguyễn Vũ
• Trường học: Viện Khoa Học Và Công Nghệ Quân Sự
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thuật Toán Điều Khiển UAV Cánh Bằng: Xây Dựng Bộ Ổn Định Và Bám Quỹ Đạo
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO UAV CÁNH BẰNG VÀ BỘ ỔN ĐỊNH CƠ BẢN
• 1.1. Các hệ tọa độ và phương trình lượng giác
• 1.2. Các hệ tọa độ được sử dụng trong luận án. Các phương trình mô tả các quan hệ lượng giác
• 1.3. Mô hình động học của UAV cánh bằng
• 1.4. Mô hình động học phi tuyến đầy đủ của UAV cánh bằng. Phương trình động học theo từng kênh cho UAV cánh bằng
• 1.5. Các hệ số khí động và các hệ số quán tính của UAV
• 1.6. Các cơ cấu điều khiển của UAV cánh bằng
• 1.7. Các giai đoạn bay và cấu trúc hệ thống điều khiển UAV chiến đấu
• 1.8. Các giai đoạn bay thực hiện nhiệm vụ của UAV chiến đấu
• 1.9. Cấu trúc hệ thống điều khiển của UAV chiến đấu
• 1.10. Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.11. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP BỘ ỔN ĐỊNH ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING CHO UAV CÁNH BẰNG
• 2.1. Tổng hợp bộ điều khiển Backstepping cho kênh dọc
• 2.2. Mô hình UAV sử dụng trong kênh dọc (phục vụ điều khiển bám góc nghiêng quỹ đạo), với điều kiện giả thiết β≈0, v≈0. Tổng hợp bộ điều khiển (bám góc nghiêng quỹ đạo)
• 2.3. Tổng hợp bộ điều khiển Backstepping cho kênh ngang
• 2.4. Mô hình UAV sử dụng trong kênh ngang (phục vụ điều khiển bám góc nghiêng của UAV)
• 2.5. Tổng hợp bộ điều khiển (bám góc nghiêng của UAV)
• 2.6. Mô phỏng đánh giá bộ điều khiển được tổng hợp
• 2.7. Mô phỏng bộ điều theo kênh dọc (bám góc nghiêng quỹ đạo)
• 2.8. Mô phỏng bộ điều khiển theo kênh ngang (bám góc nghiêng)
• 2.9. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN DẪN ĐƯỜNG BÁM QUỸ ĐẠO BAY THỰC HIỆN NHIỆM VỤ CHO UAV CÁNH BẰNG
• 3.1. Xây dựng bộ tự động bám quỹ đạo hành trình cho UAV cánh bằng
• 3.2. Hệ thống điều khiển bám đường quỹ đạo và thiết lập quỹ đạo
• 3.3. Xây dựng phương pháp bám đường quỹ đạo là đường thẳng
• 3.4. Xây dựng phương pháp bám đường quỹ đạo là đường cong
• 3.5. Xây dựng bộ điều chỉnh tham số khoảng cách đích ảo
• 3.6. Thiết lập quỹ đạo và xây dựng phương pháp bám đường quỹ đạo trong không gian. Mô phỏng, đánh giá bộ tự động bám quỹ đạo
• 3.7. Xây dựng luật dẫn công kích mục tiêu di động trên biển cho UAV
• 3.8. Xây dựng luật dẫn và quỹ đạo công kích mục tiêu di động trên biển
• 3.9. Mô phỏng, đánh giá quá trình công kích mục tiêu di động trên biển cho UAV
• 3.10. Xây dựng bộ tự động hạ cánh cho UAV
• 3.11. Các giai đoạn hạ cánh và xây dựng quỹ đạo cơ động hạ cánh
• 3.12. Xây dựng luật dẫn, điều khiển tự động bám quỹ đạo hạ cánh cho UAV
• 3.13. Mô phỏng, đánh giá quá trình tự động hạ cánh
• 3.14. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG TRÊN MÔ HÌNH PHI TUYẾN ĐẦY ĐỦ CỦA UAV CÁNH BẰNG
• 4.1. Xây dựng chương trình mô phỏng động học phi tuyến UAV trên Matlab-Simulink
• 4.2. Cấu trúc chương trình mô phỏng động học phi tuyến đầy đủ của UAV
• 4.3. Cấu trúc chương trình mô phỏng bộ điều khiển tổng hợp cho UAV
• 4.4. Mô phỏng UAV thực hiện nhiệm vụ với các kịch bản khác nhau. Mô phỏng UAV bám quỹ đạo hành trình trong không gian 3D
• 4.5. Mô phỏng quá trình bay hành trình sau đó công kích mục tiêu trên biển di động sử dụng độ cao thấp
• 4.6. Mô phỏng bay hành trình và bay về tự động hạ cánh
• 4.7. Xây dựng hệ thống mô phỏng UAV thực hiện nhiệm vụ
• 4.8. Xây dựng hệ thống mô phỏng UAV
• 4.9. Mô phỏng tổng thể UAV thực hiện nhiệm vụ trên hệ thống mô phỏng UAV
• 4.10. Kết luận chương 4
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về Điều khiển UAV Cánh Bằng

Luận án tập trung vào xây dựng bộ ổn định và thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho UAV cánh bằng. Đây là một vấn đề nghiên cứu UAV cấp thiết, đặc biệt trong bối cảnh quốc phòng. Việt Nam cần phát triển UAV để đáp ứng yêu cầu bảo vệ an ninh quốc gia. Hiện tại, ứng dụng UAV trong quân sự Việt Nam còn hạn chế. Luận án đề xuất giải pháp hoán cải máy bay chiến đấu cũ thành UCAV, mở ra hướng phát triển UAV mới, thực tiễn và hiệu quả. Điều khiển UAV đòi hỏi sự chính xác cao. Thuật toán điều khiển cần được thiết kế tối ưu để đảm bảo an toàn UAV và hiệu quả nhiệm vụ. Hệ thống điều khiển UAV phức tạp, bao gồm nhiều thành phần như cảm biến UAV, IMU UAV, GPS UAV, và bộ xử lý. Luận án giải quyết vấn đề điều khiển tự động và bám quỹ đạo cho UAV, góp phần nâng cao khả năng tác chiến.

1.1. Tổng quan về Điều khiển UAV

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.

1.2. Thách thức trong Điều khiển UAV Cánh Bằng

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.

II. Xây dựng Bộ Ổn Định UAV

Phần này trình bày chi tiết về thiết kế bộ ổn định UAV. Bộ ổn định đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự ổn định và khả năng điều khiển của UAV. Thiết kế bộ ổn định dựa trên mô hình động lực học UAV. Mô hình động lực học UAV bao gồm các phương trình mô tả chuyển động của UAV trong không gian 3 chiều. Thuật toán điều khiển được sử dụng để ổn định các kênh điều khiển của UAV, bao gồm kênh dọc, kênh ngang, và kênh hướng. Phần mềm mô phỏng được sử dụng để kiểm tra hiệu quả của bộ ổn định. Mô phỏng điều khiển UAV giúp xác định các thông số thiết kế tối ưu. Phân tích ổn định của bộ ổn định được thực hiện để đảm bảo an toàn cho UAV.

2.1. Mô hình Động Học và Khí Động Học

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.

2.2. Thiết Kế và Triển Khai Bộ Ổn Định

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.

III. Thuật Toán Bám Quỹ Đạo UAV

Phần này tập trung vào thuật toán bám quỹ đạo UAV. Bám quỹ đạo UAV là khả năng của UAV di chuyển theo một quỹ đạo mong muốn. Thuật toán bám quỹ đạo cần xử lý các sai số giữa quỹ đạo thực tế và quỹ đạo mong muốn. Tối ưu hóa quỹ đạo UAV nhằm giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và thời gian bay. Thuật toán bám quỹ đạo phức tạp hơn thuật toán ổn định. Sai số bám quỹ đạo UAV cần được giảm thiểu để đảm bảo độ chính xác của nhiệm vụ. Ảnh hưởng của gió cũng cần được xem xét trong thuật toán bám quỹ đạo. Mô phỏng bám quỹ đạo UAV giúp đánh giá hiệu quả của thuật toán.

3.1. Xây dựng Thuật Toán Bám Quỹ Đạo

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.

3.2. Mô Phỏng và Đánh Giá Hiệu Quả

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.

IV. Kết luận và Ứng Dụng

Luận án đã xây dựng bộ ổn định và thuật toán điều khiển bám quỹ đạo hiệu quả cho UAV cánh bằng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc phát triển UAV cho mục đích quân sự và dân sự. Ứng dụng UAV trong nhiều lĩnh vực ngày càng mở rộng. Nghiên cứu UAV cần tiếp tục được đẩy mạnh để nâng cao hiệu năng và độ tin cậy của UAV. Luận án đóng góp vào phát triển công nghệ UAV của Việt Nam. An toàn UAV được đảm bảo thông qua các phương pháp kiểm tra và hiệu chỉnh kỹ lưỡng. Điều khiển vùng rộng UAV và điều khiển đa biến UAV cần được nghiên cứu thêm.