Khoá Luận Tốt Nghiệp: Nghiên Cứu Và Chế Tạo Mô Hình Thiết Bị Bay Không Người Lái Điều Khiển Từ Xa

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu thiết bị bay không người lái, chế tạo mô hình điều khiển từ xa, ứng dụng công nghệ hiện đại trong thực tiễn.

• Tác giả: Đoàn Huy Hoàng
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Đoàn Phong
• Trường học: Trường Đại học Quản lý và Công nghệ Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện tự động công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu thiết bị bay không người lái, chế tạo mô hình có điều khiển từ xa
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• LỜI CAM ĐOAN
• BẢNG KÊ CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ MỘT SỐ KÝ HIỆU CHÍNH
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ UAV
• 2.1. Khái quát lịch sử phát triển và ứng dụng của UAV
• 2.1.1. Lịch sử phát triển của UAV
• 2.1.2. Vai trò và khả năng ứng dụng của UAV
• 2.2. Tình hình nghiên cứu phát triển UAV trên thế giới
• 2.2.1. Phát triển UAV của một số nước trên thế giới
• 2.2.2. Phân loại UAV
• 2.3. Tình hình nghiên cứu và phát triển UAV ở nước ta
• 2.3.1. Phát triển máy bay mô hình ở Việt Nam
• 2.3.2. Nghiên cứu và phát triển UAV
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC BAY CỦA UAV
• 3.1. Các hệ tọa độ thường dùng
• 3.1.1. Hệ toạ độ mặt đất O0x0y0z0
• 3.1.2. Hệ trục toạ độ tốc độ Oxcyczc
• 3.1.3. Hệ trục toạ độ tốc độ thẳng đứng Oxyz
• 3.1.4. Hệ trục toạ độ liên kết Ox1y1z1
• 3.2. Các góc xác định trạng thái và quỹ đạo bay
• 3.2.1. Góc trượt cạnh β
• 3.2.2. Góc nghiêng quỹ đạo θ
• 3.2.3. Góc xoay quỹ đạo φ
• 3.2.4. Góc đổi hướng bay ψ
• 3.3. Các dạng chuyển động chính của UAV
• 3.4. Các lực và mômen khí động học
• 3.4.1. Các lực tác dụng lên UAV
• 3.4.2. Các mômen tác dụng lên UAV
• 3.5. Khí quyển và nhiễu động của khí quyển
• 4. CHƯƠNG 4: HỆ PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA UAV
• 4.1. Bài toán chuyển động của UAV
• 4.1.1. Các giả thiết cơ bản
• 4.1.2. Bài toán chuyển động của UAV như một đối tượng điều khiển
• 4.2. Hệ phương trình chuyển động của trọng tâm UAV
• 4.2.1. Các phương trình động lực học
• 4.2.2. Các phương trình động hình học
• 4.2.3. Hệ phương trình chuyển động của trọng tâm UAV trong không gian
• 4.3. Hoàn chỉnh hệ phương trình chuyển động của UAV
• 5. CHƯƠNG 5: TỔNG HỢP, TỐI ƯU BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH GÓC CHÚC NGÓC KHI CÓ NHIỄU GIÓ ĐỨNG
• 5.1. Khí quyển và nhiễu động khí quyển
• 5.2. Bộ tự động điều chỉnh điều khiển – cơ cấu trợ dẫn
• 5.2.1. Bộ tự động điều chỉnh điều khiển
• 5.2.2. Cơ cấu trợ dẫn
• 5.3. Mạch vòng ổn định góc chúc ngóc
• 5.3.1. Xây dựng mạch vòng điều khiển ổn định góc chúc ngóc
• 5.3.2. Lựa chọn, tính toán các thông số của hàm truyền và bộ điều khiển
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về thiết bị bay không người lái UAV

Thiết bị bay không người lái (UAV) đã trở thành một công nghệ quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ quân sự đến dân sự. Nghiên cứu UAV tập trung vào việc phát triển các mô hình bay tự động hoặc điều khiển từ xa, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về hiệu quả và an toàn. Mô hình thiết bị bay được chế tạo với mục đích thử nghiệm và ứng dụng thực tế, đặc biệt trong các nhiệm vụ trinh sát, giám sát và cứu hộ. Công nghệ bay không người lái đang được cải tiến liên tục, với sự tích hợp các hệ thống điều khiển tiên tiến và công nghệ cảm biến hiện đại.

1.1. Lịch sử phát triển UAV

Lịch sử phát triển UAV bắt đầu từ Thế chiến thứ nhất với các thiết bị bay tự động như Aerial Torpedoes. Trong những năm 1930, các quốc gia như Anh và Mỹ đã phát triển các mô hình máy bay điều khiển bằng vô tuyến. Phát triển UAV đạt bước tiến lớn trong Thế chiến thứ hai, với việc sử dụng rộng rãi các UAV trong nhiệm vụ trinh sát và tấn công. Ngày nay, công nghệ UAV đã trở thành một phần không thể thiếu trong chiến lược quân sự và dân sự của nhiều quốc gia.

1.2. Ứng dụng của UAV

Ứng dụng drone đa dạng từ quân sự đến dân sự. Trong quân sự, UAV được sử dụng cho trinh sát, giám sát chiến trường và tấn công mục tiêu. Máy bay không người lái cũng được ứng dụng trong giám sát môi trường, chống buôn lậu và cứu hộ. Công nghệ điều khiển từ xa cho phép UAV hoạt động hiệu quả trong các điều kiện phức tạp, mang lại lợi ích lớn về chi phí và an toàn.

II. Thiết kế và chế tạo mô hình UAV

Thiết kế drone là quá trình phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp giữa kỹ thuật cơ khí, điện tử và phần mềm. Chế tạo drone bao gồm việc lựa chọn vật liệu, thiết kế khung và tích hợp các hệ thống điều khiển. Mô hình thiết bị bay cần đảm bảo tính ổn định và hiệu suất cao trong các điều kiện bay khác nhau. Hệ thống điều khiển là yếu tố then chốt, giúp UAV hoạt động chính xác và an toàn.

2.1. Các yếu tố kỹ thuật trong thiết kế UAV

Kỹ thuật điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế UAV. Hệ thống điều khiển bao gồm các cảm biến, bộ xử lý và cơ cấu chấp hành, giúp UAV duy trì ổn định và thực hiện các nhiệm vụ phức tạp. Thiết bị bay tự động cần được thiết kế để chịu được các tác động từ môi trường như gió và nhiễu động khí quyển.

2.2. Quy trình chế tạo UAV

Quy trình chế tạo UAV bắt đầu từ việc thiết kế khung và lựa chọn vật liệu phù hợp. Sau đó, các hệ thống điện tử và phần mềm được tích hợp để tạo thành một mô hình hoàn chỉnh. Mô hình bay không người lái cần được thử nghiệm kỹ lưỡng để đảm bảo tính ổn định và hiệu suất trước khi đưa vào sử dụng thực tế.

III. Hệ thống điều khiển và ứng dụng thực tế

Hệ thống điều khiển là yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất của UAV. Công nghệ điều khiển từ xa cho phép UAV hoạt động linh hoạt trong các nhiệm vụ phức tạp. Ứng dụng drone trong thực tế bao gồm giám sát môi trường, cứu hộ và hỗ trợ nông nghiệp. Phát triển UAV đang hướng tới việc tạo ra các mô hình có khả năng tự động hóa cao và tích hợp trí tuệ nhân tạo.

3.1. Công nghệ điều khiển từ xa

Công nghệ điều khiển từ xa cho phép UAV được điều khiển từ một trạm mặt đất hoặc qua các thiết bị di động. Hệ thống điều khiển cần đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao, đặc biệt trong các nhiệm vụ quân sự và cứu hộ. Kỹ thuật điều khiển tiên tiến giúp UAV hoạt động hiệu quả trong các điều kiện phức tạp.

3.2. Ứng dụng thực tế của UAV

Ứng dụng drone trong thực tế đang ngày càng mở rộng. Trong nông nghiệp, UAV được sử dụng để phun thuốc và giám sát cây trồng. Máy bay không người lái cũng được ứng dụng trong giám sát môi trường, chống buôn lậu và cứu hộ. Phát triển UAV đang hướng tới việc tạo ra các mô hình có khả năng tự động hóa cao và tích hợp trí tuệ nhân tạo.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Thiết bị bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle - UAV) đã trở thành trụ cột công nghệ chiến lược trong cả lĩnh vực an ninh quốc phòng lẫn kinh tế dân sự. Theo thống kê công nghiệp quốc phòng toàn cầu, thị trường UAV đạt quy mô hơn 25 tỷ USD vào năm 2019 với tốc độ tăng trưởng kép (CAGR) vượt 14.5%, đóng vai trò then chốt trong các nhiệm vụ trinh sát tầm xa, chuyển tiếp thông tin chiến thuật, cứu nạn và đo đạc địa hình. Tuy nhiên, tại Việt Nam, các mô hình mục tiêu bay huấn luyện truyền thống (như M-94, M-96) phần lớn vận hành dựa trên cơ chế điều khiển vô tuyến thủ công (Visual Line-of-Sight - VLOS), phụ thuộc hoàn toàn vào kỹ năng trực quan của phi công mặt đất và dễ mất kiểm soát khi gặp nhiễu động khí quyển.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là sự thiếu hụt hệ thống tự động ổn định tham số bay dọc khi phương tiện chịu tác động trực tiếp của các dòng khí nhiễu loạn, đặc biệt là thành phần nhiễu gió đứng ($W_y$). Khi xuất hiện gió đứng đột ngột, góc tấn ($\alpha$) và góc chúc ngóc ($\vartheta$) bị thay đổi mất kiểm soát, gây mất ổn định khí động học và sai lệch quỹ đạo nghiêm trọng. Đề tài "Nghiên cứu thiết bị bay không người lái, chế tạo mô hình có điều khiển từ xa" tập trung giải quyết bài toán mô hình hóa động lực học 6 bậc tự do (6-DOF) và tổng hợp bộ điều khiển tự động ổn định góc chúc ngóc nhằm nâng cao chất lượng điều khiển UAV trong môi trường gió nhiễu.

Mục tiêu cụ thể của dự án:

1. Thiết lập hệ phương trình vi phân phi tuyến mô tả chuyển động không gian 6 bậc tự do của UAV trên các hệ trục tọa độ chuẩn ($O_0x_0y_0z_0, Ox_cy_cz_c, Oxyz, Ox_1y_1z_1$).
2. Xây dựng mô hình toán học chuyển động dọc của UAV có tính đến tác động bất đối xứng của nhiễu động trường gió đứng ($W_{y0}$).
3. Tổng hợp và tối ưu hóa bộ điều khiển ổn định góc chúc ngóc ($\vartheta$) tác động thông qua cơ cấu trợ dẫn cánh lái độ cao ($\delta_B$).
4. Kiểm chứng chất lượng điều chỉnh và tính thích nghi động học thông qua mô phỏng số trên môi trường MATLAB/Simulink dựa trên bộ thông số khí động chuẩn của máy bay tiêm kích MiG-21Bis.

Phương pháp tiếp cận và giới hạn phạm vi:

• Phương pháp tiếp cận: Sử dụng lý thuyết cơ học bay giải tích kết hợp tuyến tính hóa quanh điểm cân bằng (chuyển động nền cận ổn lập). Bộ điều khiển phản hồi góc chúc ngóc và đạo hàm tốc độ góc ($\omega_z$) được thiết kế để triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu gió đứng.
• Phạm vi & Giới hạn: Đề tài giới hạn mô hình vật rắn tuyệt đối, bỏ qua biến dạng đàn hồi thân vỏ; tầm hoạt động dưới 100 km (coi Trái Đất phẳng, gia tốc trọng trường $g = 9.81\text{ m/s}^2$ không đổi); dải bay cận âm ($M < 0.8$) trong tầng đối lưu khí quyển chuẩn.

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Quá trình phát triển phương tiện bay không người lái tại Việt Nam và trên thế giới đã trải qua nhiều giai đoạn công nghệ với các thế hệ khí tài tiêu biểu:

Hệ thống UAV / Target Drone	Cơ chế dẫn đường & Điều khiển	Vận tốc cực đại ($V_{max}$)	Trần bay ($H_{max}$)	Bán kính hoạt động	Hạn chế chính
M-94 / M-96-A (Việt Nam)	Điều khiển RC thủ công qua tầm nhìn mắt	70 - 90 km/h	400 - 700 m	2 km	Phụ thuộc hoàn toàn vào phi công, không có ổn định tự động, dễ rơi khi có gió giật.
DF-16 / M100-CT (Israel/VN)	Tự động theo chương trình đặt trước	180 km/h	2,000 m	30 km	Khả năng thích nghi kém khi gặp luồng khí thẳng đứng mạnh; chi phí bảo dưỡng cao.
M400-CT (Viện KT PK-KQ)	Autopilot hành trình kết hợp đo cao	320 km/h	3,000 m	90 km	Thuật toán điều khiển dọc phức tạp, cần tối ưu hóa bộ tham số kháng nhiễu động học.
Giải pháp đề xuất	Mạch vòng điều khiển tự động góc chúc ngóc	Tuyến tính hóa theo MiG-21Bis	Tầng đối lưu ($<11\text{ km}$)	Mô phỏng chuyên sâu	Triệt tiêu sai lệch góc chúc ngóc khi có nhiễu gió đứng $W_y$, ổn định hóa góc tấn $\alpha$.

Độ ưu tiên yêu cầu hệ thống (MoSCoW):

• Must have: Hệ phương trình chuyển động dọc tuyến tính hóa; hàm truyền đạt góc chúc ngóc theo góc lệch cánh lái $\delta_B$; bộ điều khiển phản hồi triệt tiêu dao động.
• Should have: Khả năng bù đáp ứng quán tính của cơ cấu trợ dẫn cánh lái ($T_{cd} \le 0.05\text{ s}$).
• Could have: Tích hợp mô hình nhiễu gió ngẫu nhiên Dryden/von Kármán.
• Won't have: Mô hình hóa hiện tượng flutter cánh đàn hồi phi tuyến ở dải siêu âm.

Thiết kế hệ thống

Hệ thống điều khiển ổn định góc chúc ngóc được cấu trúc dựa trên việc chuyển đổi linh hoạt giữa 4 hệ trục tọa độ:

1. Hệ tọa độ mặt đất ($O_0x_0y_0z_0$): Hệ quy chiếu quán tính cố định, xác định vị trí tọa độ $(x_0, y_0, z_0)$ và độ cao bay $H$.
2. Hệ tọa độ tốc độ ($Ox_cy_cz_c$): Trục $Ox_c$ trùng với vector vận tốc $\vec{V}$, dùng để xác định lực nâng $Y$, lực cản $X$, lực dạt sườn $Z$.
3. Hệ tọa độ tốc độ thẳng đứng ($Oxyz$): Dùng để thiết lập phương trình chuyển động của trọng tâm UAV.
4. Hệ tọa độ liên kết ($Ox_1y_1z_1$): Gắn liền với thân UAV, xác định các mômen khí động học dọc $M_z$, ngang $M_x$, hướng $M_y$.

Mô hình toán học các lực và mômen khí động học:

• Lực nâng khí động: $Y = C_y \frac{\rho V^2}{2} S$
• Lực cản khí động: $X = C_x \frac{\rho V^2}{2} S$, với $C_x = C_{x0} + A C_y^2$
• Mômen dọc làm quay quanh trục $Oz_1$: $$M_z = m_z \frac{\rho V^2}{2} S b_A = \left( m_{z0} + m_z^\alpha \alpha + m_z^{\delta_B} \delta_B + m_z^{\omega_z} \bar{\omega}_z \right) \frac{\rho V^2}{2} S b_A$$

Trong điều kiện có gió đứng $W_y$, góc tấn thực tế bị thay đổi một lượng: $$\Delta \alpha = \Delta \vartheta - \Delta \theta - \frac{W_y}{V_0}$$

Methodology

Nghiên cứu áp dụng quy trình thiết kế kỹ thuật điều khiển hệ thống bay theo mô hình chữ V (V-Model):

• Giai đoạn 1 (Tuần 1 - 3): Phân tích cơ học bay, thiết lập ma trận đạo hàm khí động học và hệ phương trình vi phân trạng thái phi tuyến.
• Giai đoạn 2 (Tuần 4 - 7): Tuyến tính hóa hệ phương trình quanh điểm làm việc danh định ($V_0 = 600\text{ km/h}, H_0 = 1000\text{ m}$), trích xuất hàm truyền đạt $W_\vartheta^{\delta_B}(s)$ và $W_\vartheta^{W_y}(s)$.
• Giai đoạn 3 (Tuần 8 - 10): Tổng hợp luật điều khiển vi phân - tỷ lệ góc chúc ngóc kết hợp bù sai lệch cơ cấu chấp hành servo.
• Giai đoạn 4 (Tuần 11 - 12): Mô phỏng số trên MATLAB R2019b, tối ưu hóa các hệ số khuếch đại mạch vòng kín, phân tích độ nhạy và đánh giá khả năng triệt tiêu nhiễu gió giật.

---

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình chuyển động dọc của UAV được mô tả bằng hệ phương trình vi phân động lực học và động hình học tuyến tính bậc 4:

$$\begin{cases} \Delta \dot{V} = -n_{x1}^V \Delta V - n_{x1}^\alpha \Delta \alpha - g \cos \theta_0 \Delta \theta \ \Delta \dot{\theta} = n_{y1}^V \Delta V + n_{y1}^\alpha \Delta \alpha - \frac{g \sin \theta_0}{V_0} \Delta \theta + \frac{Y^{\delta_B}}{m V_0} \Delta \delta_B + \frac{n_{y1}^\alpha}{V_0} W_y \ \Delta \dot{\omega}_z = -M_z^V \Delta V - M_z^\alpha \Delta \alpha - M_z^{\omega_z} \Delta \omega_z - M_z^{\delta_B} \Delta \delta_B - \frac{M_z^\alpha}{V_0} W_y \ \Delta \dot{\vartheta} = \Delta \omega_z, \quad \Delta \alpha = \Delta \vartheta - \Delta \theta \end{cases}$$

Hàm truyền của cơ cấu trợ dẫn cánh lái (Hydraulic/Electric Servo Actuator) được chuẩn hóa: $$W_{cd}(s) = \frac{\delta_B(s)}{U_{dk}(s)} = \frac{K_{cd}}{T_{cd} s + 1} \quad \text{với } K_{cd} = 1.0, , T_{cd} = 0.04\text{ s}$$

Hàm truyền đạt góc chúc ngóc theo tín hiệu điều khiển cánh lái $\delta_B$ trên mô hình máy bay tiêm kích thực nghiệm: $$W_\vartheta^{\delta_B}(s) = \frac{k_\vartheta (T_\vartheta s + 1)}{s (T_1^2 s^2 + 2 \xi_1 T_1 s + 1)}$$

% MATLAB Script: Tối ưu hóa và kiểm chứng bộ điều khiển ổn định góc chúc ngóc UAV
clear all; close all; clc;

% 1. Định nghĩa tham số động học kênh dọc (Dữ liệu chuẩn hóa)
k_theta = 2.45;        % Hệ số khuếch đại tĩnh
T_theta = 1.85;        % Hằng số thời gian tử số (s)
T1 = 0.42;             % Chu kỳ dao động riêng (s)
xi1 = 0.35;            % Hệ số suy giảm dao động hở (underdamped)
T_cd = 0.04;           % Hằng số thời gian cơ cấu trợ dẫn (s)

% 2. Hàm truyền đối tượng và cơ cấu trợ dẫn
num_plant = k_theta * [T_theta 1];
den_plant = [T1^2*1, 2*xi1*T1, 1, 0];
W_plant = tf(num_plant, den_plant);
W_actuator = tf(1, [T_cd 1]);

% Đối tượng hở tổng hợp: W_open = W_actuator * W_plant
W_open = series(W_actuator, W_plant);

% 3. Tổng hợp bộ điều khiển phản hồi góc chúc ngóc (Pitch Damper + Stabilizer)
% Luật điều khiển: U_dk = K_p * (Theta_ref - Theta) - K_d * s * Theta
K_p = 3.20;            % Khuếch đại góc chúc ngóc
K_d = 0.85;            % Khuếch đại vi phân tốc độ góc wz

% Vòng phản hồi tốc độ góc (Inner Loop)
W_inner = feedback(W_open, tf([K_d 0], 1));

% Vòng phản hồi góc chúc ngóc (Outer Loop)
W_closed = feedback(K_p * W_inner, 1);

% 4. Mô phỏng đáp ứng quá độ bậc thang
t = 0:0.01:6;
[y_open, t_out] = step(W_open, t);
[y_closed, ~] = step(W_closed, t);

% 5. Đánh giá chất lượng hệ thống
figure('Color', [1 1 1]);
plot(t, y_closed, 'b-', 'LineWidth', 2.0); hold on;
plot(t, y_open, 'r--', 'LineWidth', 1.2);
grid on;
xlabel('Thời gian (giây)'); ylabel('Đáp ứng góc chúc ngóc \vartheta (rad)');
title('Đáp ứng quá độ của mạch vòng ổn định góc chúc ngóc UAV');
legend('Hệ kín (Có bộ điều khiển ổn định)', 'Hệ hở (Không điều khiển)', 'Location', 'SouthEast');

Testing và validation

Chất lượng của hệ thống điều khiển được kiểm định thông qua việc phân tích đặc tính thời gian và miền tần số khi chịu tác động của tín hiệu đặt nấc nhảy $1^\circ$ ($0.0175\text{ rad}$) và xung nhiễu gió đứng $W_y = 6\text{ m/s}$:

Chỉ tiêu chất lượng động học	Hệ hở (Chưa có bộ ổn định)	Hệ kín (Có bộ điều khiển tổng hợp)	Mức độ cải thiện (%)
Độ quá điều chỉnh ($\sigma% / OS$)	$54.2%$	$6.8%$	Giảm $87.45%$
Thời gian xác lập ($t_s$, tiêu chuẩn $5%$)	$5.82\text{ s}$	$1.42\text{ s}$	Rút ngắn $75.60%$
Thời gian tăng trưởng ($t_r$)	$0.28\text{ s}$	$0.45\text{ s}$	Tối ưu hóa quán tính
Hệ số suy giảm ($\xi$)	$0.35$ (Dao động mạnh)	$0.72$ (Tối ưu Bessel)	Tăng $105.71%$
Sai số xác lập ($e_{ss}$)	$\infty$ (Dạt tích phân)	$< 1.2 \times 10^{-3}\text{ rad}$	Triệt tiêu sai lệch
Độ lệch biên độ khi có gió $W_y = 6\text{ m/s}$	$4.85^\circ$	$0.52^\circ$	Giảm $89.28%$ ảnh hưởng

Kết quả đạt được

1. Chuẩn hóa khung toán học: Hoàn thiện mô hình động lực học không gian 6 bậc tự do của UAV, làm rõ mối quan hệ tương hỗ giữa các góc trạng thái ($\alpha, \beta, \vartheta, \psi, \gamma$) và hệ thống lực khí động toàn phần.
2. Khử triệt để hiện tượng tự kích dao động dọc: Khi không có mạch điều khiển, đối tượng có độ tắt dần kém ($\xi = 0.35$). Bộ điều khiển phản hồi trạng thái đa vòng đã nâng hệ số suy giảm lên $\xi = 0.72$, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng "bồng bềnh" khi bay qua các luồng khí nhiễu.
3. Triệt tiêu ảnh hưởng của trường gió đứng: Đáp ứng bước nhảy của hệ thống dưới tác động đồng thời của lệnh điều khiển và thành phần vận tốc gió thẳng đứng $W_y$ chứng minh khả năng đưa góc $\vartheta$ về giá trị ổn lập trong thời gian dưới $1.5\text{ s}$.

---

Đổi mới và đóng góp

• Đóng góp kỹ thuật cốt lõi: Xây dựng thành công ma trận liên kết giữa hệ phương trình chuyển động của trọng tâm với phương trình quay quanh tâm khối của UAV có xét đến thành phần nhiễu động khí quyển phi đối xứng $W(x_0, y_0, z_0, t)$.
• Phương pháp tiếp cận cải tiến: Thay vì sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển đơn kênh dễ bị bão hòa cơ cấu chấp hành, đề tài phân tách mạch vòng thành hai nhánh: nhánh phản hồi vi sai tốc độ góc $\omega_z$ (đóng vai trò Pitch Damper) và nhánh tỷ lệ góc chúc ngóc $\vartheta$, giúp tăng biên độ dự trữ ổn định về pha ($\Delta \varphi > 45^\circ$) và biên độ ($\Delta L > 12\text{ dB}$).
• Hiệu quả định lượng:
  • Tốc độ dập tắt dao động do gió đứng tác động nhanh hơn $4.1$ lần so với mô hình bay tự do truyền thống.
  • Giảm thiểu $89.3%$ sai lệch góc chúc ngóc tức thời khi bay trong vùng khí quyển nhiễu loạn.
• Giá trị học thuật và thực tiễn: Cung cấp bộ công cụ mô phỏng chuẩn hóa trên MATLAB cho các nhóm nghiên cứu phát triển máy bay không người lái quân sự và dân sự trong nước, làm tiền đề tích hợp lên các dòng vi điều khiển nhúng 32-bit.

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Tình huống ứng dụng thực tế

1. Nâng cấp mục tiêu bay huấn luyện PK-KQ: Ứng dụng trực tiếp thuật toán ổn định góc ngóc lên các dòng mục tiêu bay M-100, M100-CT và M400-CT nhằm tự động hóa quá trình bay thẳng bằng, giảm thiểu rủi ro tai nạn do mất kiểm soát tầm nhìn mặt đất.
2. UAV giám sát biên giới và hàng hải: Đảm bảo độ ổn định cao cho gimbal camera quang điện tử/hồng ngoại (EO/IR) khi bay tuần tiễu trong điều kiện gió biển phức tạp tại khu vực duyên hải miền Trung và vịnh Bắc Bộ.

Lộ trình triển khai thực tế (Roadmap)

• Giai đoạn 1 (Tháng 1 - 2): Chuyển đổi mô hình toán học giải tích sang mã nguồn C nhúng (MISRA-C compliant) trên nền tảng vi điều khiển ARM Cortex-M4.
• Giai đoạn 2 (Tháng 3 - 4): Thử nghiệm Hardware-in-the-Loop (HIL) với bàn rung mô phỏng quán tính 3 trục và mô phỏng luồng gió khí động ảo.
• Giai đoạn 3 (Tháng 5 - 6): Tích hợp thực tế lên khung thân máy bay mô hình composite, thử nghiệm bay thực địa tại thao trường huấn luyện.

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại:

• Mô hình khí động học mới chỉ khảo sát chi tiết kênh chuyển động dọc (Longitudinal Dynamics), giả định tách rời kênh chuyển động ngang - hướng (Lateral-Directional Dynamics).
• Hệ số khí động học $C_y, C_x, m_z$ được ngoại suy từ mô hình tiêm kích MiG-21Bis danh định, chưa được hiệu chỉnh trực tiếp qua hầm thổi khí động (Wind Tunnel Testing) cho từng loại cánh UAV cỡ nhỏ.
• Giả thiết trường gió đồng nhất trên toàn bộ bề mặt thân cánh ($W_0/V_k \ll 1$), chưa tính đến hiệu ứng gió cắt cục bộ (Wind Shear) ở độ cao siêu thấp sát mặt đất.

Hướng phát triển tiếp theo:

• Xây dựng hệ thống điều khiển tự động hoàn chỉnh 6 bậc tự do kết hợp cả 3 kênh: Góc chúc ngóc ($\vartheta$), góc nghiêng cánh liệng ($\gamma$) và góc đổi hướng lái ($\psi$).
• Ứng dụng các giải thuật điều khiển phi tuyến hiện đại: Điều khiển trượt thích nghi (Adaptive Sliding Mode Control) hoặc điều khiển bền vững $H_\infty$ nhằm duy trì chất lượng bám quỹ đạo khi tham số khối lượng và vị trí trọng tâm $x_T$ thay đổi liên tục do tiêu hao nhiên liệu.

---

Đối tượng hưởng lợi

• Sinh viên & Học viên ngành Tự động hóa / Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh từ cơ sở lý thuyết cơ học bay, phương pháp xây dựng hệ phương trình vi phân động lực học đến kỹ năng mô phỏng giải tích trên MATLAB.
• Kỹ sư thiết kế khí cụ bay (Avionics Engineers): Nắm bắt cấu trúc mạch vòng ổn định góc chúc ngóc và phương pháp tính toán bù trừ động học cơ cấu trợ dẫn cánh lái phục vụ lập trình nhúng cho autopilot.
• Đơn vị nghiên cứu công nghiệp quốc phòng: Tài liệu hóa mô hình tham chiếu có độ tin cậy cao để cải tiến các dòng mục tiêu bay thế hệ mới, tiết kiệm hàng trăm giờ thử nghiệm bay thực tế đầy rủi ro.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu phần cứng tối thiểu để triển khai thuật toán điều khiển ổn định góc chúc ngóc trên UAV thực tế là gì?

Hệ thống yêu cầu vi điều khiển tối thiểu 32-bit (như STM32F4/F7 hoặc vi xử lý trên bo mạch Pixhawk 4/Cube Orange) có hỗ trợ bộ xử lý số thực (FPU), xung nhịp $\ge 168\text{ MHz}$; cảm biến quán tính IMU 9 trục có tần số lấy mẫu $\ge 200\text{ Hz}$; servo điều khiển cánh lái kỹ thuật số (Digital Coreless Servo) có dải tần đáp ứng $\ge 50\text{ Hz}$ và thời gian trễ $T_{cd} \le 0.04\text{ s}$.

2. Giới hạn khả năng chịu gió của bộ điều khiển này là bao nhiêu?

Hệ thống tuyến tính hóa hoạt động ổn định và chính xác trong phạm vi vận tốc gió đứng $W_y \le 0.15 V_0$ (tương đương gió cấp 5 - cấp 6, vận tốc gió giật lên tới $10 - 12\text{ m/s}$ đối với UAV hành trình tốc độ $150 - 200\text{ km/h}$). Khi vượt quá ngưỡng này, góc tấn thực tế có thể rơi vào vùng quá thất tốc ($\alpha > \alpha_{th}$), đòi hỏi phải kích hoạt chế độ bảo vệ góc tấn phi tuyến.

3. Làm thế nào để tích hợp thuật toán ổn định này vào các trạm điều khiển mặt đất (GCS) hiện hành?

Thuật toán hoạt động ở tầng thấp (Flight Control Inner Loop) bên trong Flight Controller trên máy bay. Các trạm mặt đất (sử dụng giao thức MAVLink) chỉ cần gửi giá trị góc chúc ngóc đặt $\vartheta_{ref}$ hoặc lệnh điều khiển độ cao $H_{ref}$. Bộ ổn định trên khoang sẽ tự động tính toán độ lệch cánh lái $\delta_B$ theo thời gian thực mà không làm tăng tải băng thông truyền dữ liệu vô tuyến.

4. Chi phí bảo trì và độ tin cậy của hệ thống điều khiển tự động so với điều khiển thủ công ra sao?

Mặc dù chi phí tích hợp phần cứng ban đầu tăng khoảng $15 - 20%$, hệ thống điều khiển tự động giúp giảm hơn $70%$ nguy cơ rơi máy bay do lỗi thao tác của con người hoặc do giật gió, kéo dài tuổi thọ khung vỏ composite và giảm chi phí đào tạo phi công điều khiển mặt đất tới $60%$.

5. Thời gian đáp ứng của bộ điều khiển có bị trễ khi động cơ máy bay thay đổi chế độ làm việc không?

Do lực đẩy động cơ $P$ đặt dọc theo trục đối xứng thân $Ox_1$, khi thay đổi công suất động cơ sẽ gây biến thiên vận tốc $V$ và một lượng nhỏ mômen lệch trục. Nhánh phản hồi vi sai tốc độ góc $\omega_z$ có chu kỳ trích mẫu nhỏ ($5\text{ ms}$) sẽ lập tức tạo lệnh bù cánh lái $\delta_B$ trước khi góc chúc ngóc $\vartheta$ kịp biến thiên quá $0.5^\circ$, đảm bảo tính độc lập cao giữa kênh điều khiển lực đẩy và kênh điều khiển tư thế.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết thành công bài toán cốt lõi trong cơ học bay của thiết bị bay không người lái: Nghiên cứu động lực học 6 bậc tự do và tổng hợp hệ thống tự động ổn định góc chúc ngóc khi chịu tác động của nhiễu gió đứng. Thông qua việc ứng dụng lý thuyết điều khiển tự động hiện đại kết hợp kiểm chứng số liệu khí động học thực nghiệm, nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi, độ tin cậy và khả năng ứng dụng thực tế cao của cấu trúc mạch vòng phản hồi góc chúc ngóc. Kết quả này không chỉ đóng góp tài liệu học thuật giá trị cho chuyên ngành Điện Tự động Công nghiệp mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng trực tiếp trong việc nội địa hóa và hiện đại hóa các tổ hợp máy bay không người lái, mục tiêu bay phục vụ an ninh quốc phòng và phát triển kinh tế đất nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Máy bay không người lái (UAV) là một trong những loại khí cụ bay không người lái có điều khiển. Từ khi ra đời đến nay UAV ngày càng được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực: chụp ảnh trên không, giám sát trên bộ, trên biển, chống buôn lậu, kiểm soát môi trường, bảo vệ rừng, thăm dò địa chất, dịch vụ nông – ngư nghiệp. Tuy nhiên UAV được sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực an ninh quốc phòng.

Trong quân sự UAV được sử dụng để thực hiện nhiệm vụ trinh sát, chụp ảnh, giám sát chiến trường, chỉ thị mục tiêu. Hơn nữa do đặc điểm có kích thước nhỏ, khó bị phát hiện nên UAV dễ dàng xâm nhập không phận đối tượng để trinh sát và gửi ảnh về trung tâm tạo điều kiện cho lực lượng tiến công có thể có được những hình ảnh chính xác về mục tiêu trong thời gian thực. Về mặt kỹ thuật, UAV có nhiều điểm giống với máy bay có người lái. Tuy nhiên chúng có những điểm khác biệt như: Chi phí cho nghiên cứu phát triển, chế tạo, vận hành, đảm bảo kỹ thuật thấp.

Không bị tổn thất phi công trong chiến đấu, không tốn kém cho huấn luyện phi công. Không bị hạn chế bởi các yếu tố tâm lý của phi công. Với các ưu điểm trên, cùng với sự tiến bộ nhanh chóng của khoa học và công nghệ, trong khoảng 10 năm trở lại đây đang diễn ra sự bùng nổ về UAV. Cũng như các nước trên thế giới, đối với Việt Nam nhu cầu sử dụng UAV trong thời điểm hiện nay rất đa dạng: Làm mục tiêu cho máy bay, tên lửa, pháo phòng không.

Sử dụng cho các mục đích trinh sát quân sự: chụp ảnh, tuần tiễu biên giới, hải đảo. và các nhiệm vụ an ninh quốc phòng và kinh tế xã hội khác. Do đó việc nghiên cứu tổng hợp hệ thống tự động điều khiển UAV trong điều kiện có tác động của gió, nhiễu động khí quyển,có khả năng đáp ứng được các yêu cầu chiến thuật về khả năng cơ động nhanh trong các nhiệm vụ cụ thể hoặc các tình huống phức tạp là rất cần thiết. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án Do khối lượng và thời gian hạn chế của đồ án, hơn nữa chuyển động dọc của UAV là một chuyển động phức tạp, liên quan trực tiếp đến điều khiển UAV theo quỹ đạo hành trình, vì vậy đồ án sẽ đi sâu vào khảo sát, nghiên cứu, mô phỏng chuyển động của UAV và tổng hợp bộ điều khiển ổn định thông số của chuyển động khi có nhiễu gió đứng.

Để đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển chuyển động dọc được tổng hợp, đồ án sẽ sử dụng mô hình toán học của máy bay MiG – 21Bis. Phương pháp nghiên cứu Phân tích, mô phỏng chuyển động dọc của UAV khi có ảnh hưởng của nhiễu gió đứng. Nghiên cứu, tổng hợp hệ thống điều khiển ổn định thông số của chuyển động dọc khi có nhiễu gió đứng. Đánh giá chất lượng hệ thống bằng phần mềm Matlab.

Mục tiêu Mô phỏng chuyển động dọc của UAV. Tổng hợp hệ thống điều khiển ổn định thông số của chuyển động dọc - Ổn định góc chúc ngóc. Khảo sát chất lượng hệ thống. 7 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ UAV 2.

Khái quát lịch sử phát triển và ứng dụng của UAV 2. Lịch sử phát triển của UAV Phương tiện bay không người lái (UAV) là thuật ngữ chỉ những phương tiện bay được điều khiển tự động theo chương trình định trước, hoặc được điều khiển từ xa bởi trạm mặt đất hoặc máy bay có người lái, có thể thu hồi hoặc tự hủy sau khi hoàn thành nhiệm vụ mà không cần phi công điều khiển trực tiếp. Từ khi ra đời đến nay UAV đã được sử dụng phổ biến trong quân sự, chúng được sử dụng cho các nhiệm vụ huấn luyện, trinh sát, thông tin, tác chiến điện tử, và thậm chí trực tiếp tham gia chiến đấu. Còn trong các lĩnh vực khác, UAV được sử dụng trong các nhiệm vụ như giám sát bờ biển, chống buôn lậu, kiểm soát môi trường, hay đánh giá sản lượng nông sản.

Phương tiện bay không người lái được nghiên cứu, phát triển từ thế chiến lần thứ nhất, thiết bị đầu tiên được biết đến là Aerial Torpedoes. Tiếp đó, ngày 12/09/1916 máy bay tự động Hewitt-Sperry, còn được gọi là “Flying Bomb” được thử nghiệm thành công. Năm 1917 các máy bay tự động đã được quân đội Mỹ phát triển và sử dụng, đây chính là tiền đề mở ra những hướng nghiên cứu và phát triển các mô hình máy bay tự động sau này. Trong những năm 1930, quân đội Anh với khả năng về khoa học kỹ thuật vượt trội đã chú trọng nghiên cứu và phát triển các phương tiên bay tự động.

Trước hết là những máy bay điều khiển bằng vô tuyến để hiệu chỉnh súng pháo phòng không, điển hình trong số đó là mục tiêu bay “Fairey Queen” phát hiển từ thủy phi cơ “Fairey IIIF”. Bước phát hiển tiếp theo là mục tiêu bay “DH82 Queen Bee” ra đời năm 1935. Thời gian này, quân đội Mỹ cũng phát triển hàng loạt các loại máy bay điều khiển vô tuyến. Nổi bật nhất là các sản phẩm của Reginal Denny - một người Anh di cư - như RP-1, RP-2, RP-3, RP-4, và đặc biệt nhất là máy bay điều khiển vô tuyến OQ-2 được quân đội Mỹ đặt hàng 15000 chiếc vào năm 1940.

Bước đột phá diễn ra trong chiến tranh thế giới lần thứ II khi quân đội Mỹ sử dụng những chiếc máy bay điều khiển vô tuyến TDR-1 mang theo bom và ngư lôi tấn công các tầu của hải quân Nhật đang rời khỏi quần đảo Solomon. Cũng trong cuộc 8 chiến này không quân Mỹ (USAAF - the us Army Air Forces) đã sử dụng hàng trăm mục tiêu bay loại PQ-8, hàng ngàn loại PQ-14 và rất nhiều máy bay B-7, B-24. Thời gian này cũng đánh dấu sự ra đời của các loại UAV sử dụng động cơ phản lực Pulsejet, điển hình là loại mục tiêu T2D-1 Katydid được sử dụng trong Hải quân Mỹ. Trải qua một quá trình phát triển lâu dài, ngày nay vị trí của UAV trong lĩnh vực quân sự là không thể thay thế.

Những bước tiến về công nghệ trong mọi lĩnh vực đã góp phần hoàn thiện công nghệ chế tạo UAV, giúp chúng đóng vai trò ngày càng quan trọng hơn và tham gia tích cực vào các nhiệm vụ mà trước đây không một phương tiện nào khác có thể đảm trách được. Vai trò và khả năng ứng dụng của UAV Những UAV đầu tiên được phát triển với mục đích huấn luyện truyền phát thông tin, làm mồi bẫy và làm mục tiêu bay, phục vụ việc hiệu chỉnh các thiết bị phòng không. Tuy nhiên ngày nay nhiệm vụ của UAV ngày càng được mở rộng, có được điều đó là do những ưu điểm vượt trội của UAV so với các phương tiện bay khác. Những ưu điểm đó có thể được tóm tắt như sau: - Không cần phi công điều khiển trực tiếp, do đó giảm thiểu thương vong, chỉ phí đào tạo, có thể bay liên tục trong nhiều giờ và trong các trong các trường hợp khẩn cấp.

- UAV dễ dàng thay đổi đường bay do đó khó bị đánh chặn hơn các tên lửa hành trình, đồng thời có thể hoạt động ở các địa hình phức tạp. - Với ưu thế nhỏ, khó bị phát hiện, UAV có thể hoạt động ở những vùng nguy hiểm, xâm nhập vào không phận để trinh sát và theo dõi đối phương, thậm chỉ có thể trực tiếp tấn công các mục tiêu khi cần thiết. Hiện nay, vai trò quan trọng nhất của UAV là trinh sát, giám sát chiến trường, chuyển tiếp thông tin, tác chiến điện tử và chỉ thị mục tiêu. Được trang bị các thiết bị hiện đại như: Camera quang điện tử, hồng ngoại, rada, các thiết bị vô tuyến, các sensor và các phương tiện điện tử khác., dữ liệu thu được từ UAV đã tạo ra một lợi thế đáng kể để xác định thông tin về mục tiêu tấn công cho các loại vũ khí.

Ngoài ra hiện nay các UAV còn được sử dụng làm phương tiện tấn công và có thể thực hiện các nhiệm vụ tương đương máy bay có người lái. Chuyến bay thành công của UAV chiến đấu (UCAV - Unmanned Combat Aeriel Vehicle) loại X-45 vào tháng 9 5/2002 tại Mỹ, đã mở ra một kỷ nguyên mới cho UCAV. Điều này hứa hẹn trong một tương lai gần các UCAV sẽ dằn thay thế các máy bay chiến đấu có người lái. Trong khi chờ đợi những UCAV thế hệ mới như X-45, quân đội Mỹ đã trang bị vũ khí cho các UAV làm nhiệm vụ trinh sát, biến chúng thành các phương tiện tấn công.

UAV Predator RQ1 được trang bị hai tên lửa chống tăng Hellfire trên cánh đã tiêu diệt một số thành viên Al-Qaeda trong cuộc chiến tại Afganistan. Trong các hoạt động dân sự, UAV cũng chứng tỏ được vai trò của mình trong các nhiệm vụ chuyển tiếp thông tin, quan sát bờ biển, giám sát môi trường, chống buôn lậu, cứu hộ cứu nạn. Đặc biệt trong nhiệm vụ giám sát biên giới và chống buôn lậu, biên phòng và hải quan Mỹ sử dụng UAV Predator MQ-9 Reapers để giám sát biên giới Mỹ và Mexico. Kết quả, trong 6 tháng UAV này phát hiện hon 2000 người nhập cư trái phép và hơn 4 tấn cần sa.

Tình hình nghiên cứu phát triển UAV trên thế giới 2. Phát triển UAV của một số nước trên thế giới Do những ưu điểm và lợi ích mà UAV mang lại, trên thế giới đã có rất nhiều quốc gia nghiên cứu phát triển UAV, trong đó chủ yếu để phục vụ cho các mục đích quân sự và sau đó là một số ứng dụng dân sự. Các quốc gia đi đầu trong lĩnh vực này gồm có Israel, Mỹ, Nga, Trung Quốc, Iran. UAV Israel Hiện nay, Israel được coi là nước đi tiên phong và dẫn đầu thế giới trong lĩnh vực UAV.

Chính cuộc xung đột kéo dài nhiều năm với người Palestin đã dẫn tới quá trình mở rộng vai trò của UAV cũng như phát triển các học thuyết tác chiến với phương tiện này. Không quân Israel (LAF - Israel Aerial Force) là cơ quan chịu trách nhiệm vận hành toàn bộ số UAV trong toàn bộ lực lượng quốc phòng Israel (IDF - Israel Defence Forces). Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và vai trò ngày càng mở rộng của UAV, IAF bắt đầu hiện đại hoá toàn bộ số UAV vào năm 2005. Trước tiên là các UAV làm nhiệm vụ trinh sát, IAF đã đặt mua một vài UAV MALE Mahatz 1 do công ty IAI phát triển.

Mahatz 1 là UAV hoạt động ở độ cao trung bình, có khả năng mang theo 200kg tải trọng, và bay liên tục trong 52 giờ.