Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống quan sát, quản lý mục tiêu trên mặt đất sử dụng máy bay không người lái (UAV) điều khiển quỹ đạo bay bằng hệ thống định vị toàn cầu (GPS)

Lịch sử phát triển của UAV Phương tiện bay không người lái là khái niệm chỉ những phương tiện bay được điều khiển tự động theo chương trình định trước hoặc được điều khiển từ xa bởi trạ

BỘ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ BỘ QUỐC PHÒNG

TRUNG TÂM KHOA HỌC KỸ THUẬT & CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG -*** -

BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI ĐỘC LẬP CẤP NHÀ NƯỚC

Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống quan sát, quản lý mục tiêu

trên mặt đất sử dụng máy bay không người lái (UAV) điều khiển quỹ đạo bay bằng hệ thống định vị toàn cầu (GPS)”

Mã số: ĐTĐL-2005/20G

Chủ nhiệm đề tài: Thiếu tướng PGS.TS Đào Tuấn

BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC KỸ THUẬT

6993

06/10/2008

Bản quyền 2007 thuộc Viện Điện tử - Viễn thông

Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Viện trưởng trừ trường hợp

sử dụng vào mục đích nghiên cứu

HÀ NỘI, 11/2007

BỘ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ BỘ QUỐC PHÒNG

TRUNG TÂM KHOA HỌC KỸ THUẬT & CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG -*** -

BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI ĐỘC LẬP CẤP NHÀ NƯỚC

Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống quan sát, quản lý mục tiêu

trên mặt đất sử dụng máy bay không người lái (UAV) điều khiển quỹ đạo bay bằng hệ thống định vị toàn cầu (GPS)”

Mã số: ĐTĐL-2005/20G

XÁC NHẬN CỦA ĐƠN VỊ CHỦ TRÌ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

PHÊ DUYỆT CỦA CẤP QUẢN LÝ

HÀ NỘI, 11/2007

D2-3-DSTG DANH SÁCH TÁC GIẢ CỦA ĐỀ TÀI CẤP NHÀ NƯỚC

(Danh sách những cá nhân đã đóng góp sáng tạo chủ yếu cho Đề tài

được sắp xếp theo thứ tự đ∙ thoả thuận)

(Kèm theo Quyết định số 13/2004/QĐ-BKHCN ngày 25/5/2004

của Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ)

1 Tên Đề tài: Nghiờn cứu thiết kế, chế tạo hệ thống quan sỏt, quản lý mục tiờu trờn

mặt đất sử dụng mỏy bay khụng người lỏi (UAV) điều khiển quỹ đạo bay bằng hệ thống định vị toàn cầu (GPS)

• M∙ số: ĐTĐL-2005/20G

2 Thuộc Chương trình (nếu có):

3 Thời gian thực hiện: 18 tháng

4 Cơ quan chủ trì: Viện Điện tử – Viễn thông

5 Bộ chủ quản: Bộ Khoa học & Công nghệ

LỜI MỞ ĐẦU

Khí cụ bay không người lái là thuật ngữ chỉ các khí cụ bay theo một chương trình lập sẵn hoặc theo tín hiệu điều khiển từ xa của trạm mặt đất, có thể thu hồi hoặc

tự huỷ sau khi hoàn thành nhiệm vụ Từ khi ra đời đến nay khí cụ bay không người lái

đã được sử dụng phổ biến trong quân sự, lúc đầu chúng chủ yếu được sử dụng cho huấn luyện, sau đó được phát triển để thực hiện cho các nhiệm vụ trinh sát, giám sát chiến trường, tác chiến điện tử và rồi cả các nhiệm vụ trên bộ, trên biển Còn trong các lĩnh vực khác khí cụ bay không người lái có thể sử dụng để giám sát bờ biển, chống buôn lậu, kiểm soát môi trường, hay đánh giá sản lượng nông sản

Trong lĩnh vực quân sự hiện nay, hầu hết các khí cụ bay không người lái được

sử dụng cho các nhiệm vụ trinh sát giám sát chiến trường, chỉ thị mục tiêu Nhờ được trang bị các thiết bị hiện đại như Camera quang điện tử, Camera hồng ngoại vô tuyến, các sensor và nhiều thiết bị điện tử khác thì khí cụ bay không người lái có thể chụp ảnh, thu thập các vị trí bố trí của đối phương, về địa hình thời tiết, mức nhiễm độc không khí và gửi dữ liệu về trung tâm chỉ huy bằng các khí cụ không dây thời gian thực Khí cụ bay không người lái cũng có thể được sử dụng làm mồi bẫy, truyền phát thông tin trên không

Với nước ta, việc phát triển và ứng dụng UAV cũng đang đặt ra những yêu cầu thực tế Nhiều trung tâm và viện nghiên cứu trong nước đã ý thức được điều này và bắt tay vào nghiên cứu theo nhiều xu hướng khác nhau Song những kết quả đạt được vẫn còn ở mức độ khiêm tốn do nhiều nguyên nhân như: định hướng công nghệ, giải pháp

kỹ thuật, và chưa được đầu tư, chú trọng đúng mức Một số đã đạt được những kết quả khả quan ban đầu và rất đáng ghi nhận Tuy nhiên, đó mới chỉ là cơ sở, là những bước đi ban đầu của cả một chặng đường dài tiếp theo cho sự phát triển và hoàn thiện

Do đó, những nghiên cứu mang tính cơ bản, từng bước thiết kế, tiến tới xây dựng một cách hoàn chỉnh toàn bộ hệ thống dẫn đường và điều khiển cho UAV là vô cùng cần thiết và sẽ quyết định tới khả năng phát triển, quy mô và lĩnh vực ứng dụng của UAV ở nước ta Tuy nhiên, đây là một vấn đề bao gồm nhiều nội dung phức tạp, đòi hỏi phải có một tập thể nghiên cứu đủ mạnh về chuyên môn, được bảo đảm một nguồn kinh phí cùng những điều kiện nghiên cứu, thử nghiệm nhất định và với một lượng thời gian phù hợp

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG UAV CHƯƠNG 1: SỰ PHÁT TRIỂN VÀ VAI TRÒ CỦA UAV

1.1 Lịch sử phát triển của UAV

Phương tiện bay không người lái là khái niệm 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 thực hiện nhiệm

vụ UAV thường được trang bị các thiết bị thông tin, Camera, các loại cảm biến, vũ khí, nhằm thực hiện các chức năng khác nhau cho cả mục đích quân sự và các lĩnh vực dân sự

Trong chiến tranh thế giới thứ nhất, phương tiện bay không người lái đầu tiên gọi là Aerial Torpedoes đã được nghiên cứu xây dựng và sử dụng, sau này được xếp vào loại tên lửa tầm thấp “Cruise Missiles” Ngày 12/9/1916, máy bay tự động Hewitt-Sperry, còn gọi là “Flying Bomb” đã được thử nghiệm thành công Đến tháng 11/1917 thì các máy bay tự động đã được quân đội Mỹ xây dựng và sử dụng, mở ra những hướng nghiên cứu phát triển các mô hình máy bay tự động

Với khả năng về khoa học kỹ thuật, vào những năm 1930, quân đội Anh và Mỹ

đã chế tạo, sử dụng máy bay mục tiêu được điều khiển bằng vô tuyến (Radio Controlled target aircraft) phục vụ huấn luyện và hiệu chỉnh súng pháo Năm 1931, Anh phát triển mục tiêu điều khiển bằng vô tuyến “Fairey Queen” trên cơ sở thủy phi

cơ “Fairey IIIF” Đến 1935, một số lượng lớn các loại mục tiêu điều khiển vô tuyến đã được nghiên cứu phát triển, điển hình là loại “DH.82B Queen Bee”

Người đứng đầu trong lĩnh vực này được biết tới là Reginald Denny và đã từng phục vụ cho không quân hoàng gia Anh suốt chiến tranh thế giới thứ I Sau chiến tranh, ông di cư sang Mỹ và tiếp tục phát triển nhiều thế hệ máy bay cho quân đội Mỹ như: RP-1, RP-2, RP-3 và RP-4 vào 1938, 1939 Đến 1940, Denny và các đồng nghiệp

đã nhận được hợp đồng sản xuất gần 15000 máy bay điều khiển vô tuyến OQ-2 (trên

cơ sở RP-4) cho quân đội Mỹ sử dụng trong chiến tranh thế giới lần II

Chiến tranh thế giới thứ II đã buộc quân đội Mỹ sử dụng các mục tiêu bay làm các phương tiện tấn công “A-series” (attack) được gọi là PQ Không quân Mỹ (USAAF - the US Army Air Forces) đã sử dụng hàng trăm mục tiêu bay PQ-8, hàng ngàn loại PQ-14 và rất nhiều máy bay ném bom loại B-7, B-24… Bên cạnh đó, loại UAV sử dụng động cơ phản lực Pulsejet cũng đã bắt đầu được nghiên cứu, mặc dù chưa được sử dụng trong quân sự McDonnell đã xây dựng loại mục tiêu phản lực T2D2-1 Katydid, sau đó là KDD-1và KDH-1 Đến giữa chiến tranh, một số lượng nhỏ loại Katydid đã được phát triển và sử dụng trong hải quân Mỹ

Các thế hệ máy bay điều khiển vô tuyến sử dụng cho mục đích huấn luyện điển hình như: OQ-19/KD2R Quail, MQM-33/MQM-36 Shelduck, MQM-57 Falconer Công ty The Globe đã phát triển một loạt máy bay mục tiêu, bắt đầu là loại động cơ cánh quạt “KDG Snipe” vào năm 1946, sau đó phát triển ra các loại KD3G, KD4G và các loại động cơ phản lực KD2G và KD5G (KD6G sau cải tiến lại thành MQM-40 vào đầu những năm 60)

Việc sử dụng UAV làm mồi bẫy bắt đầu từ những năm 50, điển hình là các sản

phẩm của hãng Northrop Crossbow Để theo kịp tốc độ của máy bay chiến đấu bay với tốc độ vượt âm thanh, hãng Northrop đã thiết kế ra loại Q-4 với động cơ phản lực tua-bin (turbo-jet), sau phát triển thành AQM-35 với động cơ phản lực tua-bin GE J85 (loại động cơ của máy bay Northrop F-5)

Cuối những năm 50, một số loại máy bay do thám đã được quân đội Mỹ sử dụng, điển hình là “Aerojet-General MQM-58 Overseer" với các loại sensor trinh sát tinh vi Sau đó, nhiều mô hình UAV được quân đội Mỹ nghiên cứu phát triển và đã phát huy tác dụng với các nhiệm vụ thăm dò, giám sát và tình báo Điển hình là loại Model 147 Lightning Gug và Model 154 của Ryan, Compass Copes của Boeing, D-21 của Lockheed, được sử dụng trong chiến tranh ở Việt Nam, Trung Quốc và Bắc Triều Tiên vào những năm 1960 và đầu 1970 Vào thời kỳ này, Liên Xô (cũ) cũng nghiên cứu thành công và sử dụng bí mật nhiều loại máy bay do thám, trinh sát chống lại các hoạt động của quân đội Mỹ và đồng minh

1.2 Vai trò và khả năng của UAV

So với các phương tiện khác, UAV có một số ưu điểm cơ bản sau:

- Không cần phi công trực tiếp điều khiển, do đó giảm thiểu thương vong và chi phí đào tạo, có thể bay nhiều giờ và trong các trường hợp khẩn cấp;

- Khó bị đánh chặn trên đường bay hơn các tên lửa hành trình là do UAV có thể hoạt động ở những địa hình phức tạp, dễ thay đổi đường bay;

- Với ưu thế nhỏ, khó phát hiện, UAV có thể hoạt động ở những vùng nguy hiểm, thâm nhập không phận để trinh sát và theo dõi đối phương, thậm chí trực tiếp tấn công các mục tiêu khi cần thiết

Trong quân sự, thời gian đầu UAV được sử dụng trong huấn luyện, truyền phát thông tin, làm mồi bẫy và làm mục tiêu giả để hiệu chỉnh vũ khí Sau đó, yêu cầu đặt ra với các phương tiện quân sự là giảm thiểu những rủi ro, thương vong cho binh sỹ, nhiều loại UAV đã được giới quân sự các nước nghiên cứu phát triển và hoàn thiện Ngày nay, UAV đã thực sự trở thành phương tiện quan trọng trong tác chiến đường không

Trang bị những thiết bị hiện đại như: Camera quang điện tử, hồng ngoại, rada, các thiết bị vô tuyến, các sensor và phương tiện điện tử khác, UAV được sử dụng để trinh sát, giám sát chiến trường, chuyển tiếp thông tin, tác chiến điện tử, chỉ thị mục tiêu Sự liên kết dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, trong đó có dữ liệu 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 Gần đây UAV còn được sử dụng để thực hiện các đòn tấn công và có thể thực hiện các Chuyến bay thành công của UAV chiến đấu (UCAV - Unmanned Combat Aerial Vehicle) loại X-45 vào tháng 5/2002, kết quả của sự hợp tác giữa Boeing, nhiệm vụ tương đương với máy bay có người lái

DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), U.S Air Force và NASA, đã mở ra một kỷ nguyên mới cho UCAV Tuy nhiên, Predator là UAV được biết đến nhiều nhất trong trong các hoạt động chiến trường Quân đội Mỹ đã sử dụng

để trinh sát, do thám chiến trường, có thể được trang bị vũ khí, tìm và tấn công các mục tiêu mặt đất, trên biển

Trong chiến tranh Afganistan, lần đầu tiên Mỹ đã sử dụng thành công UAV với các mục đích này Ngày 18/10/2001, phương tiện bay không người lái Predator RQ1, được trang bị tên lửa chống tăng Hellfire đã tìm và diệt Mohamed Ater, một thủ lĩnh

của Al-Qaeda, một số phụ tá và lãnh đạo của Taliban Tiếp đó, ngày 3/10/2002, cục tình báo trung ương Mỹ (CIA) cũng đã sử dụng Predator RQ1 có trang bị vũ khí và đã tiêu diệt Alharithy (thành viên của Al-Qaeda bị buộc tội đánh bom tầu USSCO) và 5 người khác khi đang đi trên ô tô ở Yemen

Trong lĩnh vực dân sự, UAV được sử dụng để chuyển tiếp thông tin, quan sát

bờ biển, cháy rừng, chống buôn lậu, nghiên cứu môi trường, cứu hộ cứu nạn Biên phòng và Hải quan Mỹ đã sử dụng chiếc MQ-9 Reapers để giám sát biên giới với Mexico Sau hơn 6 tháng, chiếc Predator này đã phát hiện được gần 2000 người nhập

cư trái phép và đã giúp thu giữ được 4 tấn cần sa Ngày 18/5/2006, cơ quan quản lý hàng không liên bang Mỹ đã quyết định cấp giấy phép cho M/RQ-1 và M/RQ-9 được

sử dụng không phận dân dụng để thực hiện các nhiệm vụ cứu hộ, cứu nạn

1.3 Phân loại UAV

Căn cứ vào khả năng bay lâu, độ cao tối đa đạt được và hình dạng của UAV, có thể chia UAV ra các loại sau:

- UAV bay lâu - độ cao lớn (HALE- Hight Altitude Long Endurance)

- UAV bay lâu - độ cao trung bình (MALE - Medium Altitude Long Endurance)

- UAV bay siêu lâu (ULE - Ultra Long Endurance)

- UAV cất hạ cánh thẳng đứng (VTOL - Vertical Take-Off and Landing)

- UAV mini

- UAV tí hon (MAV - Micro Air Vehicles)

1.3.1 UAV bay lâu - độ cao lớn (HALE- Hight Altitude Long Endurance):

HALE UAV được miêu tả tương đương như một “vệ tinh bay thấp” cung cấp ảnh độ phân giải cao cho mục đích tình báo Một trong những phương tiện bay không

người lái loại này phải kể đến đầu tiên là GLOBAL HAWK RQ4 do hãng Northop

Grumman (Mỹ) chế tạo, đây là loại phương tiện bay không người lái có khả năng

trinh sát từ cự ly an toàn, độ cao lớn và bay lâu GLOBAL HAWK đang được coi như lực lượng bổ sung hay thậm trí thay thế các máy bay tuần tiễu trên biển

1.3.2 UAV bay lâu - độ cao trung bình (MALE - Medium Altitude Long Endurance):

Một trong những phương tiện bay điển hình loại này phải nói tới là Predator RQ1 của Mỹ, đây là phương tiện bay không người lái do hãng General Atomic chế tạo Rẻ và nhỏ hơn nhiều (khoảng 4 triệu USD) so với Global Hawk RQ4, Predator RQ-1 có thể cung cấp video thời gian thực cả ngày lẫn đêm trong mọi điều kiện địa hình và thời tiết qua kênh vệ tinh Predator được quân đội Mỹ sử dụng lần đầu tiên ở chiến trường Bosnia năm 1995, để trinh sát, cảnh giới, giám sát chiến trường, thậm chí chuyển thành máy bay tấn công khi cần thiết

Tuy nhiên, chúng không được dùng trong chiến tranh Iraq 3/2003 vì tại Afganistan đã có tới 12% bị rơi do thời tiết xấu và các vấn đề kỹ thuật khác Cùng với các UAV loại MALE này thì hãng General Atomic đang phát triển hơn nữa model MQ-9A Predator-B, loại này có thể mang các trang thiết bị nặng hơn với độ cao lớn hơn và vận tốc lớn hơn

Để thay thế cho Predator trong chiến tranh Iraq năm 2003 quân đội Mỹ đã sử dụng phương tiện bay không người lái Shadow-200 có trị giá 300 ngàn USD mỗi chiếc Với chiều dài hơn 3 mét nhỏ hơn nhiều so với Predator, Shadow-200 không cần đường băng để cất hạ cánh Shadow-200 có thể gửi các hình ảnh rõ bằng camera thị tần và camera hồng ngoại từ cự ly 100km

1.3.3 UAV bay siêu lâu (ULE - Ultra Long Endurance):

Thuật ngữ “bay siêu lâu” để chỉ loại máy bay có thời gian hoạt động lâu hơn nhiều so với các nhóm trước đây Hãng Boeing đang nghiên cứu một hệ thống chạy bằng pin nhiên liệu Hydro Loại máy bay sải cánh 30 mét này hoạt động ở độ cao từ

18 nghìn đến 23 nghìn mét mà có thể mang các thiết bị cảnh giới hay đảm nhận chức năng của một trạm thông tin liên lạc Mẫu thử nghiệm đầu tiên có thể bay được trong 3 năm và làm các nhiệm vụ quốc phòng như tuần tiễu đường biên giới cả trên bờ cũng như trên biển Năng lượng mặt trời cũng có thể làm nhiên liệu cho loại máy bay này

1.3.4 UAV cất hạ cánh thẳng đứng (VTOL - Vertical Take-Off and Landing):

VTOL được phát triển cho các hoạt động chiến thuật (hỗ trợ mặt đất và các nhiệm vụ trên tàu biển) Một trong những loại này là thiết bị bay không người lái Cam-Copter S-100 Nó là loại lưỡng dụng, được sử dụng cho cả quân sự và cả dân sự Nó được trang bị một số loại sensor, phương tiện bay không người lái này có thể được phóng tự động, cất cánh và hạ cánh thẳng đứng, không cần chuẩn bị trước vị trí cất hạ cánh hoặc các thiết bị phóng

Ngoài ra, lục quân Mỹ ngày càng quan tâm đến hệ thống VTOL và đang theo sát chương trình thử nghiệm A160 HUMMINGBIRD WARRIOR của hãng ARPA/Frortier System Chương trình này giới thiệu công nghệ cho một loại phương tiện bay không người lái VTOL có tầm bay 2.500 dặm trong 40 giờ và mang được 140kg thiết bị

1.3.5 UAV mini:

Tuy UAV mini có một vài hạn chế, nhưng do diện tích phản xạ rađa, trọng lượng, cũng như tín hiệu hồng ngoại và âm thanh nhỏ, nên chúng là phương tiện bay chiến thuật rất có tác dụng trong một số nhiệm vụ cụ thể Việc sử dụng phương tiện bay không người lái “mini” (UAV mini) được chính thức công bố lần đầu tiên vào đầu năm 2003 khi các phi đội bảo vệ lực lượng viễn chinh của không quân Mỹ triển khai phương tiện bay cảnh giới trên không bảo vệ lực lượng ở cả Afganistan và Iraq

1.3.6 UAV tí hon (MAV - Micro Air Vehicles):

Các phương tiện bay tí hon có thể thực hiện được rất nhiều chức năng không chỉ đơn thuần là trinh sát, ví dụ như để tiếp cận phân tích đầu đạn thì người ta có thể

sử dụng một phương tiện bay rất nhỏ gọi là FLY-BOT nó có kích thước rất nhỏ và hầu như không thể bị phát hiện Sự tiến bộ của công nghệ Nanô sẽ cho phép chế tạo một con côn trùng cơ khí có kích thước chỉ 5cm có trang bị camera cùng máy Scaner thậm chí cả thiết bị cảm ứng phân biệt mùi, một số FLY-BOT có thể mang theo cả mồi ga nhỏ để trong trường hợp cần thiết có thể chuyển từ bị động sang chủ động tiến công

Tính năng chi tiết của các loại UAV được đề cập đến có thể tham khảo trong phụ lục 1 báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật của đề tài

CHƯƠNG 2: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG UAV

2.1 Sự phát triển của UAV trên thế giới:

Từ khi ra đời đến nay, đã có rất nhiều nước nghiên cứu phát triển UAV và chủ yếu được sử dụng trong quân sự và sau đó là một số ứng dụng dân sự Các nước đi đầu trong lĩnh vực này là Mỹ, Israel, Anh, Nga, Trung Quốc, Iran, Australia,

2.1.1 Phát triển UAV ở Mỹ:

Công nghệ là vấn đề then chốt đối với con đường mà Mỹ dự kiến cho việc phát triển và sử dụng UAV Mỹ đã đưa ra thuật ngữ “hệ thống phương tiện bay không người lái” (UAS-Unmanned Aircraft System) như là một phương tiện để nhấn mạnh rằng nó bao gồm cả máy bay lẫn trang thiết bị bảo đảm thiết yếu cho nó

Trước những yêu cầu phải trang bị xuống cấp trung đội, Mỹ đã nghiên cứu theo một hướng mới, công nghệ nano để chế tạo những phương tiện bay tí hon MAV (Micro Aerial Vehicles) Để thực hiện, người ta quay trở lại nghiên cứu thế giới côn trùng và mô phỏng các hoạt động bay của chúng Năm 1997, DARPA bắt đầu chương trình nghiên cứu MAV trong nhiều năm với tổng kinh phí 35 triệu USD

Kích thước tối đa của một MAV không quá 15cm, có thể mang camera hoặc máy ảnh nhìn đêm, thời gian bay có thể tới 2 giờ, với giá thành rất thấp, được sử dụng

để do thám, trinh sát trong các tòa nhà, khu dân cư, tham gia các hoạt động chống khủng bố, thậm chí có thể trực tiếp tấn công các mục tiêu khi cần thiết Hàng chục công trình nghiên cứu đã chế tạo ra nhiều loại côn trùng máy biết bay, thực hiện rất nhiều chức năng từ trinh sát đến phá hoại Người ta còn hy vọng có thể nghiên cứu trí tuệ bầy đàn để giúp các côn trùng máy này bay mà không cần người điều khiển Hiện nay, do hạn chế về công nghệ, MAV chủ yếu đang trong giai đoạn thử nghiệm

Các UAV loại HALE (High Altitude, Long Endurance - độ cao lớn, thời gian bay lâu) và MALE (Medium Altitude, Long Endurance - độ cao trung bình, thời gian bay lâu) sẽ là hướng phát triển quan trọng trong thế kỷ 21 Sau một thời gian dài đầu

tư nghiên cứu các mô hình UAV khác nhau, quân đội Mỹ đã có được một lực lượng UAV chiến trường (Battlefield UAV) tương đối hùng hậu Nhiều dự án nghiên cứu UAV đang được thực hiện và sẽ áp dụng rộng rãi sau 2010, quân đội Mỹ sẽ có những phương pháp chiến tranh mới, khi mà UAV sẽ trở thành một phương tiện chiến tranh chủ yếu Một số UAV được trang bị vũ khí, làm nhiệm vụ của máy bay chiến đấu không người lái

Sau sự thành công của chuyến bay kiểm tra loại X-45 tháng 5/2002 (hình 2.1), kết quả của sự hợp tác giữa Boeing, DARPA, U.S Air Force và NASA, đã mở ra một

kỷ nguyên mới cho các UCAV

Hình 2.1: UAV chiến đấu X-45

2.1.2 UAV Israel:

Cùng với Mỹ, Israel là nước đi tiên phong và đứng đầu thế giới trong lĩnh vực nghiên cứu UAV Nhiều năm xung đột với người Palestin đã dẫn tới một quá trình mở rộng đáng kể vai trò của UAV Từ giữa những năm 1990 thì Israel đã đưa ra loại UAV

“bay lâu có độ cao trung bình” (MALE) là Hermes 450 (hình 2.2)

Hình 2.2: UAV Hermes 450 của Israel

Không quân Israel (IAF – Israel Aerial Forces) chịu trách nhiệm sử dụng toàn

bộ số UAV từ cấp chiến thuật cũng như trong toàn bộ Lực lượng quốc phòng Israel (IDF - Israel Defence Forces), đồng thời đây cũng là nơi cung cấp các dịch vụ UAV cho các lực lượng trên bộ và Hải quân nước

Năm 2005 tại triển lãm Paris Air Show, Israel có đưa ra một số loại UAV như: Bird Eye 400, Mahatz-1…

Bird Eye 400 là loại UAV mini, có đuôi hình chữ V, cánh nâng cụp về phía sau với độ chếch không đổi, có khả năng bay hoàn toàn tự động, với các thiết bị điều khiển bay theo mốc lộ trình, nó có thể mang một Camera ban ngày zoom liên tục hoặc một sensor quan sát đêm hồng ngoại không làm lạnh Nó có thể được phóng bằng dây đàn hồi hoặc bằng tay có thời gian bay 90 phút

Hình 2.3: UAV Bird Eye 400 của Israel

Mahatz-1 được xem là MALE UAV thế hệ 4, có khả năng mang tới 250 kg tải trọng và đã trình diễn khả năng bay liên tục 52 giờ Nó có thể mang một lúc nhiều sensor, như radar mặt mở tổng hợp (SAR), radar quét Hải quân và các tải trọng tình báo truyền tin hoặc điện tử

Từ 2005, IAF bắt đầu thực hiện các chương trình hiện đại hóa toàn bộ số UAV, trang bị thêm một số UAV loại MALE Mahatz 1 do chính hãng IAI phát triển, dần thay thế cho các mẫu cũ Searcher Mk I và Mk II với tư cách là phương tiện không người lái trinh sát chủ lực của IAF Đồng thời, công ty IAI cũng được chọn làm hãng đứng đầu chương trình Eitan, thực hiện nghiên cứu các UCAV loại HALE, điển hình

là Heron II với chuyến bay đầu tiên vào năm 2006 Bên cạnh đó, cuộc cạnh tranh gay gắt hơn được thực hiện theo hướng phát triển UAV cỡ nhỏ dùng cho các lực lượng mặt đất được IDF phát động vào cuối năm 2006

Hiện nay, ngành công nghiệp UAV nước này đang đặt trọng tâm vào thị trường quốc tế Ngoài những thành công với thị trường Mỹ quen thuộc, năm 2005 đã đánh dấu một bước tăng trưởng đáng ghi nhận trong việc phân phối UAV đi khắp năm Châu Trong đó cần biết đến việc công ty Elbit liên doanh với Thales của Anh, hay IAI liên kết với EADS và Dassault để phát triển máy bay EuroMALE Tháng 12/2005, IAI cũng đã liên kết với Boing Australia với hợp đồng trị giá 108.4 triệu USD, cung cấp UAV chiến thuật I-View 250 cho lục quân Australia IAI và Elbit cũng hợp lực để thiết lập mối quan hệ đối tác, cung cấp MALE UAV cho quân đội Thổ Nhĩ Kỳ

2.1.3 Nghiên cứu UAV ở Châu Âu:

Châu Âu được đánh giá là đứng thứ ba sau Mỹ và Israel trong lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng UAV Bắt đầu các chương trình nghiên cứu và phát triển các UAV thế hệ kế tiếp, đặc biệt là UCAV, Châu Âu có cả các chương trình hoạt động công khai (Neuron) và bí mật (Barrakuda), đồng thời còn tiến hành những dự án nhằm dần thay thế UAV cho các máy bay có người lái Những chương trình này đã được lặng lẽ thực hiện, phát triển và thử nghiệm từ trước năm 2001, cho đến đầu năm 2003 thì những cuộc bay thử đã được khởi động

Bộ Quốc phòng Anh đã chọn Thales UK làm công ty điều hành chính, kết hợp với Elbit của Israel ký những hợp đồng cuối cùng vào đầu 2007, dự kiến thời gian đưa vào hoạt động vào 2009-2010 Hai UAV lớn khác là Herti-1D và Herti-1A được cấp phép thiết kế từ công ty JS&S Aero Trong đó, Herti-1A được đánh giá là một máy bay đăng ký thương mại, sử dụng phi cảng Cambelltown Airport tại Scotland, là ứng viên khả dĩ nhất đáp ứng các nhu cầu sử dụng hiện nay, có thể bay lâu, tuần tiễu bảo

vệ biên giới và trên biển

Bên cạnh đó, Alenia Aeronautica Italia đang có những kế hoạch phát triển UCAV với Sky-X được bay thử thành công vào tháng 5/2005 Galileo Avionics cũng

đã gặt hái được những thành công nhất định trong việc thương mại hai biến thể của mẫu Camcopter, trong đó có thương vụ bán 80 chiếc S-100 cho các Tiểu Vương quốc

ả rập Thống nhất Một biến thể khác của mẫu Camcopter cũng đã được quân đội Áo,

Ai Cập, Đức, Anh mua sắm

Ngoài ra, Sperwer UAV của Sagem đã từng là một trong những chương trình UAV khá thành công ở Châu Âu về thương mại, và hiện đang được trang bị trong lục quân Đan Mạch, Hy Lạp Hai công ty Rheinmetall và EMT của Đức cũng đã thiết kế

và phát triển các UAV với khách hàng chính là lục quân Đức, trong đó máy bay chiến trường tầm gần Luna của EMT đã tham gia chiến trường Coxovo và Afganixtan

2.1.4 Nghiên cứu UAV ở Nga:

Là nước có sự lớn mạnh về công nghiệp hàng không với nhiều công trình nghiên cứu UAV từ rất sớm Song những nghiên cứu mang tính thực tế đã thụt lùi so với nhiều nước, nhất là trong thập kỷ 90 Tuy nhiên, cuộc xung đột tại Chechnya đã thúc đẩy việc nghiên cứu và sử dụng UAV ở Nga

Vào những năm 1960, UAV của Nga chủ yếu do hãng Tupolev phát triển, những UAV hạng nặng như: TU-123, TU-143, TU243… là lực lượng nòng cốt của lực lượng UAV ở Nga cho tới tận những năm 1990 Vào đầu thập kỷ 80, phòng thiết kế Yakovlev – Viện nghiên cứu Kulon đã bắt đầu công trình phát triển các máy bay điều khiển từ xa cấp chiến thuật Pchela DPLA-60 Pchela-1 (ong mật) là bước xuất phát quan trọng trong chế tạo UAV, và được thiết kế để sử dụng ở cấp đại đội Vào cuối

những năm 80, hệ thống được bổ sung một phiên bản tiên tiến hơn, DPLA-61 Shmel-1 (ong nghệ)

Đến thập kỷ 90, Nga đã phát triển hệ thống trinh sát chiến thuật Stroy-P (đội hình P) dùng máy bay Shmel-1, có thể kết nối 10 UAV cùng hoạt động trên không với pháo binh và trực thăng để chống lại những mối đe dọa cơ động trên chiến trường Năm 1995, hệ thống Story-P được trải qua thực tế tại chiến trường Chechnya và đến

1997 nó vẫn được sử dụng trong quân đội

Hiện nay, IRKUT Corporation được đánh giá là hãng đứng hàng đầu ở Nga về phát triển UAV Tiếp quản và kế thừa kinh nghiệm của phòng thiết kế Yakovlev năm

2004, IRKUT đã nhanh chóng thâm nhập thị trường UAV và có những bước tiến đáng kinh ngạc Hiện công ty đang đề xuất chương trình phát triển UCAV dựa trên mẫu máy bay huấn luyện tiên tiến YAK-130 trong khuôn khổ liên kết với công ty Aermachi của Italia

Bên cạnh đó, một nhân vật khác đang nổi lên trong bức tranh UAV tương lai của Nga là SUKHOI Cuối thập kỷ 90, SUKHOI đã công bố mẫu UAV bay ở độ cao lớn S-62 Cuối 2003, SUKHOI đã cho ra đời một họ UAV mới và đã trưng bày công khai tại triển lãm ở Nga và Trung Quốc, gồm 3 mẫu thuộc họ Zond:

Zond-1 (hình 2.4) là UAV loại HALE (có thể so sánh được với Global Hawk của Mỹ) Đây là một máy bay hai động cơ, hai cánh đuôi đứng với bộ cánh nâng dài

và mảnh, mang theo một rada, dưới bụng máy bay cũng có chỗ để bố trí thiết bị quang điện tử chụp ảnh xiên tầm xa, có mang theo một anten lớn phục vụ truyền tin vệ tinh (SATCOM) đặt trong phần mũi máy bay

Hình 2.4: UAV Zond-1 của Nga

Zond-2 có thiết kế bên ngoài cũng như khung thân giống như Zond-1, nhưng nhỏ hơn và có thể mang một Anten Radar mạng pha lớn để làm nhiệm vụ báo động sớm trên không

Zond-3 là một UAV chiến thuật cùng lớp với UAV Predator của Mỹ, có cùng cách bố trí dáng ngoài với cánh quạt đẩy, cánh nâng và cánh đuôi như Predator B, nó cũng mang một anten truyền tin lớn ở phần trên mũi

2.1.5 UAV Trung Quốc:

Hoạt động nghiên cứu UAV ở Trung Quốc mặc dù phát triển muộn, nhưng lại được đánh giá là khá mạnh mẽ cả về chiều rộng lẫn chiều sâu Ngành công nghiệp hàng không, các viện nghiên cứu hàng không vụ trụ và nhiều trường đại học ở Trung Quốc đang đồng loạt tiến hành nghiên cứu và thực hiện nhiều chương trình, dự án chế tạo UAV trong nhiều năm

Những UAV đầu tiên được triển khai tại Trung Quốc là những mẫu thiết kế sao chép từ Mỹ và Liên Xô (cũ) Tuy nhiên, Trung Quốc đã nhanh chóng thấy được tiềm

năng to lớn của UAV trong quân sự, và đã tiến hành nhiều công trình tạo ra một loạt UAV chiến thuật, siêu nhỏ và vi hình, thậm chí còn xây dựng chức năng mô phỏng các động tác bay của loài chim

Hình 2.5: UAV ASN-207 của Trung Quốc

Trung Quốc đã sản xuất được hàng loạt UAV giám sát chiến thuật, là mẫu thu nhỏ của máy bay Tây An (Xian) ASN-206 vào giữa những năm 1990 Mẫu mới hơn là ASN-207 vào năm 2002 (hình 2.5), cho phép lắp đặt một anten truyền tin vệ tinh trên lưng, cho phép truyền dữ liệu tức thời (hoặc cận tức thời) trên những cự ly mở rộng

Một số mẫu UAV lên thẳng cỡ nhỏ như: Tường Điểu (Soar Bird) của Đại học Nam Kinh, M-22 của Đại học Bắc Kinh, hay Z-2 và Z-3 của Viện NRIST Công ty

“Beijing Strong Science and Technology Development Company” đã phát triển một loạt UAV siêu nhỏ và vi hình như Observer, Sun Ying (Thái Âm) và Shark (Kình Ngư)… Tại triển lãm hàng không Trung Quốc 2004, công ty CASC (China Aerospace Science and Technology Corporation) chuyên về vũ trụ và tên lửa đạn đạo, cũng trưng bày một loạt dự

án UAV, có cả UAV chiến thuật mới

Bên cạnh đó, Trung Quốc cũng đặc biệt chú trọng phát triển những UAV nhỏ

và linh hoạt, có thể phóng bằng tay, sử dụng cho cấp tiểu đội hoặc cá nhân như

ASN-15 của Xian Phần lớn theo hướng này là do các trường đại học nghiên cứu, không thuần túy nghiên cứu cho mục đích quân sự Song những kết quả nghiên cứu và phát triển này là hết sức đáng quý cho ngành công nghiệp quân sự Trung Quốc phát triển Nhiều năm gần đây, đã xuất hiện những ý tưởng thiết kế đầu tiên về UCAV, UAV cánh nâng quay Đáng chú ý nhất là chương trình WZ-2000 của Tập đoàn Hàng không Vũ trụ Quý Châu (QAIG – Quizhou Aerospace Industry Group) với UAV cấp chiến thuật cao tốc, làm cơ sở để phát triển các UCAV Có thể nói WZ-2000 là một dấu hiệu rõ ràng để cho thấy công nghiệp UAV của Trung Quốc đang tiến những bước mạnh mẽ và sáng tạo

Hình 2.6: UAV WZ-2000 của Trung Quốc

WZ-2000 nặng 1700kg, dùng động cơ phản lực, cánh ổn định dạng cánh kép với cánh nâng đặt thấp, có sải cánh 9,8m và thân dài 7,5m, bố trí một anten tích hợp

dùng cho truyền tin vệ tinh Về mặt tính năng, nó có vận tốc cực đại 800 Km/h, tầm bay 800 Km, trần hoạt động 18.000 m và thời gian hoạt động là 3 giờ

2.2 Xu hướng sử dụng UAV trong quân sự:

2.2.1 UAV làm nhiệm vụ trinh sát và chỉ thị mục tiêu

Quan điểm này được đưa ra chủ yếu áp dụng cho những cuộc chiến tranh từ xa, không tiếp xúc trực tiếp Trong những cuộc chiến tranh như vậy, UAV sẽ là một trong những phương tiện chủ yếu phát hiện và xác định chính xác tính chất của các trọng tâm kinh tế-quân sự, cơ sở năng lượng và các mục tiêu khác phân tán trên địa hình mà không cần phải đưa nhân lực vào trực tiếp lãnh thổ của đối phương

2.2.2 UAV làm nhiệm vụ sát thương

Theo quan điểm này UAV có thể làm hai nhiệm vụ chủ yếu: một là chế áp lực lượng phòng không của các mục tiêu kinh tế-quân sự then chốt, hai là sát thương có lựa chọn các mục tiêu này tuỳ theo tầm quan trọng của chúng, với nhiệm vụ này thì UAV sẽ bay vào khu vực đã định, tìm mục tiêu, truyền hình ảnh về sở chỉ huy để phân biệt mục tiêu, sát thương chúng theo lệnh từ mặt đất sau đó quay về điểm đặt căn cứ Đặc biệt với các mục tiêu cơ sở hạ tầng kích thước nhỏ như cầu cống, bến vượt sông,

sở chỉ huy thì dùng UAV sát thương là rất có tác dụng

2.2.3 UAV thực hiện tác chiến điện tử

Trong nhịp độ của chiến tranh thông tin, khi mỗi bên đều muốn nhanh hơn bên kia và gây tổn thất tối đa cho đối phương, thì phương tiện bay không người lái sẽ tham gia chế áp vô tuyến điện tử ồ ạt lên mục tiêu của đối phương và bằng cách đó làm cho tình hình càng trở nên bất định đối với địch Ngoài ra UAV còn phát hiện được các mục tiêu bức xạ vô tuyến rồi xác định chủ nhân và toạ độ của chúng và lập tức đưa vào hệ thống tự dẫn của tên lửa có điều khiển, sau đó sát thương các mục tiêu vừa phát hiện được hoặc dùng nhiễu để chế áp chúng

2.2.4 UAV trong đối phó với hệ thống phòng không

Đối với những trận địa mà hệ thống phòng không của đối phương bố trí theo nhiều tầng, nhiều lớp mà máy bay có người lái không thể vượt qua thì có thể dùng UAV để tiếp cận mục tiêu sẽ có hiệu quả hơn Yếu tố quyết định khả năng không bị tiêu diệt của UAV tại các khu vực phòng không là giữ bí mật đường bay bằng khả năng khó bị phát hiện trong phổ quang, hồng ngoại và các phổ điện từ khác có được nhờ công nghệ “tàng hình” Khả năng khó bị tiêu diệt của UAV được đảm bảo do chúng hoạt động trên những độ cao bay lớn, có khả năng gây nhiễu các phương tiện phòng không

Như vậy với các ưu điểm nỗi trội như thể tích nhỏ, trọng lượng nhẹ, kết cấu đơn giản, giá thành nghiên cứu chế tạo và chi phí cho công tác sẵn sàng chiến đấu, duy tu bảo dưỡng thấp và nhất là tránh được nguy hiểm cho phi công thì phương tiện bay không người lái đã thực sự trở thành thành phần không thể thiếu trong tác chiến hiện đại

2.3 Tình hình nghiên cứu UAV ở nước ta

2.3.1 Phát triển máy bay mô hình ở Việt Nam

Máy bay mô hình ở Việt Nam bắt đầu phát triển từ các câu lạc bộ hàng không, phần lớn được mua từ nước ngoài, là những máy bay thể thao cỡ nhỏ, điều khiển bằng

vô tuyến Do yêu cầu đặt ra với các đơn vị quân đội, đặc biệt là lực lượng phòng không, Quân chủng Phòng không (nay là Quân chủng PK-KQ) đã đặt vấn đề nghiên cứu cải

tiến, dần đi tới sản xuất các máy bay điều khiển bằng vô tuyến, làm mục tiêu phục vụ công tác huấn luyện và bắn đạn thật cho các loại pháo và tên lửa phòng không

Hình 2.7: Mục tiêu bay M94

Ban đầu là loại mục tiêu bay M94 Đây là loại mục tiêu nhỏ dựa trên mô hình các máy bay dùng trong thể thao, được chế tạo khung xương bằng loại gỗ nhẹ và bên ngoài được dán phủ bằng một loại giấy nilông để tạo độ phẳng về khí động

Bảng 2.1: Tính năng kỹ chiến thuật của M94

Hình 2.8: Mục tiêu bay M96-A

Sau 2 năm nghiên cứu thử nghiệm, năm 1996 mục tiêu M96-A được đưa vào sử dụng, phục vụ cho huấn luyện và bắn kiểm tra của Quân chủng

Bảng 2.2: Tính năng kỹ chiến thuật của M96-A

- M96-V01: là mục tiêu sử dụng phục vụ huấn luyện cho tổ hợp vũ khí ZCY-23

và các loại pháo phòng không có trang bị khí tài radar và máy chỉ huy

Ngoài ra, nhu cầu đánh đêm của các lực lượng phòng không đã đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu, thử nghiệm và đưa vào sử dụng các loại mục tiêu bay đêm Một số mục tiêu bay đêm trong tầm quan sát của phi công điều khiển mặt đất đã được chế tạo như: M96-D, M96-2D và M96-A72D…

Để phục vụ huấn luyện và bắn đạn thật cho các loại tên lửa tầm trung, từ năm

1996 đến 1998, Quân chủng PKKQ đã chế tạo và thử nghiệm thành công mục tiêu

M-100 Đây là loại mục tiêu có các tính năng hơn hẳn các thế hệ M-96: sử dụng hệ thống

vô tuyến điều khiển chuyên dụng, có độ chống nhiễu cao và điều khiển được ở cự ly

xa hơn; được trang bị thêm hệ thống tự động cân bằng và ổn định máy bay (AutoPilot), M-100 có thể bay được một đường bay dài và thẳng…

Hình 2.9: Mục tiêu bay M100

Đây là một thành công lớn, lần đầu tiên lực lượng tên lửa phòng không có được một loại mục tiêu bay đủ tính năng kỹ chiến thuật M-100 bắt đầu được đưa vào sử dụng trong mùa bắn năm 1998-1999

Bảng 2.3: Tính năng kỹ chiến thuật của M-100

đặc điểm chung là được dẫn đường nhờ quan sát (bằng mắt thường hoặc thiết bị

quang học), nên hạn chế cơ bản là:

¾ Chỉ bay được ở cự ly gần, trong tầm mắt của phi công điều khiển mặt đất, phụ

thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết, khí hậu, ngày, đêm

¾ Khó điều khiển theo các đường bay mong muốn, không đồng nhất giữa các chuyến

bay và đặc biệt là phụ thuộc nhiều vào khả năng và kinh nghiệm của phi công mặt đất

¾ Chưa sử dụng hệ thống định vị nên không có khả năng quản lý trạng thái, vị trí và

các tham số của máy bay… Do đó rủi ro trong khi bay là khó kiểm soát và thường xuyên xảy ra

2.3.2 Nghiên cứu và phát triển máy bay không người lái

Để khắc phục những nhược điểm của các loại máy bay điều khiển vô tuyến nói trên và có thể phát triển ứng dụng trong các lĩnh vực khác, vào đầu những năm 90, những ý tưởng ban đầu về việc xây dựng các chương trình nghiên cứu UAV được nhiều cơ quan Nhà nước, nhất là Bộ Quốc phòng ấp ủ Khi đó, những khái niệm về UAV vẫn còn ở mức độ hạn chế nên việc nghiên cứu gặp vô vàn khó khăn

Trước những yêu cầu ngày càng cao của công tác huấn luyện và chiến đấu của

bộ đội phòng không, cũng như để có những định hướng nghiên cứu, phát triển mới trong lĩnh vực này, Quân chủng PK-KQ đã đầu tư mua một số tổ hợp UAV mang tên DF-16 (Dragon Fly – rồng bay) do Israel chế tạo Từ năm 1993, việc nghiên cứu UAV mới thực sự được bắt đầu Nhiệm vụ trước mắt là khai thác và tiếp thu công nghệ từ tổ hợp DF-16, từng bước tiến hành nghiên cứu, thử nghiệm các loại mục tiêu có thể bay theo chương trình đặt trước

Từ năm 1999, một nhóm nghiên cứu thuộc Ban nghiên cứu mục tiêu (khi đó thuộc Bộ Tham mưu - Quân chủng PKKQ) đã phối hợp chặt chẽ với nhiều cơ sở nghiên cứu khác, bắt tay vào nghiên cứu, thử nghiệm Đến năm 2001, dự án “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy bay không người lái điều khiển theo chương trình” bắt đầu được triển khai, Viện Kỹ thuật PK-KQ được giao trách nhiệm thiết kế thân vỏ và hệ thống điều khiển cho máy bay

Qua nhiều năm nghiên cứu, đúc kết kinh nghiệm từ quá trình chế tạo, thử nghiệm các mục tiêu bay trước đây, cùng với sự cộng tác chặt chẽ với các cơ sở nghiên cứu khác, Ban nghiên cứu mục tiêu (lúc đó được chuyển về Viện Kỹ thuật PKKQ) đã tính toán, xác định được các đặc tính bay và khí động học của một UAV Trong đó, quá trình nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển theo chương trình gặp nhiều khó khăn và tốn nhiều công sức nhất, bởi đây là một vấn đề mới mẻ, điều kiện thí nghiệm, thử nghiệm hạn chế, thị trường linh kiện và thiết bị hàng không còn quá nghèo nàn…

Đến đầu năm 2002, việc nghiên cứu đã đạt được một số kết quả ban đầu, trước tiên là thiết kế thân vỏ máy bay, từng bước lắp ráp các thiết bị điều khiển, tiến hành bay thử trên các mô hình nhỏ… và đã dần chọn được công nghệ, giải pháp kỹ thuật phù hợp Đến tháng 10/2002, Ban nghiên cứu mục tiêu đã tổ chức bay thử và báo cáo thành công kết quả khả thi của nội dung nghiên cứu trước Tư lệnh và các cơ quan chức năng của Quân chủng, mở ra một hướng nghiên cứu mới cho các mô hình UAV Những thời gian còn lại là cả quá trình nghiên cứu, cải tiến, hoàn thiện từ sản xuất thân

vỏ, các chi tiết đi kèm và toàn bộ hệ thống, gồm cả các thiết bị trên máy bay, thiết bị thông tin và trạm điều khiển mặt đất

Hình 2.10: Mục tiêu bay M100-CT

Ngày 8/7/2004, Ban nghiên cứu mục tiêu đã tiến hành bay nghiệm thu kết quả thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu chế tạo mục tiêu M100-CT, bay theo chương trình định trước, sử dụng GPS M100-CT chính thức trở thành UAV đầu tiên do Việt Nam sản xuất M100-CT được thiết kế chế tạo trên cơ sở mô hình khí động học của mục tiêu M-

100 đang sử dụng, nhưng được gia cố và bổ sung thêm về kết cấu Một số thiết bị điện

tử phải nhập ngoại như: máy thông tin đặc chủng, máy thu GPS, bộ tự động ổn định AutoPilot… Các thiết bị khác như: hệ thống điều khiển bay, trạm điều khiển mặt đất… đều được lắp ráp và chế tạo trong nước

Bảng 2.4: Tính năng kỹ chiến thuật của M100-CT

Sau đó, do nhu cầu huấn luyện của không quân, một loại mục tiêu không người lái

có trần bay cao hơn, tốc độ nhanh hơn, thời gian bay lâu hơn đã đặt ra Cuối năm 2005, M400-CT đã thực hiện những chuyến bay đầu tiên thành công, thời gian bay tối đa khoảng 90 phút, các tính năng không thua kém loại DF-16 đã mua của Israel trước đây

Đây là một bước tiến hết sức quan trọng trong quá trình nghiên cứu chế tạo UAV, vì những giải pháp kỹ thuật của một hệ thống điều khiển cho M400-CT cao hơn rất nhiều so M100-CT và các UAV nhỏ hơn

Bảng 2.5: Tính năng kỹ chiến thuật của M400-CT

Hình 2.11: Mục tiêu bay M400-CT

Có thể nói, với yêu cầu đặt ra của các loại mục tiêu bay phục vụ công tác huấn luyện thì những kết quả đạt được trên đây là rất đáng ghi nhận, nhất là khi mà điều kiện nghiên cứu, tài liệu tham khảo, mức độ đầu tư tài chính… còn nhiều khó khăn

Hệ thống điều khiển cho các loại UAV này đã có sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS để dẫn đường, nhưng tiêu chí đưa ra là chỉ cần xây dựng ở mức độ đơn giản, gọn nhẹ nhất và giá thành thấp nhất Do đó, các hệ thống này đều có một số hạn chế cơ bản sau:

¾ Đều được thiết kế trên cơ sở những kinh nghiệm được rút ra từ quá trình thực tế,

thiếu những nghiên cứu mang tính cơ bản, việc kiểm tra và hiệu chỉnh hệ thống đòi hỏi phải tiến hành nhiều chuyến bay thực tế, do đó mức độ thành công và khả năng phát triển gặp nhiều khó khăn

¾ Phương pháp điều khiển chưa được thực hiện một cách đầy đủ và tối ưu, do đó sai

số trong việc bám các quỹ đạo bay lớn, phản ứng chậm với những thay đổi về đường bay, nhất là với những máy bay có tốc độ lớn

¾ Thiết bị AutoPilot (tự động cân bằng máy bay) được nhập toàn bộ từ nước ngoài,

nhưng mới chỉ quản lý được 2 trục, tốc độ bay hạn chế, chỉ hoạt động được với những tác động của môi trường là nhỏ (nhất là gió)

Do vậy, để những UAV này có thể phát triển và mở rộng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác thì những đầu tư nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện một cách hệ thống là hết sức cần thiết Vài năm gần đây, được sự quan tâm của chính phủ

và các bộ ngành, rất nhiều cơ sở nghiên cứu, cả trong và ngoài quân đội, cũng bắt đầu

có những đầu tư nghiên cứu theo cả hướng chế tạo và ứng dụng UAV Đi đầu phải kể đến là Viện Kỹ thuật PKKQ, Trung tâm KHKT&CNQS, Quân chủng Hải quân, hay một số nhà trường như: Học viện Kỹ thuật Quân sự, Đại học Bách khoa, Đại học Công nghệ TPHCM… cũng đã bắt đầu đưa ra các hướng nghiên cứu cơ bản, dần hướng tới đưa vào giảng dạy trong trường đại học

2.4 Hệ thống UAV sử dụng cho mục đích quan sát, quản lý mục tiêu trên mặt đất

Hiện tại, có nhiều cơ sở nghiên cứu trên thế giới nghiên cứu sử dụng UAV vào mục đích quan sát, quản lý mục tiêu trên mặt đất nhằm giám sát các hoạt động giao thông, chống khủng bố, cảnh báo cháy rừng như Viện nghiên cứu robot và tự động hóa (Đại học Arlington - Hoa kỳ); Phòng thí nghiệm UAV (Công ty Mechatronics – Hoa kỳ), Công ty Astech (Anh) Tham khảo mô hình của các cơ sở này cho thấy mô hình chung của hệ thống thông thường bao gồm hai phần:

- Thiết bị UAV và hệ thống các thiết bị hỗ trợ trên UAV như camera, GPS, bộ

vi xử lý điều khiển giám sát trạng thái UAV, điều khiển lái tự động/ bằng tay, điều khiển truyền dữ liệu, điều khiển bay theo chương trình, điều khiển cất hạ cánh, các sensor giám sát trạng thái UAV

- Trạm mặt đất hỗ trợ UAV: dùng để nhận dữ liệu truyền về từ UAV, điều khiển UAV, giám sát trạng thái UAV, điều khiển camera trên UAV

2.4.1 Mô hình phần cứng hệ thống quan sát quản lý mục tiêu mặt đất sử dụng UAV

Mô hình phần cứng hệ thống quan sát quản lý mục tiêu mặt đất sử dụng UAV như biểu diễn trên hình 2.12

Hệ thống bao gồm 2 phần:

- Phần lắp trên UAV:

• Thiết bị UAV: có thể là thiết bị thương mại hoặc tự thiết kế theo tiêu chuẩn Tùy thuộc vào công suất động cơ và tải trọng có thể của UAV để tính toán thiết bị lắp trên UAV sao cho thiết bị có thể mang trong thời gian và cự ly hoạt động yêu cầu

• Camera: dùng để quan sát các vật thể trong phạm vi quản lý, yêu cầu dùng các loại camera có độ phân giải cao, khả năng Zoom lớn và có thể điều khiển hướng quan sát, đầu ra tiêu chuẩn có thể phối ghép được với hệ thống điều khiển/xử lý

• Card giao tiếp camera: dùng để phối ghép với bộ vi xử lý

• Bộ điều khiển thời gian thực: Đây là bộ vi xử lý trung tâm, có nhiệm vụ quản

lý, giám sát trạng thái UAV, điều khiển camera, điều khiển thu phát dữ liệu với trạm mặt đất

• Động cơ servo: Dùng để điều khiển UAV, có thể nhận điều khiển trực tiếp trong chế độ điều khiển bằng tay

• Máy thu phát vô tuyến: Tạo kênh liên lạc giữa UAV và trạm mặt đất Tùy theo cự ly liên lạc của máy thu phát có thể quyết định phạm vi hoạt động của UAV

• Bộ điều khiển tốc độ motor: điều khiển tốc độ UAV

• Sensor siêu âm: dùng để điều khiển UAV cất, hạ cánh trong chế độ cất/ hạ cánh tự động

• DGPS: Máy thu GPS, dùng để lấy tọa độ GPS hiện thời của UAV

• Card 3D: Xác định tọa độ trong không gian 3 chiều của UAV

- Phần lắp trên trạm mặt đất:

Tại trạm mặt đất, hệ thiết bị đơn giản hơn, bao gồm:

• Máy tính trung tâm: dùng để cài đặt phần mềm giám sát, quản lý mục tiêu

• Bộ điều khiển thời gian thực: Dùng để điều khiển UAV trong chế độ bay tự động; xử lý tín hiệu đưa về từ UAV; ra lệnh điều khiển cho UAV và camera lắp trên UAV

• Máy thu phát vô tuyến: tạo kênh liên lạc giữa trạm mặt đất và UAV

• DGPS: Máy thu HGPS, dùng để xác định tọa độ hiện thời của trạm mặt đất, là mốc để xác định vị trí của UAV trên nền bản đồ số trong trường hợp trạm mặt đất di chuyển

• Bộ điều khiển tay: Có gắn máy thu phát vô tuyến để điều khiển trực tiếp UAV trong chế độ điều khiển tay

PHẦN II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

ĐO ĐẠC VÀ TRUYỀN TRẠNG THÁI UAV

Bài toán thiết kế chế tạo hệ thống quan sát, quản lý mục tiêu trên mặt đất sử dụng máy bay không người lái (UAV – Unmaned Aerial Vehicle), điều khiển quỹ đạo bay bằng hệ thống định vị toàn cầu (GPS – Global Position System) đặt ra vấn đề quản

lý thời gian thực trạng thái của UAV Mặc dù có rất nhiều các tham số trạng thái khác nhau của UAV như các tham số nội tại (tọa độ, góc hướng, nhiên liệu,…) hay các tham số về môi trường (nhiệt độ, áp suất không khí, tốc độ gió,…), chỉ các tham số quan trọng nhất liên quan tới bài toán xử lý ảnh để nhận dạng mục tiêu dưới mặt đất được quan tâm Điều này giúp cho hệ thống quản lý trạng thái bao gồm các khối điều khiển, đo đạc và truyền số liệu được thiết kế gọn nhẹ và đáp ứng được yêu cầu về thời gian thực của toàn bộ hệ thống Các tham số trạng thái quan trọng nhất của hệ thống quan sát, quản lý mục tiêu trên mặt đất sử dụng UAV bao gồm:

- Tọa độ địa lí: kinh độ, vĩ độ, độ cao;

- Góc hướng: góc lệch trục dọc thân (roll), góc chúc (pitch) và góc phương vị so với hướng Bắc (heading)

Hệ thống quản lý trạng thái UAV được thiết kế trên cơ sở tích hợp bộ thu GPS,

hệ thống dẫn đường quán tính (INS – Inertial Navigation System) và hệ thống truyền thông không dây Hệ thống này là một hệ thống con nằm trong hệ thống quan sát, quản

lý mục tiêu trên mặt đất sử dụng máy bay không người lái điều khiển quĩ đạo bay bằng

hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN UAV

3.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển được trình bày ở hình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ chức năng thiết bị trên UAV

Kế hoạch bay (các điểm lần lượt phải bay qua theo bản đồ theo một trật tự nhất định) được nạp vào chương trình bay của máy tính dẫn đường dưới dạng kinh độ, vĩ độ của từng điểm Nhờ thông tin đưa từ máy thu GPS GEKO sang máy tính dẫn đường 89C51RD2 mà xác định được vị trí, hướng bay, độ cao bay và tốc độ của máy bay vào thời điểm hiện tại, phần mềm dẫn đường có nhiệm vụ tính toán căn cứ vào kế hoạch bay đã được nạp vào từ trước để đưa ra các chỉ lệnh điều khiển cần thiết để điều khiển máy bay thông qua máy tính lái 89C52 để điều khiển máy bay bay theo đường bay theo đúng kế họach bay trong không gian 3 chiều (bay qua các điểm trong kế hoạch)

Các lệnh này được máy tính lái điều khiển máy bay hay không còn phụ thuộc vào lệnh điều khiển từ mặt đất Trong chế độ bay theo chương trình, máy tính lái tạo ra các lệnh theo thời gian thực với độ phản ứng nhanh chính xác đến µs cho từng lệnh điều khiển nên nó cần được tổ chức điều khiển ngắt (interrupt) hợp lý Lệnh điều khiển được đưa ra dưới dạng điều chế độ rộng của xung cho tất cả các kênh điều khiển Có các kênh điều khiển sau đây: kênh độ nghiêng (aileron), kênh độ cao (elevator), kênh hướng (rudder), kênh ga (throttle) Trong các chế độ khác việc điều khiển máy bay do các bộ phận khác thực hiện

Máy bay không người lái có các chế độ bay: bay theo chưong trình, bay tự động

và bay bằng tay Chế độ bay điều khiển bởi thiết bị điều khiển xa Khi mất điều khiển

từ thiết bị điều khiển xa này, máy bay không người lái được chuyển tự động sang chế

độ bay theo chương trình và bay tự động

3.1.1 Bay theo chương trình

Khi máy thu của hệ thống điều khiển bằng tay FUTABA nhận được lệnh “bay theo chương trình” thì CPU lái bỏ qua lệnh điều khiển bằng tay đưa từ FUTABA sang

để thực hiện lệnh từ máy tính lái và báo xuống bằng đường truyền số về chế độ bay theo chương trình Chương trình bay bắt buộc máy bay phải bay qua các điểm theo thứ

tự 1,2,3 cho đến điểm cuối Khi bay qua điểm i, chương trình tự động chuyển sang

GPS GEKO

Máy tính dẫn đường 89C51RD2

Máy tính lái 89C52

Servos Nguồn

acquy4.8v

FUTABA R-149

Nguồn acquy 4.8v

Autopilot BTA-AS06

Servos Máy phát

Maxstream

điểm i+1 cho đến khi i=N (N là số điểm có trong kế hoạch bay) thì chương trình sẽ điều khiển máy bay bay về điểm 1 và sau đó lại bắt đầu bay theo chương trình từ đầu

Để chương trình bay được mềm dẻo, độ cao bay của máy bay không người lái không cần nhập vào ngay từ đầu (trước khi bay) mà được chọn trực tiếp trong khi bay

Độ cao bay lúc bắt đầu được xem là độ cao cần bay của kế hoạch bay Muốn đổi độ cao bay chỉ cần chuyển từ bay theo chương trình về bay bằng tay, lấy độ cao cần thiết, chuyển lại sang bay theo chương trình

Số các điểm bay theo chương trình hiện đang là 65535 và hoàn toàn thỏa mãn các nhiệm vụ bay thực tế

3.1.2 Bay bằng tay

Khi cất cánh, hạ cánh và những khi cần thiết khác, qua hệ thống máy phát điều khiển và máy thu FUTABA lắp đặt trên UAV truyền lệnh cho máy tính lái để chuyển chế độ sang chế độ điều khiển máy bay bằng tay Khi đó máy tính lái bỏ qua lệnh của máy tính dẫn đường để thực hiện các lệnh bằng tay của người điều khiển

Điều khiển bằng tay không chỉ cần lúc cất, hạ cánh mà có thể dùng ngay trong khi máy bay ở xa Trạng thái và vị trí của máy bay có thể quan sát trên màn hình của thiết bị theo dõi

3.1.3 Bay tự động

Để hỗ trợ người điều khiển máy bay và hỗ trợ điều khiển bay theo chương trình, trên UAV có thiết bị Autopilot Nhiệm vụ của autopilot gồm:

- Chỉ thị trạng thái của máy bay trong không gian 3 chiều (các Gyroscope);

- Tự động đưa máy bay về trạng thái bay bằng hoặc góc nghiêng, góc chúc ngóc nhất định theo điều khiển bằng tay hoặc theo điều khiển từ CPU trong chế độ bay theo chương trình

Thiết bị tự động lái để thực hiện nhiệm vụ trên có thể dùng PA1, làm việc theo nguyên tắc so sánh cường độ ánh sáng giữa cảm biến độ sáng của 2 bộ cảm biến trước

và sau để bảo đảm bay bằng và 2 kênh trái và phải để điều khiển độ nghiêng

Thiết bị tự động lái để thực hiện nhiệm vụ trên có thể dùng COPILOT, làm việc theo nguyên tắc so sánh cường độ hồng ngoại giữa cảm biến độ sáng của 2 bộ cảm biến trước và sau để bảo đảm bay bằng và 2 kênh trái và phải để điều khiển độ nghiêng Thiết bị con quay 2 trục kết hợp với bộ cảm biến áp suất để xác định gián tiếp góc nghiêng và góc chúc ngóc của máy bay, điển hình là thiết bị BTA-AS-06

3.2 Các khối chức năng của hệ thống

3.2.1 Truyền dữ liệu

Bất kể máy bay bay theo chương trình, tự động hay bay bằng tay thì các thông tin về vị trí gồm kinh độ, vĩ độ và thông tin về độ cao, tốc độ máy bay, thông tin về tình trạng hoạt động của hệ thống định vị vệ tinh, thông tin về sự hoạt động của hệ thống điều khiển máy bay đều đựoc đưa qua MODEM để phát về mặt đất (máy phát & MODEM) Tốc độ truyền dữ liệu là 9600 Baud

Các thông tin nhận được sẽ được giải mã và thể hiện trên bản đồ số tại nơi theo dõi để có cá quyết định bổ sung cho phù hợp với nhiệm vụ của chuyến bay tự động

Công suất phát của máy phát có thể lựa chọn được theo từng nấc 10 lần từ 10

mW-1000 mW Với độ cao bay lớn hơn mW-1000 m, cự ly liên lạc có thể đạt được 30 - 40 Km

3.2.2 Servo

Là thiết bị chấp hành của hệ thống tự động điều khiển UAV để điều khiển các bánh lái aileron, elevator, rudder, throtl và những cơ quan cần thiết khác

Servo là các motor được điều khiển bằng tín hiệu xung điều chế theo độ rộng,

Vị trí trung gian tương ứng 1,5ms Góc quay ±600 , công suất của các servo được chọn phù hợp với loại máy bay và tốc độ bay

3.2.3 Máy tính lái

Máy tính lái cần làm việc theo thời gian thực trong phạm vi 1 lệnh điều khiển

Độ trễ trong thời gian thực được hạn chế tùy theo bài toán điều khiển nằm trong giới hạn ±∆, trong đó ∆ ≤2µs

Máy tính lái cần bị cấm ngắt (interrupt) trong chế độ lái để đạt được độ chính xác của các lệnh theo thời gian thực Máy tính lái gây nhiễu khoảng 3 db trên dải làm việc của FUTABA Bằng việc chọn tần số clock của máy tính này thích hợp (vừa đảm bảo tốc độ lại tránh được nhiễu) nhiễu trong dải FUTABA có thể giảm xuống còn 1-2db

Bộ vi điều khiển được chọn là Microcontrole 89C52 Microcontrole này có khả năng làm việc trong dải điện áp rộng và rất tin cậy Microcontrole 89C52 được chọn

cơ bản dựa trên kinh nghiệm khai thác các IC của hãng ATMEL nhiều năm trước đây

3.3 Phương pháp điều khiển

3.3.1 Đối tượng điều khiển:

Nghiên cứu đối tượng điều khiển nhằm mục đích thiết lập được một hệ phương trình mô tả sự phụ thuộc của các đại lượng vật lý đặc trưng cho chuyển động của máy bay trong không gian ba chiều với các cơ quan điều khiển máy bay như tay ga, bánh lái hướng, bánh liệng, bánh lái độ cao, cánh tà cũng như các tác động khác của môi trường như gió, các luồng khí thăng giáng, sự thay đổi của mật độ không khí, nhiệt độ,

áp suất theo độ cao Trên cơ sở đó cho phép xác định các phương tiện tối thiểu và thuật toán phù hợp cho việc điều khiển máy bay, xác định những yêu cầu cơ bản của các đường truyền vô tuyến cho quá trình điều khiển

3.3.2 Điều khiển chuyển động dọc của máy bay

Để thoả mãn các yêu cầu đối với bài toán điều khiển, máy bay thường được xem xét như một vật rắn tuyệt đối, trạng thái của nó được mô tả bằng 6 phương trình động học Ơle Nghiên cứu chuyển động của máy bay thông qua 6 phương trình này là một việc phức tạp ngay cả đối với máy tính điện tử Tuy nhiên trong các bài toán thực

tế khi nghiên cứu chuyển động của máy bay có thể tách biệt chuyển động thành 2 chuyển động thành phần: chuyển động dọc và chuyển động sườn (БОКОВОЕ ДВИЖЕНИЕ) của máy bay

Để nghiên cứu chuyển động dọc của máy bay ta sử dụng một hệ trục toạ độ Đềcác oxyz gắn liền với véc tơ tốc độ của máy bay Tâm toạ độ đặt ở trọng tâm của máy bay OX hướng theo véc tơ tốc độ, OY vuông góc với quỹ đạo còn OZ được chọn

có chiều thuận (quay OX ngược chiều kim đồng hồ tới OY hướng tiến là chiều của OZ) Với các lựa chọn trên, chuyển động dọc của máy bay được xem là chuyển động trong mặt phẳng đối xứng của máy bay, nghĩa là chuyển động theo trục OX, OY và quay quanh trục OZ

Chuyển động của máy bay tuân theo các định luật cơ học cơ bản (xem máy bay

là vật rắn tuyệt đối)

F dt

dV

M dt

Σ : Lực tương đương của các lực tác dụng vào máy bay

Khi phân tích các hình chiếu trên 2 trục 0X, 0Y ta được:

Y: Lực nâng khí động theo hướng trục Y,

G: mg trọng lượng máy bay,

∑MZ: Véc tơ moment tổng cộng đối với trục OZ,

ωZ: Tốc độ góc của máy bay quay quanh trục OZ,

α: Góc tấn của máy bay ( góc giữa vectơ độ và trục dọc máy bay),

θ: Góc nghiêng quỹ đạo( góc giữa véc tơ tốc độ và đường chân trời),

và :

α θ

: Gia tốc của máy bay

Lực cản X và lực nâng Y có phụ thuộc vào các tham số khí động học qua các

phương trình sau:

2

2

V S C

Y y ρ

Cy là hệ số lực nâng khí động của máy bay

Cx, Cy phụ thuộc vào bản thân máy bay (Profil) như một yếu tố gắn với máy

bay và biến thiên phụ thuộc chủ yếu vào góc tấn α và số M

o

H o o

H o o

o o

o

v o o

v o

F X

P G

X P

V X

P dt

v d

m

+

∆ Ρ

+

∆Η

− +

∆

−

−

∆ +

θ

α α

α

δ

α cos )

cos (

cos

) sin

( )

cos (

b y o

o o

H o

H o

H o o

o o

o o

v o

v o

o o

F H

Y G

Y V Y

dt

d m dt

d

mv

+

∆ Ρ

+

∆ Ρ

+ Ρ + +

∆ +

+

∆ Ρ

+ +

∆ Ρ

+ +

θ

α α α

θ θ

δ

α sin )

sin (

sin

) cos (

) sin (

) (

b b

o

z

z b z

H z z

z

v z

dt

d M M

V M dt

d

J ∆ ϑ = ∆ + α∆ α + ω ∆ ϑ + ∆ + δ + ∆ δ +

0 0

0 0

) ( )

(

2 2

θ θ

=

∆

cos sin

)

(

o o

o v V dt

H

d

α θ

ϑ = ∆ + ∆

∆ (3.12)

Trong 3.12, ký hiệu bên trên của các tham số chỉ ra đạo hàm riêng theo tham số tương ứng, còn chỉ số “o” ở dưới chỉ ra giá trị của tham số ở trạng thái ổn lập ban đầu

Bỏ qua các yếu tố ít ảnh hưởng đến chuyển động của máy bay và với các ký hiệu:

o

v o

1

o

H o

H o

∆+

∆+

x x

x

v

x v a a a a

∆+

∆+

v

y v a a a a

.

)(

.

b m

m

v m

x x x

Ρ + + α θ θ δ δ

y y

y

v

) ( )

( 2

B m m

)(

P

P V V

∆

∆

=

)(

)(

)(

)(

độ cao và tay ga

) (

) ( )

(

P

P V P

δ

) ( )

(

P

P V P

v

Ρ

= δ

δ

Tìm WvδB, dưới dạng tổng quát từ phương trình 3.14 rất khó Tuy nhiên xét

về quá trình quán tính của máy bay sau khi có tác động bên ngoài có thể đơn giản chúng và tìm lời giải dưới dạng giải tích, ví dụ:

2 2

22 )

(

) ( )

(

α α

α

α α δ

α

ω ω

ξ

ω δ

α

+ +

=

−

=

P p

K P

P P

y m m

m B

a a a

a K

z z z

B z

−

=

α ω α

α

z m z

m −

=

2

α ω

2

2 (

) (

) ( )

(

α α

α θ

α α δ

ω δ

θ

+ +

=

−

=

P P

P T

K P

P P

W

B B

B

(3.18)

) 2

(

) 1 (

) (

) ( )

2 α α

α

α ϑ

ϑ δ

ω δ

ϑ

+ +

P

P T K P

P P

(

) 1 (

) (

) ( )

2

α α

α

α ϑ

ϑ δ

ω δ

ϑ

+ +

P

P T K P

P P

Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển bánh lái độ cao

Khi có gió, phân tích tốc độ gió U thành các véc tơ thành phần tương ứng u x

và uy, bằng phương pháp tương tự như trên có thể nhận được hàm truyền dưới dạng:

2 2

2

2 )

(

) ( )

(

α α

α

ω α

α

ω ω

ξ

α

+ +

=

=

P P

a P P

v u

P P

W

z z

) ( ) (

α α

−

=

=

P P

a P

v u

P P

) ( )

(

α α α

ω α

ϑ

ω ω ξ

ϑ

+ +

=

=

P

a P P

v u

P P

W

z z

3.3.3 Điều khiển sự chuyển động bên của máy bay

Chuyển động bên của máy bay là chuyển động trong không gian 3 chiều, bao gồm chuyển động của trọng tâm máy bay dọc theo trục ngang của máy bay, chuyển động xoay quanh trục dọc và chuyển động xoay quanh trục đứng của máy bay Giống như chuyển động dọc, khi xem xét chuyển động bên của máy bay cần có những điều kiện đơn giản cho phép tiến hành phân tích giải thích các phương trình trong khi vẫn giữ được tính tổng quát:

α αω ω ξ

ω +

- Chế độ ổn định được xem là chế độ bay có độ nghiêng và độ trượt bằng 0

- Máy bay chuyển động dọc ổn lập

- Trọng lượng và moment quán tính của máy bay không đổi

Có thể dẫn ra kết quả thiết lập hệ phương trình cho chuyển động bên như sau:

P P Y q x q dt

0 sin

Và có thể xác định hàm truyền cho chuyển động bên như sau :

1 )

(

) ( )

K P

P P

Hình 3.4: Hàm truyền theo kênh bên

3.4 Một số yêu cầu đối với máy bay

Để điều khiển tối ưu máy bay nói chung và UAV nói riêng cần phải xác định đủ các hệ số trong các phương trình trạng thái và xác định được các hàm truyền trong các phương trình điều khiển Nhiệm vụ này là rất khó khăn đối với các cơ sở nghiên cứu hiện tại về kỹ thuật hàng không

Để tránh phải xác định hết các hệ số trong phương trình điều khiển, có thể dùng phương pháp điều khiển mờ (Fuzzy) đối với một số hạn chế nhất định để máy bay không bị rơi vào trạng thái mất ổn định như thất tốc, chuyển động xoắn

Để giải quyết được những vấn đề này, trước khi lựa chọn máy bay cần phải tính toán các tham số cho phù hợp Việc lựa chọn các tham số tối ưu cho máy bay được tham khảo thông qua các phần mềm mô phỏng trình bày trong chương 4

3.4.1 Lựa chọn kiểu máy bay

Kiểu máy bay loại nhỏ dùng cho UAV khá nhiều Nhưng có 3 loại khác biệt lớn nhất:

• Loại 3 bánh trước-3 bánh sau:

Loại 3 bánh sau: đây là loại máy bay có nguyên mẫu là máy bay AN-2 rất nổi tiếng Loại 3 bánh sau dễ lắp đặt 1 số thiết bị nhưng điều khiển cất-hạ cánh thường khó hơn loại 3 bánh trước(2 bánh ở hai bên cánh còn bánh thứ 3 đặt trước hoặc sau 2 bánh trên)

Với loại 3 bánh trước: có thể lắp cơ cấu điều khiển hướng cho bánh trước để dễ điều khiển hướng bay khi tốc độ của máy bay còn nhỏ trên đường chạy đà hoặc trong khi hạ cánh máy bay đã tiếp đất

• Loại cánh trên-dưới:

Vị trí cánh máy bay đặt ở trên hoặc dưới thân máy bay Khi đặt ở trên thân máy bay như AN-24, AN-30… Việc lắp cánh tương đối dễ nhưng việc lắp thiết bị sẽ rất khó Khoang thiết bị với các máy bay loại nhỏ không thể để quá xa cánh do không đảm bảo được trọng tâm nên buộc phải đặt trong vùng cánh Vị trí lắp đặt ở dưới cho phép tiếp cận được khoang thiết bị mà không cần tháo lắp cánh

• Loại cánh chữ V:

Loại cánh chữ V với các góc khác nhau đã được áp dụng cho máy bay cỡ lớn và cũng đã được sử dụng cho UAV Sử dụng cánh chữ V cho phép bay ổn định hơn cánh thẳng Góc nghiêng của chữ V thường được chọn từ 160-1800

Tất cả các loại máy bay trên đều có thể được mô phỏng trên các phần mềm như AeroSim, FlightGear, RealFlight… Thông qua các kết quả mô phỏng về máy bay sẽ đưa ra các tham số tối ưu cho cả phần điều khiển và phần truyền số liệu UAV, giúp người thiết kế lựa chọn và thiết kế ra dạng UAV phù hợp, đáp ứng yêu cầu của bài toán

3.4.2 Tính ổn định của máy bay

Tính ổn định của máy bay được hiểu là khả năng quay về trạng thái ban đầu của máy bay khi máy bay chịu các tác động bên ngoài Máy bay được xem là ổn định theo trục dọc khi và chỉ khi tâm khí động của máy bay nằm sau trọng tâm của máy bay Khoảng cách giữa 2 tâm này phải được chọn hợp lý trên cơ sở thực nghiệm để đảm bảo được tính ổn định trong khi tính điều khiển của máy bay nằm trong giới hạn cho phép UAV thường chọn 0.1- 0.25 L, L là độ dài của cung cánh máy bay

Khi máy bay được chế tạo, do các yếu tố không đồng nhất trong kết cấu, kích thước… có thể dẫn đến máy bay bay không ổn định, đang bay bằng các tấm điều khiển đang ở vị trí trung lập nhưng máy bay vẫn thay đổi nhanh theo độ cao và (hoặc) hướng Cũng như các máy bay lớn, máy bay cũng cần thiết phải có cơ chế tinh chỉnh (trime) bằng các biện pháp khác nhau, kể cả biện pháp chỉnh trong khi bay

3.4.3 Lựa chọn diện tích các tấm điều khiển

Các tấm điều khiển dùng để điều khiển trạng thái máy bay trong không gian 3 chiều Diện tích các tấm điều khiển quá nhỏ sẽ khó thực hiện được việc điều khiển máy bay trong khi diện tích quá lớn sẽ dẫn đến mất cân bằng tuyệt đối giữa các phần của máy bay đối với trục dọc cũng như trục ngang của máy bay Khi sử dụng UAV cỡ nhỏ, có thể lựa chọn mô hình động học và cả các tấm điều khiển dựa trên mô hình máy bay lớn với việc thu kích thước theo tỷ lệ và một số sửa đổi cần thiết để dễ chế tạo mà vẫn giữ được tính khí động của máy bay

3.5 Các bộ cảm biến (Sensor) cần thiết cho điều khiển máy bay

3.5.1 Cảm biến trạng thái của máy bay

Điều khiển là quá trình tác động vào máy bay, đưa nó về trạng thái mong muốn

và đi theo một quỹ đạo định trước, xuất phát từ phương trình trạng thái của máy bay,

để điều khiển máy bay cần phải có các phương tiện xác định trạng thái ban đầu (hiện tại) của nó, bao gồm:

- Cảm biến góc: có 4 góc cơ bản γ, α, θ, ϑ Thông thường đo α bằng cảm biến góc tấn, các góc γ, ϑ được đo bằng phương pháp tích phân tốc độ góc của con quay 3 bậc tự do, từ đó có thể suy ra góc θ Khi thực hiện chuyến bay bằng có thể chỉ cần thông tin của các góc γ, α là có thể điều khiển được máy bay

- Cảm biến tốc độ không khí: đo vận tốc không khí

- Cảm biến tốc độ: xác định tốc độ của máy bay

- Truyền cảm tốc độ lên

dt

dH xác định tốc độ theo độ cao là một trong các bộ cảm biến đảm bảo cho an toàn bay

- Cảm biến hướng: xác định góc lệch giữa trục dọc máy bay và hướng bắc

3.5.2 Thiết bị xác định vị trí của máy bay

Thiết bị dẫn đường gồm: làm việc theo nguyên tắc hỏi- trả lời để xác định cự ly nghiêng và góc hướng tới các địa tiêu biết trước Phạm vi làm việc lên đến 400-500

km và phụ thuộc vào độ cao

Thiết bị dẫn đường xa, còn gọi là dẫn đường vô tuyến toàn cầu Nhờ sử dụng các sóng vô tuyến thích hợp, cự ly làm việc thực tế không hạn chế

Dẫn đường thiên văn: nhờ việc xác định các góc tới các ngôi sao có các vị trí cố định trên bầu trời, người ta có thể xác định được vị trí của máy bay

Dẫn đường vệ tinh: nhờ hệ thống 24 vệ tinh địa tĩnh và hệ thống phục vụ mặt đất, bằng nguyên tắc xác định điểm cắt khi có được từ 4 vệ tinh trở lên, có thể xác định được vị trí của máy bay trong không gian 3 chiều: kinh độ, vĩ độ và độ cao tuyệt đối, cũng như các tham số dẫn xuất có thể là tốc độ, hướng bay

3.5.3 Các thiết bị thực tế trên mục tiêu bay

Do khả năng mang tải, khoảng không gian trên máy bay để lắp thiết bị điều khiển của mục tiêu bay rất hạn chế, cũng do cần phải giảm giá thành sản xuất, mục tiêu bay thường chỉ được trang bị các phương tiện tối thiểu đủ để điều khiển một cách

an toàn máy bay theo mục đích định trước

Để xác định trạng thái máy bay, cần phải có rất nhiều các tham số khác nhau như trong phần hàm truyền đạt của máy bay đã xác định, phương án tối thiểu cho phép điều khiển một cách an toàn máy bay chỉ gồm:

a/ Con quay 3 trục tự do, xác định được góc và tốc độ góc của 2 kênh vuông góc với nhau (kênh độ nghiêng và kênh độ chúc ngóc) Tốc độ góc là đại lượng dẫn xuất b/ Đồng hồ tốc độ không khí Trong tất cả các phương trình đều tồn tại Cx, Cy gắn liền với

- Cảm biến độ cao khí áp gồm: độ cao tuyệt đối, độ cao thật và độ cao tương đối

- với việc sử dụng máy tính thì biết được độ cao tuyệt đối thông qua đồng hồ hộp màng cho phép xác định được độ cao khác nếu có khả năng đánh giá đúng vị trí hiện tại của máy bay và các thông tin địa lý cần thiết

- La bàn từ: để xác định góc lệch, kiểm soát hướng bay

- Định vị vệ tinh toàn cầu

Nếu điều kiện cho phép có thể lắp thêm cảm biến tốc độ lên xuống Các loại cảm biến khác cần cho việc điều khiển máy bay :

- Tốc độ vòng quay của động cơ;

- Nhiệt độ động cơ ;

- Lượng nhiên liệu còn lại;

- Lượng điện dự trữ còn lại

3.5.4 Hệ thống chống lắc của máy bay

Tính phức tạp của hệ thống thể hiện trong các phương trình động học phụ thuộc vào các tham số của môi trường như nhiệt độ, mật độ không khí, độ cao, vị trí tay ga làm cho việc điều khiển máy bay rất khó khăn Trên các máy bay hiện đại thường tồn tại các kênh chống lắc dọc và chống lắc ngang cho máy bay

Đối với các mô hình máy bay (máy bay mô hìmh thể thao) loại nhỏ, khi

Cấu trúc của bộ chống lắc có kết cấu theo nguyên lý điều khiển tự động

Khi cần tăng khả năng điều khiển có thể tạm thời ngắt mạch chống lắc bằng việc sử dụng khả năng ngắt mạch chống lắc của BTA hoặc Gyro-150

Mô hình của các bộ Servo dùng trong các máy bay con (moment đến) 15÷20 Kg.Cm có thể được mô tả như hình 3.6

Hình 3.6: Mô hình Servo

Tín hiệu điều khiển được so sánh với tín hiệu phản hồi Khi sai số ≠0 dẫn đến

mô tơ được điều khiển quay với tốc độ tối đa 60/0,2 (độ/s ) Mô hình toán học của mô

tơ có thể mô tả như một cấp tích phân Hệ số của cấp này (

Hệ thống tự động lái có nhiệm vụ:

- Tự động đưa máy bay về trạng thái nhất định Trạng thái của máy bay xác định bằng các tham số cơ bản: tốc độ, hướng bay, góc nghiêng, góc tấn (góc chúc ngóc), độ cao bay;

- Đưa máy bay từ điểm đang bay đến một điểm cho trước và ổn định các tham

số của máy bay theo các giá trị định trước;

- Chống việc đưa máy bay vào tình huống tai nạn (mất độ cao) bay không kiểm soát được

2 2

2

2

) 1 (

α α

α

α θ

ϑ

ω ω

ξ

ω

+ +

+

•

P P

P T

KB

z B

điều khiển

3.6.1 Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống tự động lái

Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống tự động lái như biểu diễn trong hình 3.7 Chương trình dẫn đường xác định đường đi của máy bay và các tham số bay khác như tốc độ, độ cao, hướng bay từ thông tin về chương trình bay, vị trí hiện tại của máy bay lấy từ định vị vệ tinh (nhịp lấy thông tin từ định vị vệ tinh khá thấp, tuy nhiên với tốc độ máy bay khoảng 180Km/h, sau 1s máy bay bay được quãng đường 50m, với khả năng nội suy tuyến tính (do biết tốc độ, hướng bay) thông tin này đủ để điều khiển máy bay)

Chương trình dẫn đường đưa ra các sai số cần khắc phục dưới dạng các tín hiệu ứng với ∆Η (chênh độ cao), ∆∋ (chênh góc liệng), ∆ψ (chênh góc hướng), ∆V (chênh tốc độ) và tín hiệu hạ cánh (có hoặc không có hạ cánh) Ngoài ra còn có các tham số δH ,

δx ,δy ,δv là các đại lượng lệch so với tham số bay và các tín hiệu điều khiển tương ứng:

Máy bay

Tính toán và điều khiển

Servo Liệng

Tính toán và điều khiển Servo Hướng

Tính toán và điều khiển

Tính toán và điều khiển

Dẫn đường máy

bay

Định vị vệ tinh Dẫn đường máy bay

Các hàm f1 ÷ f8 được lựa chọn tuỳ theo phương pháp điều khiển máy bay Các kênh được điều khiển theo chu trình tự động điều khiển kín bao gồm các khâu cơ bản của mạch tự động điều khiển Trong kênh chúc ngóc, ta có thể thấy:

Máy bay là đối tượng điều khiển có hàm truyền :

2 0

làm cho máy bay xoay theo trục Z với tốc độ góc ϑ , • ϑ được đo thực chất bằng thiết •

bị chống lắc (BTA hoặc Gyro) Trong thiết bị của máy bay KNL, ϑ được đo bằng thiết

bị con quay xxx đưa lại so sánh với ϑ3 để đạt được ϑ = ϑ3 thì hệ thống ngừng quay tiếp bánh lái độ cao Mạch tự động điều khiển theo độ cao được mô tả như sau:

Hình 3.9: Mạch tự động điều khiển của quá trình giữ độ cao

So sánh độ cao hiện tại Ht với H3 được tính bằng chương trình dẫn đường cho quãng đường hiện tại, hàm f1 và f5 cho ta giá trị của góc ∆δΗ dưới dạng điện áp U ∆δH

Trong trường hợp này U ∆δH đóng vai trò của ϑ3 trong mạch tự động điều khiển

ϑ3

P K

(

) 1 (

2 2

2

α α α

α ϑ

ϑ

ωωξ

ω+ +

+

∗

P P

P

P T

HT

ϑ

3.6.2 Phần mềm máy tính dẫn đường

Máy tính dẫn đường là máy tính trung tâm của toàn bộ thiết bị tự động điều khiển của máy bay Phần mềm được đóng gói trong 64Kb ROM của CPU 89C51RD2 Phần mềm của CPU này thực hiện các chức năng:

- Nhớ chương trình bay: Chương trình bay được nạp vào bộ nhớ chương trình Chương trình chứa số điểm địa tiêu không dưới 255 điểm Địa tiêu được nhớ theo kinh

độ và vĩ độ Đoạn đường được đảm bảo theo độ cao từ điểm n đến n +1 Khi bay qua điểm cuối của chương trình, máy bay lại bay về điểm đầu để bắt đầu lại từ đầu

- Nhận liên tục thông tin từ máy thu định vị vệ tinh với format sẽ được mô tả dưới đây

- Tính toán sai lệch đường bay về vị trí, hướng, độ cao

- Đưa ra các lệnh điều khiển sang CPU lái

- Đưa thông tin cần thiết sang máy phát truyền số liệu

Lưu đồ logic của CPU này như sau:

Hình 3.10 Lưu đồ logic máy tính dẫn đường

CPU dẫn đường làm việc với GPS, CPU lái và máy phát truyền số liệu về mặt đất theo chế độ ngắt (Interrupt) để đảm bảo quá trình làm việc theo thời gian thực Tốc

độ truyền tin từ GPS sang máy tính dẫn đường 4800 Baud, từ máy tính dẫn đường sang máy phát 9600 baud Máy tính lái và máy tính dẫn đường có tốc độ truyền tin khoảng 800 KBaud

3.6.3 Phần mềm theo dõi bay

Phần mềm theo dõi bay thực hiện các chức năng sau đây:

- Quan sát vị trí hiện tại của máy bay trên nền bản đồ điện tử;

- Theo dõi quá trình thực hiện bay theo chương trình

Bắt đầu

Vị trí hiện tại

Sai lệch so với chương trình

Lệnh điều khiển máy bay

GPS

CPU

lái

Máy phát truyền

dữ liệu

Tự Tay

động-Trong quá trình bay thử nghiệm, phần mềm theo dõi bay còn cho phép đánh giá các thuật toán điều khiển được lựa chọn, tính ổn định của phần mềm để có thể chọn phương án phù hợp

CHƯƠNG 4: CÁC VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ĐẾN BÀI TOÁN THIẾT KẾ, ĐO ĐẠC VÀ TRUYỀN SỐ LIỆU TRẠNG THÁI UAV

Chương này sẽ giới thiệu các vấn đề cơ bản gồm:

- Mô hình hóa UAV;

- Mô phỏng UAV;

- Thiết kế UAV;

- Đo đạc tham số trạng thái UAV;

- Hệ thống truyền số liệu

Đây chính là các nội dung chính phục vụ cho bài toán thiết kế UAV và đo đạc, truyền

số liệu các tham số của UAV cho các mục đích khác nhau

4.1 Mô hình hóa UAV

4.1.1 Các hệ toạ độ

UAV là một loại khí cụ bay Khi mô hình hoá một khí cụ bay, các hệ toạ độ khác nhau được sử dụng để biểu diễn trạng thái của khí cụ bay Các hệ toạ độ thông dụng bao gồm:

- Hệ tọa độ cố định thân (body frame);

- Hệ tọa độ Đông-Bắc bề mặt trái đất (Earth Surface NED frame);

- Hệ tọa độ đo toàn cầu WGS-84 (World Geodetic System 1984)

a Hệ toạ độ cố định thân

Hệ trục toạ độ cố định thân là hệ trục cố định đối với thân của vật thể bay, trong

đó chiều x là chiều dọc theo thân của đối tượng bay hướng về phía mũi, chiều y là chiều hướng về phía bên phải của đối tượng và z là chiều nhìn xuống phía dưới vuông góc với mặt phẳng (x,y) Gốc của hệ toạ độ cố định thân được đặt tại trọng tâm của đối tượng bay và cũng được coi như là gốc của hệ toạ độ cố định thân Tư thế của đối tượng bay trên hệ toạ độ cố định thân sẽ được tính toán dựa trên 3 trị số góc quay gọi

là góc Euler Các phép toán cosine với tham số đầu vào là hướng của đối tượng sẽ lấy được các góc Euler (hay chính là góc hướng) của đối tượng, nói cách khác là tư thế của hệ trục toạ độ cố định thân đối với các hệ trục toạ độ khác Thông thường vận tốc bay của đối tượng bay trong hệ trục cố định thân được biểu diễn như một vector 3 chiều [u,v,w] (Hình 4.1)