Phương pháp thiết kế hướng đối tượng trong điều khiển phương tiện bay không người lái

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nghiên cứu phát triển hệ thống lái tự động hãng hàng không giới triển khai ứng dụng từ lâu loại máy bay sử dụng lĩnh vực dân quân Tất loại máy bay hãng hàng không lớn, như: Airbus, Boeing Locked Martin trang bị hệ thống lái tự động đại độ tin cậy cao Tương tự vậy, hệ thống lái phát triển triển khai cho sản phẩm phương tiện bay không người lái (máy bay không người lái - UAV) nhằm phục vụ cho mục đích khác nhau, như: + Lĩnh vực quân sự: UAV sử dụng làm mục tiêu di động không, quan sát vùng lãnh thổ, biên giới thám + Lĩnh vực dân sự: - Giao thông: UAV tham gia vào trình giám sát phương tiên giao thông lưu hành đường đường thủy - Địa chính: UAV dùng để quan sát, xác định địa giới vùng thiết lập đồ - Các ngành khác: UAV tham gia vào việc quan sát địa hình khó phức tạp mà người khó có mặt trực tiếp, như: quan sát vùng cháy rừng, địa điểm có độc tố phóng xạ Trong năm gần đây, loại phương tiện bay không người lái siêu nhỏ (MUAV) phát triển nhanh chóng nước ta nhằm mang lại nhiều ứng dụng lĩnh vực dân quân sự, giám sát phân luồng giao thông đô thị, tuần tra biển đảo, cảnh báo cứu hộ lâm nghiệp Nó mở hướng nghiên cứu nhằm triển khai ứng dụng khác nhau; đặc biệt, nghiên cứu cho phép phát triển dạng rô bốt bay tự hành không người lái lớn nhằm ứng dụng cho nhiệm vụ lĩnh vực quân Trong đó, loại UAV dạng nhiều cánh quạt mang (ví dụ: QUAV) quan tâm phát triển mạnh có chế độ cất cánh, hạ cánh thẳng đứng, vận hành đơn giản an toàn Ngoài ra, lực đẩy tạo cánh quạt dễ dàng xác lập trạng thái ổn định lơ lửng không để phục vụ cho mục đích thu phát liệu quan sát mục tiêu vị trí xác định đặt trước Đã có số ứng dụng điều khiển cho UAV dạng nhiều cánh quạt mang phát triển nước ta, nhiên vấn đề điều khiển ổn định bám quỹ đạo bay cách tự hành loại phương tiện bay cần phải xem xét, mô hình động lực học phi tuyến phức tạp gắn chặt với chế độ hoạt động an toàn toàn hệ thống Ngoài ra, việc điều khiển UAV phát triển chủ yếu nước điều khiển từ xa tay thông qua sóng radio Việc chế tạo hệ thống điều khiển tự động cho phép UAV hoàn toàn tự hành bám theo quỹ đạo mong muốn chưa triển khai diện rộng nước ta; UAV loại lại nhiều tổ chức nước quan tâm, là: Bộ quốc phòng, Cảnh sát biển Biên phòng, Bộ Tài nguyên Môi trường Mục đích Trên giới nước có nhiều công trình nghiên cứu khoa học thực thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển cho MUAV tự hành nói chung Q-UAV nói riêng; MUAV hoạt động cách tự hành, cấu trúc điều khiển đòi hỏi có ba hệ thống chính: Hệ thống dẫn đường nhằm đưa quỹ đạo cho phương tiện chuyển động bám theo; hệ thống định vị để xác định trạng thái phương tiện; hệ thống điều khiển nhằm tính toán áp dụng theo mô hình động lực học tương ứng với chế độ hoạt động khác phương tiện Trong luận án này, hệ thống điều khiển MUAV mô tả mô hình liên tục, mô hình kiện rời rạc tác động qua lại chúng, là: chuyển động theo hướng RPY, cao độ vị trí mặt ngang khác nhau, kiện tín hiệu tương tác với hệ thống dẫn đường định vị, tác động nhiễu loạn đến từ môi trường xung quanh; hệ thống điều khiển có đặc điểm xem hệ thống động lực lai (HDS) Các mô hình liên tục/rời rạc tương tác chúng mô hình hóa thông qua cụ thể hóa Automate lai cần phải thực thi kèm theo giả thuyết xác nhận tính hợp lệ nhằm kiểm tra an toàn hiệu toàn hệ thống thời điểm hoạt động Bên cạnh đó, việc sử dụng chuẩn để phân tích, thiết kế thi hành hệ thống điều khiển công nghiệp cần phải xét đến; việc tùy biến tái sử dụng mô đun điều khiển MUAV phát triển áp dụng cho ứng dụng UAV quan trọng, nhằm giảm chi phí tài thời gian vòng đời phát triển sản phẩm công nghiệp Phạm vi nghiên cứu đề tài Để đáp ứng mục đích đây, phương pháp phát triển hướng mô hình hóa hướng đối tượng cho phép tạo thiết kế trực quan có khả đáp ứng yêu cầu thay đổi hệ thống điều khiển Tổ chức hướng đối tượng quốc tế (OMG) đưa cách tiếp cận kiến trúc hướng mô hình (MDA) kết hợp với ngôn ngữ mô hình hóa hợp thời gian thực (RealTime UML/MARTE) nhằm ứng dụng việc phát triển hệ thống thông tin nói chung hệ thống điều khiển công nghiệp nói riêng MDA cho phép tách đặc tả chức hệ thống độc lập với đặc tả thực thi chức công nghệ cụ thể Cách tiếp cận MDA có đặc điểm chính, như: tính linh hoạt, di động xuyên suốt ứng dụng phát triển với hệ thống tương tác khả dễ dàng tái sử dụng thành phần phát triển nhằm giảm thời gian, chi phí nhân lực cho dự án phát triển hệ thống công nghiệp Dựa theo cách tiếp cận có nhiều ứng dụng phát triển thành công hệ thống điều khiển công nghiệp, đặc biệt hệ thống điều khiển nhúng thời gian thực lĩnh vực điều khiển công nghiệp khác Bên cạnh đó, có công cụ phần mềm mã nguồn mở thương mại hỗ trợ cho việc phân tích, thiết kế thi hành hệ thống cách nhanh chóng có kế thừa dựa phương pháp luận đây, như: OpenModelica [59], MatLab-Simulink [47], IBM Rational Rose RealTime IBM Rational Rhapsody Hiện có nhiều doanh nghiệp hàng không lớn giới ứng dụng thành công công nghệ hướng đối tượng để phát triển hệ thống điều khiển phức tạp phương tiện bay, như: Boeing, Lockeed Martin Airbus Với tính ứng dụng yêu cầu kỹ thuật trên, khẳng định việc nghiên cứu phát triển phương pháp linh hoạt điều khiển MUAV quan trọng; góp phần lớn cho mục đích dân mà xa góp phần vào mục đích quân Đặc biệt, địa hình nước ta có bờ biển dài nhiểu rừng núi việc ứng dụng sản phẩm cho mục đích dân quân lại cấp thiết Xuất phát từ phân tích đánh giá đây, luận án đề xuất nghiên cứu đề tài: “Phương pháp thiết kế hướng đối tượng điều khiển phương tiện bay không người lái” Trong phạm vi luận án, đối tượng phương tiện bay không người lái thiết bị bay có bốn chong chóng mang (Q-UAV) sử dụng nhằm minh họa dễ dàng cách tiếp cận hướng đối tượng phát triển hệ thống điều khiển UAV Ngoài ra, qui tắc tùy biến tái sử dụng thiết kế chi tiết hệ thống điều khiển phát triển đưa nhằm dễ dàng ứng dụng cho loại UAV khác Các điểm luận án đạt - Đưa cấu trúc điều khiển cho Q-UAV dựa việc cụ thể hóa đặc trưng hệ thống động lực lai (HDS) có ứng xử điều khiển mô tả Automate lai (HA) - Đưa qui trình phân tích, thiết kế thực thi điều khiển hướng đối tượng thời gian thực cho MUAV thông qua cụ thể hóa RealTime UML với MDA, nhằm nâng cao hiệu thực thi hệ thống điều khiển triển khai MUAV: Q-UAV tự hành bám theo quỹ đạo mong muốn - Thiết kế chi tiết hệ thống điều khiển dễ dàng tùy biến tái sử dụng cho ứng dụng điều khiển loại Q-UAV MUAV chong chóng mang cất cánh/hạ cánh thẳng đứng (VTOL) khác Cấu trúc luận án Luận án trình bày theo nội dung sau: Chương trình bày tổng quan phương tiện bay không người lái kỹ thuật điều khiển; Chương giới thiệu mô hình hóa mô động lực học điều khiển cho Q-UAV Quy trình phân tích, thiết kế, mô thực thi hệ thống điều khiển cho Q-UAV công nghệ hướng đối tượng trình bày Chương 3; Chương trình bày kết thực nghiệm đánh giá Cuối kết luận chung kiến nghị hướng nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN 1.1 Sơ lược trình phát triển ứng dụng phương tiện bay không người lái 1.2 Các phương pháp truyền thống phát triển hệ thống điều khiển UAV - Giải thuật PID - Một giải thuật thay gọi điều khiển trượt (SMC) - Một cách tiếp cận khác ghép SMC phương thức điều khiển cấp ngược (BS) Bên cạnh giải thuật PID, SMC BS có nhiều phương thức khác như: tích phân cấp ngược (IB), toàn phương tuyến tính (LQ), tiêu chuẩn Lyapunov dự đoán mô hình (MPC) 1.3 Phương pháp lai công nghệ hướng đối tượng mô hình hóa hệ thống điều khiển 1.3.1 Hệ thống động lực lai Automate lai 1.3.1.1 Hệ thống động lực lai Hệ thống động lực lai (HDS) hệ thống thời gian thực, bao gồm phần liên tục, phần rời rạc, tương tác chúng 1.3.1.2 Automate lai Thông thường để mô hình hệ thống điều khiển, người ta sử dụng biểu đồ diễn tiến chức Các đặc trưng trong HA của hệ thống được biểu diễn bởi:   H = (Q, X, , A, Inv, F, qo, xo) 1.3.2 Sử dụng công nghệ hướng đối tượng 1.3.2.1 Lập trình hướng đối tượng Lập trình hướng đối tượng coi phương pháp lập trình chuẩn có nhiều ưu điểm lớn so với phương pháp cấu trúc 1.3.2.2 Ngôn ngữ mô hình hóa hợp thời gian thực Để phục vụ cho công việc mô hình hóa vốn cốt lõi phân tích, thiết kế phần mềm công nghiệp, ngôn ngữ mô hình hóa hợp (UML) OMG chuẩn hóa sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác Do đó, luận án lựa chọn RealTime UML ngôn ngữ trực quan để mô hình hóa pha phân tích thiết kế cho hệ thống điều khiển UAV kết hợp với HA 1.3.3 Kiến trúc hướng theo mô hình Kiến trúc hướng mô hình (MDA) cách tiếp cận mô hình hoá trực quan suốt trình tìm hiểu, phân tích, thiết kế, thực thi hệ thống phần mềm nói chung, đặc biệt điều khiển công nghiệp Hình 1.10 mô tả cách tổng quan phân loại mô hình MDA theo trật tự từ mức độ trừu tượng hóa đến cụ thể hoá Hình 1.11 Sự phân loại mô hình MDA Hình 1.12 Ví dụ phát triển hướng theo mô hình Mô hình độc lập với thao tác tính toán (CIM): Hình 1.13 sử dụng sơ đồ lớp UML nhằm đưa ví dụ cụ thể CIM Trong mô hình thông tin giải pháp dựa thao tác tính toán Mô hình độc lập với công nghệ (PIM): Hình 1.14 sử dụng sơ đồ lớp UML nhằm giới thiệu ví dụ PIM xuất phát từ ví dụ CIM mô tả Hình 1.13 Hình 1.13 Ví dụ CIM Hình 1.14 Ví dụ PIM dựa theo Hình 1.13 1.4 Lựa chọn ứng dụng Để minh họa cho phương pháp phân tích, thiết kế thực thi hướng đối tượng cho hệ thống điều khiển MUAV, luận án lựa chọn loại máy bay siêu nhỏ không người lái bốn cánh quạt (QUAV) Nguyên lý hoạt động Q-UAV mô tả sau Hình 1.16 Hình 1.17 thể mô hình thiết kế tổng quan hình học Q-UAV Hình 1.16 Mô tả phương hướng di chuyển Q-UAV Hình 1.17 Mô hình thiết kế tổng quan hình học Q-UAV Trong ứng dụng này, phần mềm Ansys-Fluent sử dụng để hỗ trợ việc thực quy trình tính toán Một ví dụ minh họa kết mô CFD phân bố áp suất vận tốc cánh quạt biểu diễn Hình 1.18 Hình 1.18 Ví dụ phân bố áp suất phân bố vận tốc cánh quạt Tất kết từ mô CFD cho phép suy mặt lý thuyết giá trị khí động lực học, như: lực nâng, lực cản mô men quay tương ứng với tốc độ khác cánh quạt cho động Tuy nhiên, việc nghiên cứu chuyên sâu CFD cho Q-UAV điểm luận án, mà phần tính toán sơ mặt khí động lực học nhằm phục vụ việc lựa chọn ban đầu cấu chấp hành cấu trúc hệ thống điều khiển cho QUAV Kết luận chương Trong chương này, luận án trình bày tổng quan UAV kỹ thuật điều khiển theo chương trình, bao gồm nội dung sau: - Cập nhật trình hình thành, phát triển ứng dụng UAV - Nghiên cứu phương pháp truyền thống điều khiển UAV Tuy nhiên, phương thức điều khiển truyền thống cần phải kết hợp với ngôn ngữ mô hình hóa mô nhằm đưa phân tích thiết kế có tính mô đun hóa để trực quan tham số điều khiển thời gian thực, tùy biến tái sử dụng thành phần phát triển cho ứng dụng UAV khác - Giới thiệu hệ thống động lực lai (HDS) đề xuất mô hình hóa ứng xử điều khiển Automate lai (HA) Tiếp theo, hệ thống điều khiển cho UVA đề xuất mang đặc tính HDS; bao gồm phần liên tục, phần rời rạc phần tương tác liên tục rời rạc - Cập nhật công nghệ hướng đối tượng để phát triển hệ thống điều khiển công nghiệp, như: mô tả ngôn ngữ mô hình hóa thời gian thực (RealTime UML) kiến trúc hướng theo mô hình (MDA), nhằm phân tích thiết kế cách có hệ thống cho UAV có ứng xử mô hình hóa HA Xuất phát từ phân tích đánh giá tổng quan UAV phương pháp mô hình hóa, mô phỏng, thực thi hệ thống điều khiển đây, mục tiêu giải pháp nghiên cứu cụ thể luận án đề xuất sau sau: - Để minh họa cho phương pháp thiết kế hướng đối tượng cho hệ thống điều khiển MUAV, luận án lựa chọn loại máy bay siêu nhỏ không người lái tự hành dạng bốn cánh quạt (Q-UAV) - Đưa cấu trúc cho Q-UAV thông qua cụ thể hóa Automate lai (HA) nhằm mô tả ứng xử thực thi hệ thống điều khiển - Đưa qui trình công nghệ hướng đối tượng thời gian thực với RealTime UML MDA để phân tích, thiết kế, mô thực thi hệ thống điều khiển cho UAV với hỗ trợ công cụ phần mềm IBM Rational Rose RealTime/IBM Rational Rhapsody, OpenModelica MatLab-Simulink - Thiết kế hệ thống điều khiển thực thông qua gói, cổng, giao thức kết nối tổng quát RealTime UML cụ thể hóa mô hình CIM, PIM PSM MDA, nhằm dễ dàng tùy biến tái sử dụng chúng cho ứng dụng điều khiển loại UAV khác CHƯƠNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA Q-UAV VỚI AUTOMATE LAI 2.1 Mô hình động lực học điều khiển Q-UAV 2.1.1 Mô hình động lực học tổng quát điều khiển UAV Mô hình động lực học bậc tự tổng quát điều khiển phương tiện bay trước hết mô tả phương trình (2.1) (2.1) 2.1.2 Mô hình động lực học điều khiển Q-UAV Hình 2.1 mô tả khái quát tham số chuyển động QUAV Hình 2.1 Các tham số chuyển động Q-UAV 2.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển Q-UAV 2.2.1 Kiến trúc điều khiển Q-UAV tự hành Để cho Q-UAV hoạt động cách tự hành, kiến trúc điều khiển phải có ba hệ thống chính: hệ thống dẫn đường, hệ thống định vị hệ thống điều khiển Hình 2.3 Hình 2.4 mô tả sơ đồ khối tổng quát thực thi cho phép thể tương tác hệ thống Hình 2.3 Sơ đồ khối điều khiển, định vị dẫn đường Q-UAV Hình 2.4 Sơ đồ khối chức thực thi hệ thống điều khiển cho QUAV 2.2.2 Sơ đồ khối chức thực thi hệ thống điều khiển cho Q-UAV Sơ đồ khối chức thực thi Hình 2.4, nhằm thực triển khai chế độ tự hành Q-UAV 2.2.3 Mô hình hệ thống điều khiển phi tuyến lai cho Q-UAV Luận án xem xét hệ thống điều khiển Q-UAV hệ thống động lực lai (HDS) ứng xử động mô hình hóa HA 2.3 Mô hình mô hệ thống điều khiển cho Q-UAV 2.3.1 Mô nhân Phương pháp mô dựa tiếp cận nhân mô hình hóa hệ thống 2.3.2 Mô phi nhân Phương pháp mô phi nhân dựa việc mô hình hóa hệ vật lý theo hệ thống xác định hành vi hệ thống điểm kết nối chúng 2.3.3 Sử dụng ngôn ngữ mô hệ thống MatLab-Simulink Modelica/OpenModelica lựa chọn dùng để mô đánh giá pha phân tích thiết kế cách nhanh chóng kịch cho ứng dụng điều khiển Q-UAV 2.3.4 Mô mô hình phân tích hệ thống Hình 2.6 Hình 2.7 mô tả mô hình HIL điều khiển Q-UAV phần mềm MatLab-Simulink; dựa nguyên tắc mô nhân nhằm kiểm nghiệm Hình 2.7 Giao diện theo dõi thông số điều khiển Q-UAV phần mềm Matlab-Simulink Dưới số kết mô cho kịch thử nghiệm cất cánh thẳng đứng nhằm kiểm nghiệm đánh giá độ tin Hình 2.6 Sơ đồ khối mô hình HIL cho Q-UAV 10 Hình 3.2 Tổng quan quy trình MDA thời gian thực cho hệ thống điều khiển Q-UAV 3.2 Qui trình MDA tổng quát phát triển hệ thống điều khiển cho Q-UAV 3.2.1 Lựa chọn MDA RealTime UML Luận án lựa chọn sau: MDA làm kiến trúc tảng RealTime UML ngôn ngữ trực quan để mô hình hóa pha phân tích thiết kế dựa theo ROPES mô tả việc phát triển hệ thống điều khiển Q-UAV có ứng xử mô tả HA 3.2.2 Qui trình MDA thực thi cho hệ thống điều khiển Q-UAV Quy trình mô tả Hình 3.2 3.3 Cụ thể hóa qui trình MDA thực thi thời gian thực cho hệ thống điều khiển Q-UAV 3.3.1 CIM hệ thống điều khiển Q-UAV 3.3.1.1 Mô hình UML yêu cầu chức Q-UAV Để nắm bắt yêu cầu hướng đối tượng chung, luận án trình bày mô hình bao gồm lớp trừu tượng thông qua việc sử dụng kiểu mở rộng mô hình hóa sơ đồ lớp UML, nhằm mô tả thành phần chức cho Q-UAV thể Hình 3.3 Lớp Hệ thống dẫn đường có trách nhiệm để tạo quỹ đạo mong muốn cho Q-UAV chuyển động theo Lớp Hệ thống định vị sử dụng để xác định trạng thái thời Q-UAV, như: cao độ, vị trí, RPY, vận tốc gia tốc Lớp Hệ thống điều khiển có trách nhiệm cung cấp tín hiệu điều khiển cho phép Q-UAV bám theo quỹ đạo mong muốn 3.3.1.2 Xây dựng CIM cho hệ thống điều khiển Q-UAV Các bước để xây dựng CIM cho hệ thống điều khiển Q-UAV bao gồm hoạt động tác tạo sau: Hình 3.1 Qui trình phát triển tái lặp ROPES 14 Luận án đưa mô hình trường hợp sử dụng cho hệ thống điều khiển Q-UAV Hình 3.4 Hình 3.3 Sơ đồ lớp UML thể chức Q-UAV Hình 3.5 3.6 thể kịch bám theo quỹ đạo mong muốn có kiện tác động phát máy trạng thái song song trường hợp sử dụng “Bám quỹ đạo” Mô hình sử dụng thuật toán dẫn đường LOS hướng dẫn luận án quan tâm đến việc kiểm soát bám theo quỹ đạo mong muốn Q-UAV Hình 3.4 Mô hình trường hợp sử dụng Q-UAV Hình 3.6 Máy trạng thái cục trường hợp sử dụng “Bám quỹ đạo” Hình 3.5 Kịch điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn Hình 3.7 áy trạng thái toàn cục Q-UAV 15 Hình 3.7 mô tả máy trạng thái toàn cục Q-UAV Trong luận án quan tâm chi tiết đến phần máy trạng thái cục trường hợp sử dụng hướng theo chế độ điều khiển “Bám quỹ đạo”, máy trạng thái cục khác kế thừa từ ứng dụng điều khiển phổ biến khác phát triển, như: cấu hình an toàn cho hệ thống điều khiển nói chung 3.3.2 PIM hệ thống điều khiển Q-UAV Để xây dựng cấu trúc tổng quát PIM, luận án đưa gói điều khiển chính: phần liên tục (Continous Part), phần rời rạc (Discrete Part), ứng xử liên tục toàn cục tức thời (IGCB: Instantaneous Global Continuous Behavior), giao diện bên (Interal Interface) giao diện bên (External Interface) để dễ dàng tổ chức, quản lý theo vết tái sử dụng tác tạo sinh trình thiết kế thực thi hệ thống điều khiển Q-UAV Mẫu kết nối truyền đạt gói điều khiển cổng, giao thức kết nối mô tả sơ đồ cấu trúc gói Hình 3.8 Hình 3.8 Mẫu kết nối truyền đạt gói điều khiển Q-UAV 3.3.3 PSM hệ thống điều khiển Q-UAV 3.3.3.1 Sự chuyển đổi mô hình PIM-PSM Hình 3.14 mô tả tổng quan trình chuyển đổi mô hình PIM-PSM Hình 3.15 mô tả phác thảo chuyển đổi mô hình PIMPSM cho hệ thống điều khiển Q-UAV 16 Hình 3.15 Chuyển đổi mô hình PIM-PSM cho hệ thống điều khiển Q-UAV Hình 3.14 Chuyển đổi mô hình PIM-PSM MDA 3.3.3.2 Mô hình thực thi mô hướng đối tượng Chương trình mô ứng dụng với OpenModelica tùy biến tái sử dụng pha triển khai hệ thống điều khiển với vi điều khiển thích ứng với công nghệ hướng đối tượng thực tế 3.3.3.3 Mô hình thi hành triển khai Hình 3.19 minh họa vài hình hình ảnh tích hợp chạy thử nghiệm mô hình triển khai hệ thống điều khiển Q-UAV bám theo quỹ đạo mong muốn Hình 3.19 Tích hợp chạy thử nghiệm mô hình triển khai hệ thống điều khiển Q-UAV bám theo quỹ đạo mong muốn 17 Kết luận chương Chương trình bày mô hình phân tích, thiết kế thực thi hướng đối tượng để phát triển hệ thống điều khiển cho Q-UAV Mô hình dựa việc cụ thể hóa kiến trúc hướng theo mô hình (MDA) ngôn ngữ mô hình hóa thời gian thực (RealTime UML); kèm theo mô hình cấu trúc ứng xử điều khiển phi tuyến lai đề xuất đánh giá chất lượng sơ Chương Từ đó, xây dựng qui trình cụ thể hóa MDA với RealTime UML ROPES để phát triển theo hướng đối tượng cho hệ thống điều khiển thông qua thành phần CIM, PIM PSM, cụ thể là: CIM, việc cụ thể hóa mô hình trường hợp sử dụng đặc trưng HA cho phép phân tích chi tiết cấu trúc ứng xử hệ thống điều khiển Q-UAV; PIM đưa mô hình thiết kế chi tiết với RealTime UML hệ thống điều khiển; mô hình hệ thống chế hướng đối tượng sử dụng để xây dựng PSM hệ thống nhằm thực giai đoạn thực thi mô triển khai hệ thống; qui tắc chuyển đổi mô hình đưa áp dụng, cho phép CIM xác định chuyển đổi thành PIM chuyển đổi PIM tới PSM cụ thể Các qui tắc tùy biến tái sử dụng thành phần thiết kế PIM đưa nhằm ứng dụng điều khiển Q-UAV MUAV dạng chong chóng mang cất cánh/hạ cánh thẳng đứng (VTOL) khác Dựa theo mô hình này, ứng dụng luận án mô thực thi dựa công nghệ mã nguồn mở OpenModelica Arduino cho hệ thống điều khiển Q-UAV bám theo quĩ đạo đặt trước Chương trình bày chạy thử nghiệm đánh giá mô hình thi hành triển khai cho hệ thống điều khiển 18 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Q-UAV 4.1 Các tình thử nghiệm đánh giá kết + Kịch 1: Thử nghiệm khả cất cánh tự động bay treo cân điểm điều kiện trời đánh giá khả giữ cân ổn định điểm bay treo Thử nghiệm khả hạ cánh tự động nhằm đánh giá khả tự quay điểm xuất phát trường hợp khẩn cấp, như: nguồn điện cung cấp cạn kiệt tín hiệu điều khiển + Kịch 2: Thử nghiệm khả bay tự động bám theo quỹ đạo mong muốn đặt trước thông qua máy tính điều khiển, nhằm đánh giá khả bám quỹ đạo khả tự cân ổn định Q-UAV 4.2 Tích hợp thiết bị quy trình khởi động hệ thống thử nghiệm 4.2.1 Tích hợp thiết bị thử nghiệm + Sử dụng GPS/IMU cho mô hình thử nghiệm Q-UAV NCS lựa chọn thiết bị IMU có chứa cảm biến tích hợp MPU6000 (Hình 4.2) sử dụng việc xác định vị trí trạng thái Q-UAV (a) (b) Hình 4.2 Thiết bị GPS IMU tích hợp thử nghiệm (a) vi mạch MCU-STM32-Cortex M4 lập trình (b) + Sử dụng thiết bị lập trình 19 Trong luận án này, vi điều khiển STM32F427 Cortex M4 sử dụng để nạp chương trình điều khiển Q-UAV + Tích hợp thiết bị khác Hình 4.3 mô tả tích hợp vi mạch Q-UAV, thiết bị điều khiển tay Futaba T8FG, thu nhận tín hiệu trạng thái QUAV, hình hiển thị video thu mặt đất hiển thị thông số, pin mạch sạc điện Cellpro động T-motor kèm theo thông số kỹ thuật, tham gia vào thử nghiệm đánh giá hệ thống điều khiển Q-UAV Hình 4.3 Tích hợp vi mạch Q-UAV 4.2.2 Quy trình khởi động hệ thống thử nghiệm 4.3 Tiến hành thử nghiệm đánh giá hệ thống điều khiển QUAV 4.3.1 Thử nghiệm đánh giá chế độ cất cánh, bay treo hạ cánh tự động Hình 4.11 minh họa hình ảnh thử nghiệm khả cất cánh tự động bay treo cân điểm điều kiện trời Hình 4.12 mô tả giao diện cài đặt chế an toàn cho Q-UAV Hình 4.11 Hình ảnh thử nghiệm đánh giá chế độ cất cánh, bay treo hạ cánh tự động 20 Q-UAV cất cánh tự động tới độ cao 20m bay treo cân phút 36 giây với dao động góc RPY xung quanh điểm “0” ảnh hưởng yếu tố môi trường (Hình 4.13) Hình 4.12 Giao diện cài đặt Hình 4.13 Đồ thị theo dõi trạng chế an toàn cho Q-UAV thái Q-UAV máy tính 4.3.2 Thử nghiệm đánh giá bay tự động bám theo quỹ đạo mong muốn + Trường hợp 1: Bay theo quỹ đạo điểm với góc mở lái lớn điểm 90 độ với vận tốc 2,5 m/s (Hình 4.14) Trong đó, đường màu vàng quỹ đạo mong muốn cài đặt máy tính; đường màu xanh nước biển quỹ đạo thực tế mà Q-UAV di chuyển Sau tiến hành bay thực tế thu toàn bảng ghi (dạng logfile) tham số điều khiển thông số trạng thái QUAV Luận án thực lấy số liệu thực tế thu từ thiết bị GPS chuyển giá trị kinh độ vĩ độ thu từ GPS sang hệ trục tọa độ NEU, nhằm dễ dàng trực quan đánh giá sai số chi tiết trường hợp bay bám theo quỹ đạo đặt sẵn phần mềm MatLabSimulink (Hình 4.15 4.16) Hình 4.15 Quỹ đạo di chuyển thực tế thu Q-UAV: trường hợp Hình 4.14 Màn hình theo dõi cài đặt điểm đường (WP): trường hợp 21 Như Hình 4.14: điểm WP1 WP2, Q-UAV bay bám sát với góc quỹ đạo mong muốn; điểm WP3, QUAV bay vọt qua điểm cài đặt ~ 2,0m Tuy nhiên, điểm WP đặt vòng tròn sai số có bán kính 2,0m Điều hoàn toàn phù hợp điều kiện thử nghiệm thực tế Trên quãng đường di chuyển WP, Q-UAV bám sát với đường thẳng quỹ đạo đặt với sai số lớn 0,8m Hình 4.17 cho thấy khoảng cách thời gian di chuyển WP Q-UAV Hình 4.16 Quỹ đạo di chuyển mô Q-UAV: trường hợp Hình 4.17 Khoảng cách thời gian di chuyển WP Q-UAV: trường hợp Kết luận chương Trong chương này, luận án trình bày thử nghiệm đánh giá hệ thống điều khiển Q-UAV thiết kế công nghệ hướng đối tượng, bao gồm điểm chính, như: + Mô tả tích hợp thiết bị qui trình khởi động hệ thống thử nghiệm + Đưa kịch thử nghiệm + Tiến hành thử nghiệm đánh giá hệ thống: Thử nghiệm khả cất cánh tự động bay treo cân điểm điều kiện trời đánh giá khả giữ cân ổn định điểm bay treo đó; Thử nghiệm khả hạ cánh tự động nhằm đánh giá khả tự quay điểm xuất phát trường hợp khẩn cấp, như: nguồn điện cung cấp cạn kiệt tín hiệu điều khiển; Thử nghiệm khả bay tự động bám theo quỹ đạo mong muốn đặt trước thông qua máy tính điều khiển, nhằm 22 đánh giá khả bám quỹ đạo khả tự cân ổn định Q-UAV Với kết thử nghiệm đánh giá đáp ứng điều khiển minh chứng cho tính khả thi hiệu tính hệ thống điều khiển Q-UAV phân tích, thiết kế thực thi MDA kết hợp với RealTime UML ROPES KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận án đề cập tới mô hình phân tích, thiết kế thực thi hệ thống điều khiển cho thiết bị bay chong chóng mang Q-UAV có chế độ cất cánh hạ cánh thẳng đứng (VTOL); mô hình dựa việc cụ thể hóa công nghệ hướng đối tượng thời gian thực Nội dung luận án thể thông qua điểm sau: + Nghiên cứu tổng quan UAV kỹ thuật mô hình hóa, mô thực thi điều khiển + Dựa mô hình động lực học điều khiển Q-UAV kết hợp với cụ thể hóa HA thông qua giả thuyết thi hành hệ thống nhằm đưa cấu trúc điều khiển cho Q-UAV tự hành bám theo quỹ đạo mong muốn + Đưa mô hình phân tích, thiết kế thực thi hướng đối tượng thông qua MDA kết hợp với RealTime UML ROPES cho hệ thống điều khiển Q-UAV, bao gồm mô hình: CIM, PIM PSM với qui tắc theo vết mô hình theo tảng công nghệ khác có hỗ trợ hướng đối tượng Các mô hình thiết kế thực thi minh họa với hỗ trợ phần mềm IBM Rational Rose RealTime, OpenModelica MatLab-Simulink với công nghệ Arduino nhằm thực nhanh chóng mô hình triển khai cho Q-UAV + Thử nghiệm, hiệu chỉnh đánh giá chương trình điều khiển thông qua kịch cụ thể; kết thử nghiệm cho thấy mô hình điều khiển Q-UAV bảo đảm tính ổn định tính điều khiển phù hợp với mô hình phân tích thiết kế 23 Các điểm nghiên cứu bao gồm: + Đưa cấu trúc điều khiển cho Q-UAV dựa việc cụ thể hóa đặc trưng hệ thống động lực lai (HDS) có ứng xử điều khiển mô tả Automate lai (HA) + Đưa mô hình phân tích, thiết kế thực thi điều khiển hướng đối tượng thời gian thực cho hệ thống điều khiển Q-UAV thông qua cụ thể hóa MDA giả thuyết thực thi Automate lai (HA) kết hợp với RealTime UML ROPES Dựa theo mô hình đề xuất này, hệ thống điều khiển cho QUAV tự hành bám theo quỹ đạo mong muốn triển khai thành công + Các qui tắc tùy biến tái sử dụng thành phần thiết kế PIM đưa nhằm ứng dụng điều khiển Q-UAV MUAV dạng chong chóng mang cất cánh/hạ cánh thẳng đứng (VTOL) khác Tuy nhiên, luận án có số tồn sau: - Chưa đưa hoạt động chi tiết vòng lặp thứ hai vòng đời phát triển hệ thống điều khiển Q-UAV dựa theo qui trình MDA đề xuất - Do giới hạn mặt tài chính, ứng dụng Q-UAV sử dụng vi điều khiển mô hình Arduino; nên hiệu tính toán điều khiển phạm vi hoạt động hệ thống bị hạn chế theo Kiến nghị Trong thời gian tới, NCS kết hợp với đồng nghiệp phát triển cách tiếp cận với ngôn ngữ hình thức khác nhau, nhằm cải thiện việc mô hình hóa thành phần vật lý hệ thống chi tiết thành phần chu trình phát triển lặp Đặc biệt ứng dụng trang bị cảm biến vi xử lý công nghiệp nhằm cải thiện hiệu phạm vi hoạt động toàn hệ thống Cách tiếp cận phát triển cho ứng dụng điều khiển phối hợp nhóm UAV tự hành theo đội hình 24 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Gia Điềm PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG TRONG ĐIỀU KHIỂN PHƯƠNG TIỆN BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 62520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2016 25 Công trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGÔ VĂN HIỀN PGS.TS NGUYỄN PHÚ KHÁNH Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam 26 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN                         Diem P G., Hien N V., Khanh, N P (2013) An ObjectOriented Analysis and Design Model to Implement Controllers for Quadrotor UAVs by Specializing MDA’s Features with Hybrid Automata and Real-Time UML, WSEAS Transactions on Systems (Indexed in Scopus, SCImago, http://www.scopus.com/), E-ISSN 2224-2678, Issue 10, Volume 12, (October 2013), pp 483-496 Diem P G., Khanh N P., Hien N V., Hung N P (2013) A Real-Time Object Collaboration to Develop Controllers of Small-Scale Autonomous Unmanned Aerial Vehicles, RCMME, ISBN: 978-983-2408-14-7, Kuala Lumpur, Malaysia, (2013), pp 146-156 Diem P G., Anh P H., Khanh N P., Hung N P., Hien N V (2014) A Hybrid Control Model to Develop the Trajectory-Tracking Controller for a Quadrotor UAV, the 5th ICMAE, Madrid, Spain, (July 18-19, 2014), Proc of ICMAE2014, ISBN-13: 978-3-03835-223-5; Journal of Advanced Materials Research (Indexed in Scopus, SCImago, http://www.scopus.com/), ISSN: print 1022-6680 ISSN, cd 1022-6680 ISSN, web 1662-8985,Volume 1016, (2014), pp 678-685 Diem P G., Khanh N P., Hien N V (2014) An ObjectOriented Design Model to Implement Controllers of Miniature Quadrotor UAVs, Journal of Science and Technology, VAST - Vietnam Academy Of Science And Technology, ISSN: 0866-708X, (2014), pp 150-159 Anh P H., Diem P G., Tuan D T., Hien N V (2014) A Hybrid Automata-Based Model to Develop Controllers for Quadrotor UAVs, Proc of RCMME2014, ISBN: 978-604911-942-2, Hanoi, Vietnam, (2014), pp 397-401 27 Tung P X., Diem P G., Huy V Q., Hien N V (2014) A Capsule-Based Model to Implement Controllers for Quadrotor UAVs, Proc of International Conference on Engineering Mechanics and Automation (ICEMA 3), ISBN: 978-604-913-367-1, Hanoi, Vietnam, (October 15-16, 2014), pp 179-186 Phạm Gia Điềm, Nguyễn Phú Khánh, Ngô Văn Hiền, Nguyễn Phú Hùng (2014), Mô hình thiết kế điều khiển phi tuyến cho Quadrotor UAV siêu nhỏ, Hội nghị Cơ học Thủy khí Toàn quốc, Đồng hới, Quảng Bình, Việt Nam, 2013, Tuyển tập, ISSN: 1859-4182, (2014), Tr 134-141 K.M Tuấn, N Đông, N.H Nam, P.G Điềm, N.V Hiền (2014) Qui trình hướng đối tượng mô hình hóa mô hệ thống điện tử điều khiển thông qua tích hợp SysML/Modelica/MDA với Automate lai, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, ISSN: 0866-7056, (2014), Tr 150-157 Phạm Hoàng Anh, Phạm Gia Điềm, Đỗ Trọng Tuấn, Ngô Văn Hiền, Nguyễn Phú Hùng (2015) Mô hình thiết kế hệ thống điều khiển cho Quadrotor UAV dựa công nghệ Arduino Hội nghị Khoa học Cơ học Thuỷ khí Toàn quốc năm 2014, tổ chức từ 24 đến 26 tháng năm 2014, Hoàn Cầu Resort, Tp Phan Rang, tỉnh Ninh Thuận, Việt Nam, Tuyển tập, ISSN: 1859-4182, (2015), Tr 1-9 28