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.