Luận án tiến sĩ: Thuật toán điều khiển quỹ đạo UAV bám mục tiêu di động

Luận án tiến sĩ nghiên cứu thuật toán điều khiển quỹ đạo và bám mục tiêu cho UAV cánh bằng, ứng dụng trong công nghệ bay hiện đại.

• Tác giả: Phạm Thị Phương Anh
• Người hướng dẫn: TS. Phan Tương Lai
• 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 Bám Mục Tiêu Di Động Mặt Đất
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ UAV VÀ ĐIỀU KHIỂN UAV
• 1.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển UAV
• 1.2. Các vòng điều khiển trong hệ thống điều khiển bay
• 1.3. Phương trình động học điều khiển quỹ đạo của UAV
• 1.4. Điều khiển quỹ đạo của UAV
• 1.4.1. Thuật toán bám theo điểm ngắm ảo
• 1.4.2. Thuật toán điều khiển quỹ đạo phi tuyến
• 1.4.3. Thuật toán bám theo đường dựa trên luật ngắm thẳng vào đích đến và dẫn theo đường ngắm của quỹ đạo
• 1.4.4. Luật điều khiển quỹ đạo tựa theo trường véc tơ
• 1.4.5. Luật điều khiển dựa trên bộ điều chỉnh tuyến tính toàn phương LQR
• 1.5. Hệ thống đo lường trên UAV
• 1.5.1. Hệ cảm biến đo các trạng thái dịch chuyển
• 1.5.2. Hệ thống cảm biến đo tư thế UAV
• 1.5.3. Tích hợp các hệ thống cảm biến
• 1.6. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước
• 1.6.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.6.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.7. Đặt vấn đề nghiên cứu
• 1.8. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO CHO UAV
• 2.1. Sơ lược về chế độ trượt
• 2.2. Tổng hợp bộ điều khiển hoạt động trong chế độ trượt
• 2.3. Điều kiện tồn tại chế độ trượt
• 2.4. Hiện tượng chattering trong chế độ trượt
• 2.5. Bài toán bám quỹ đạo sử dụng chế độ trượt
• 2.6. Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt tuyến tính
• 2.7. Thuật toán xác định sai số bám và sai số góc hướng của UAV theo đường quỹ đạo cần bám
• 2.8. Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt tuyến tính theo khoảng cách
• 2.9. Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt tuyến tính hỗn hợp
• 2.10. Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt phi tuyến theo hàm lượng giác
• 2.11. Lựa chọn mặt trượt
• 2.12. Luật điều khiển tương đương
• 2.13. Sự ổn định của chế độ trượt
• 2.14. Mô phỏng đánh giá thuật toán
• 2.15. Thuật toán dẫn đường với mặt trượt phi tuyến dựa trên quỹ đạo Dubin
• 2.16. Quỹ đạo Dubin
• 2.17. Xây dựng chế độ trượt
• 2.18. Mô phỏng đánh giá thuật toán
• 2.19. Thuật toán bám theo đường cong trong hệ tọa độ Serret-Frenet
• 2.20. Hệ tọa độ Serret-Frenet
• 2.21. Xác định tọa độ UAV trọng hệ tọa độ S-F
• 2.22. Xây dựng thuật toán dẫn đường bám quỹ đạo trong hệ tọa độ S-F. Đánh giá thuật toán
• 2.23. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DẪN ĐƯỜNG BÁM MỤC TIÊU MẶT ĐẤT DI ĐỘNG CHO UAV
• 3.1. Xác định tọa độ và các tham số chuyển động của mục tiêu
• 3.2. Mô hình Camera và hệ tọa độ Camera
• 3.3. Xác định tọa độ mục tiêu từ hệ tọa độ của camera
• 3.4. Bám sát mục tiêu di động theo chế độ quay quanh mục tiêu (chế độ loitering)
• 3.5. Chế độ bám theo đường quỹ đạo động kép
• 3.6. Thời gian quá độ trong chế độ điều khiển dẫn đường sử dụng chế độ trượt với mặt trượt phi tuyến theo quỹ đạo Dubin
• 3.7. Quỹ đạo kép trong bài toán hộ tống mục tiêu
• 3.8. Sai số bám trong chế độ hộ tống sử dụng quỹ đạo kép
• 3.9. Mô phỏng chế độ bám theo mục tiêu di động mặt đất theo chế độ hộ tống
• 3.10. Lưu đồ thuật toán khối tạo nhiệm vụ bay
• 3.11. Kết luận chương 3
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về UAV và điều khiển UAV

Trong bối cảnh hiện đại, UAV (Thiết bị bay không người lái) đã trở thành một công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ quân sự đến dân sự. Công nghệ UAV không chỉ giúp tăng cường khả năng giám sát mà còn hỗ trợ trong các nhiệm vụ như cứu hộ, nông nghiệp và bảo vệ môi trường. Hệ thống điều khiển UAV bao gồm nhiều thành phần, trong đó có các cảm biến và thuật toán điều khiển. Việc điều khiển UAV đòi hỏi sự chính xác cao trong việc xác định vị trí và trạng thái của nó. Các nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng việc áp dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của UAV trong việc bám theo mục tiêu di động. Đặc biệt, thuật toán bám theo điểm ngắm ảo và các phương pháp điều khiển quỹ đạo phi tuyến đã được chứng minh là hiệu quả trong việc giảm thiểu sai số trong quá trình điều khiển.

1.1. Các vòng điều khiển trong hệ thống điều khiển bay

Hệ thống điều khiển UAV thường được chia thành nhiều vòng điều khiển khác nhau, bao gồm vòng điều khiển ngoài và vòng điều khiển trong. Vòng điều khiển ngoài chịu trách nhiệm về việc xác định quỹ đạo bay, trong khi vòng điều khiển trong đảm bảo sự ổn định của UAV trong quá trình bay. Việc tích hợp các vòng điều khiển này là rất quan trọng để đảm bảo UAV có thể thực hiện các nhiệm vụ phức tạp như bám theo mục tiêu di động. Các thuật toán điều khiển như LQR (Luật điều khiển tuyến tính toàn phương) và các phương pháp điều khiển phi tuyến đã được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất của UAV trong các tình huống khác nhau.

II. Xây dựng thuật toán điều khiển quỹ đạo cho UAV

Việc xây dựng thuật toán điều khiển quỹ đạo cho UAV là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong nghiên cứu này. Các thuật toán này không chỉ giúp UAV bám theo quỹ đạo đã định mà còn có khả năng điều chỉnh linh hoạt khi gặp phải các yếu tố ngoại cảnh. Chế độ trượt được áp dụng để đảm bảo UAV có thể duy trì quỹ đạo trong điều kiện nhiễu loạn. Các thuật toán như mặt trượt phi tuyến và mặt trượt hỗn hợp đã được phát triển để cải thiện khả năng bám theo quỹ đạo của UAV. Việc áp dụng các phương pháp này cho phép UAV nhanh chóng tiệm cận và duy trì quỹ đạo mong muốn, đồng thời giảm thiểu sai số trong quá trình điều khiển.

2.1. Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt

Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt là một phương pháp hiệu quả để điều khiển UAV bám theo quỹ đạo. Phương pháp này cho phép UAV điều chỉnh hướng bay dựa trên các thông số trạng thái hiện tại và mục tiêu cần đạt được. Việc lựa chọn mặt trượt phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong quá trình điều khiển. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng mặt trượt phi tuyến có thể cải thiện đáng kể khả năng bám theo quỹ đạo của UAV trong các điều kiện bay khác nhau.

III. Tổng hợp hệ thống điều khiển dẫn đường bám mục tiêu mặt đất di động cho UAV

Hệ thống điều khiển dẫn đường bám mục tiêu di động mặt đất cho UAV là một lĩnh vực nghiên cứu đang được quan tâm. Việc xác định tọa độ và các tham số chuyển động của mục tiêu là rất quan trọng để UAV có thể thực hiện nhiệm vụ bám sát hiệu quả. Các thuật toán bám theo chế độ bay vòng và bám quỹ đạo theo hai đường thẳng song song đã được phát triển để cải thiện khả năng bám sát mục tiêu. Đặc biệt, việc áp dụng phương pháp hộ tống cho phép UAV duy trì khoảng cách an toàn với mục tiêu, đồng thời đảm bảo chất lượng bám sát.

3.1. Mô hình Camera và hệ tọa độ Camera

Mô hình camera và hệ tọa độ camera đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tọa độ mục tiêu từ hình ảnh thu được. Việc sử dụng các cảm biến hiện đại giúp UAV có thể xác định chính xác vị trí của mục tiêu, từ đó điều chỉnh quỹ đạo bay một cách hiệu quả. Các thuật toán xử lý hình ảnh và phân tích dữ liệu cũng được áp dụng để cải thiện khả năng nhận diện và bám theo mục tiêu di động. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất của UAV mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ UAV VÀ ĐIỀU KHIỂN UAV Hiện nay điều khiển UAV là một lĩnh vực được quan tâm rộng rãi và đạt được nhiều kết quả quan trọng. Các nghiên cứu đều tập trung theo sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển UAV được đề xuất trong [26],[27] trong đó có 3 vấn đề quan trọng đặt ra, đó là xác định được các tham số trạng thái của UAV trên cơ sở các phương tiện đo lường [97],[84]; trên cơ sở các tham số trạng thái của UAV và nhiệm vụ bay, tổng hợp bộ điều khiển vòng ngoài; tổng hợp bộ điều khiển vòng trong còn gọi là các bộ ổn định cho UAV [26],[28]. Để phân tích có tính hệ thống cho các nhiệm vụ này, dưới đây sẽ trình bày tổng quan về các vấn đề có liên quan. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển UAV Hệ thống điều khiển tự lập UAV bao gồm khối tạo nhiệm vụ bay, khối điều khiển, hệ thống cảm biến và hệ thống xử lý tín hiệu đo được thể hiện bằng sơ đồ tổng quát sau [39]: Khối điều khiển Nhiệm vụ Điều khiển Điều khiển UAV bay quỹ đạo ổn định Động học Thiết bị Hệ thống xử phụ trợ lý tín hiệu đo Hệ cảm biến Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống điều khiển UAV Trong sơ đồ Hình 1.1, nhiệm vụ bay được nạp trước vào máy tính trên khoang hoặc có thể được thay đổi theo lệnh từ trung tâm điều khiển mặt đất.

Nhiệm vụ có thể là các quỹ đạo điểm-điểm, quỹ đạo cong hay quỹ đạo tròn và luan an 7 đôi khi làm bám theo mục tiêu được xác định từ trạm điều khiển mặt đất. Căn cứ vào các giá trị của các biến trạng thái thu thập được trên UAV, trong đó bao gồm các biến trạng thái của UAV cũng như các biến trạng thái của mục tiêu so với UAV, nhiệm vụ bay cụ thể được đưa ra. Trong hệ thống điều khiển nêu trên, khối điều khiển quỹ đạo nhận các tham số từ nhiệm vụ bay cũng như các tham số trạng thái của UAV, xử lý số liệu thời gian thực để đưa ra các lệnh điều khiển quỹ đạo dưới dạng góc nghiêng, góc chúc ngóc và giá trị công suất của hệ thống đẩy của động cơ [27],[77]. Việc thiết lập các lệnh này sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của UAV bám theo nhiệm vụ bay.

Trong một số trường hợp, khối điều khiển quỹ đạo còn được gọi là khối điều khiển dẫn đường. Khối điều khiển ổn định nhận các lệnh này và trên cơ sở các tham số trạng thái của UAV sẽ tạo lệnh điều khiển các cơ cấu chấp hành trên UAV, đó là các góc lệch của bánh lái độ nghiêng  a , bánh lái nâng  e và góc mở van nhiên liệu T [39]. Việc thay đổi các góc a , e ,  T sẽ làm thay đổi các lực và mô men tác động lên UAV làm cho UAV thay đổi các tham số bay, hay biến trạng thái của nó. Việc thay đổi biến trạng thái này phụ thuộc vào động học của UAV.

Trong thực tế vòng điều khiển ổn định có tác động nhanh hơn vòng điều khiển quỹ đạo [39], vì vậy trong một số trường hợp có thể gộp vòng điều khiển trong và động học của UAV thành một khối và các giá trị thực trạng thái của UAV có thể coi là lặp lại của các lệnh tạo ra từ khối điều khiển quỹ đạo. Trong thực tế cũng có cách tiếp cận khác, đó là gộp 2 khối điều khiển quỹ đạo và điều khiển ổn định vào một và tạo ra các lệnh đến cơ cấu chấp hành trực tiếp từ nhiệm vụ bay và trạng thái của UAV [67],[68]. Đây là luan an 8 phương pháp tiếp cận tương đối phức tạp và trong luận án sẽ không xem xét. Trạng thái của UAV được xác định nhờ hệ thống cảm biến và hệ thống xử lý dữ liệu đo lường.

Hệ thống cảm biến bao gồm hệ thống cảm biến quán tính, cảm biến từ trường và cảm biến GPS [62] và có thể thêm các cảm biến khác dựa trên các tham số vật lý đo được trên UAV (độ cao, tốc độ đối không. Ngoài ra, căn cứ vào điều kiện hoạt động có thể sử dụng các thiết bị phụ trợ nhận các tín hiệu từ bên ngoài để đưa vào hệ thống xử lý. Hệ thống xử lý dữ liệu đo lường nhận các thông tin từ hệ thống cảm biến và các thiết bị phụ trợ để xử lý, đưa ra các giá trị của biến trạng thái của UAV và theo từng nhiệm vụ nhất định, một số tham số của đối tượng mà UAV phải bám sát [95]. Các tham số này được truyền về khối tạo nhiệm vụ bay cũng như các khối điều khiển.

Trên cơ sở các số liệu đầu vào, hệ thống xử lý sẽ thực hiện xử lý trên cơ sở đa cảm biến [98] để đảm bảo chất lượng, độ chính xác và ổn định các tham số cần đo. Thuật toán này về cơ bản dựa trên các bộ lọc Kalman [53], [54],[92]. Dưới đây sẽ xem xét các giải pháp được áp dụng cho các khối trong sơ đồ điều khiển trên. Các vòng điều khiển trong hệ thống điều khiển bay Như trên sơ đồ Hình 1.1, hệ thống điều khiển bay sẽ so sánh nhiệm vụ bay với các tham số trạng thái của UAV để tạo ra các lệnh điều khiển.

Đối với máy bay cánh bằng, có 4 kênh điều khiển đó là kênh ga, kênh lên xuống, kênh lượn và kênh hướng, tuy nhiên không phải hệ thống nào cũng có đủ 4 kênh. Kênh ga T điều khiển công suất động cơ đẩy, các kênh lên xuống  e , kênh lượn  a và kênh hướng  r thứ tự điều khiển momen chúc ngóc, momen nghiêng (lượn), momen quay hướng của UAV. Các UAV cánh bằng liệng và chủ yếu sử dụng kênh lên xuống và kênh lượn để điều khiển. Các thuật toán điều khiển bay thường được phân chia ra luan an 9 thành hai kênh: kênh ngang nhằm đảm bảo hướng bay và kênh dọc nhằm đảm bảo độ cao cũng như tốc độ của UAV.

Các hệ thống điều khiển thường sử dụng phản hồi trạng thái và đưa ra lệnh điều khiển để khử sai số giữa giá trị đặt và giá trị thực của các biến trạng thái UAV. Các phương pháp được sử dụng phổ biến là sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp với các thuật toán điều khiển hiện đại [35],[43],[93] sử dụng điều khiển backstepping [82], các bộ điều khiển bền vững [46] các bộ điều khiển trong không gian H 2 [78] và trong không gian H  [42] hoặc bộ điều khiển trượt [33] điều khiển đón trước [23]. Các hệ thống điều khiển được xây dựng dựa trên mô hình đầy đủ của UAV [39], cụ thể trình bày dưới đây. Hệ thống điều khiển cũng như sơ đồ trên hình 1.1 về cơ bản được thể hiện trên hình 1.2 dưới đây: Giá trị Vòng điều vt ,r ,r  r Vòng điều Góc Động học Véc tơ đặt khiển ngoài khiển trong cánh lái UAV đầu ra y  , vt , p, q, r. Hệ thống đo  h, r, q trạng thái Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống điều khiển UAV với các véc tơ trạng thái và vecto điều khiển Hình 1.2 hệ thống điều khiển được chia ra thành 2 vòng, vòng điều khiển ngoài trên cơ sở nhiệm vụ bay và các tham số trạng thái của UAV, xử lý số liệu và đưa ra các giá trị của các tham số mà vòng điều khiển trong có nhiệm vụ ổn định nó [39].

Vòng điều khiển trong là vòng ổn định và các thuật toán nêu trên [26],[35] đã tương đối hoàn chỉnh được tích hợp trong các thiết bị luan an 10 autopilot thông dụng. Đáp ứng của hệ thống đối với vòng điều khiển trong của hệ thống điều khiển UAV là nhỏ so với vòng điều khiển ngoài. Trong khuôn khổ của luận án này, vòng điều khiển trong sẽ được sử dụng các kết quả nghiên cứu đã được công bố và luận án chỉ tập trung vào vòng điều khiển ngoài. Ngoài ra để đơn giản vận tốc của UAV được duy trì ổn định, vì vậy vòng điều khiển ngoài chỉ còn là xác định các tham số góc liệng và góc chúc ngóc của UAV.

Đây cũng chính là hai kênh điều khiển chính của UAV: điều khiển hướng (kênh ngang) và điều khiển độ cao (kênh dọc). Để xây dựng thuật toán điều khiển quỹ đạo, cần xây dựng mô hình động học của UAV dưới góc độ mô hình động học dẫn đường hay mô hình động học vòng trong của UAV từ đó xác định các tham số đưa vào hệ ổn định vòng trong. Vòng điều khiển trong có nhiệm vụ ổn định các tham số của UAV theo các giá trị đầu vào được đưa ra từ vòng điều khiển ngoài ví dụ như vận tốc UAV, góc liệng, góc chúc ngóc. Trong luận án này, vòng điều khiển trong được xem xét như một vòng điều khiển sử dụng các thiết bị Autopilot có chất lượng đáp ứng yêu cầu của hệ thống điều khiển, có thời gian tác động nhỏ so với vòng điều khiển ngoài.

Khi đó các tham số đầu ra của vòng điều khiển trong được coi như bằng với giá trị đặt đầu vào. Phương trình động học điều khiển quỹ đạo của UAV Trong phần này, các mô hình toán học đơn giản của UAV được xây dựng để áp dụng trong việc thiết kế bộ điều khiển quỹ đạo cho UAV. Để xây dựng mô hình toán học đơn giản, dưới đây không đề cập đến các phương trình lực, phương trình momen và tính toán các lực khí động học phức tạp tác động lên khung máy bay. Các phương trình tổng quát được thay thế bằng phương trình động học đơn giản.

Mô hình này đã được sử dụng để tổng hợp hệ thống điều khiển bám quỹ đạo cho UAV [86]. luan an 11 Điều khiển quỹ đạo trong không gian 3 chiều đề cập đến bám theo quỹ đạo trên cả hai mặt phẳng mặt phẳng ngang và dọc [30],[94]. Nhiệm vụ của nó bao gồm bám mặt đất (vị trí) 2 chiều, cũng như bám theo độ cao của quỹ đạo mong muốn. Trong trường hợp 3D, các lệnh dẫn đường được tạo cho hệ thống điều khiển ngang/hướng theo giá trị của tham số góc nghiêng hoặc góc hướng và cho hệ thống điều khiển theo chiều dọc là tham số về góc chúc ngóc hoặc góc tấn, và có tính đến tác động lẫn nhau giữa hai kênh điều khiển này.

Điều khiển quỹ đạo trong mặt phẳng ngang là điều khiển UAV theo đường thẳng hoặc đường cong qua các điểm tham chiếu của quỹ đạo đặt một cách chính xác nhất làm sao sai số bám là độ lệch ngang nhỏ nhất. Điều khiển quỹ đạo theo mặt phẳng thẳng đứng bảo đảm độ chính xác bám theo độ cao.