Thiết kế bộ điều khiển cho máy bay không người lái UAV

Việc nghiên cứu đề tài cần đảm bảo những công việc sau: xây dựng mô hình máy bay không người lái UAV dẫn đường bằng tín hiệu vệ tinh GPS; tích hợp hệ thống điều khiển, cơ khí, truyền độn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn “Thiết kế bộ điều khiển cho máy bay không người lái UAV” này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của TS Bùi Quý Lực

và TS Lê Giang Nam Các số liệu và kết quả trình bày trong luận văn là do tôi

phát triển và chưa từng được công bố trong bất kì một tài liệu nào

Hà Nội, Ngày 22 tháng 4 năm 2014

Học viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Bình

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ UAV 11

1.1 Giới thiệu về UAV 11

1.1.1 Khái niệm về UAV 11

1.1.2 Các ứng dụng của UAV 11

1.1.3 Các tính năng chủ yếu của UAV 12

1.2 Lịch sử phát triển của UAV 12

1.2.1 Lịch sử phát triển của UAV trên thế giới 12

1.2.2 Lịch sử phát triển của UAV ở Việt Nam 15

1.2.3 Xu hướng phát triển của UAV 18

1.3 Hướng tiếp cận của đề tài 18

1.4 Kết luận chương 1 19

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN VẬT THỂ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI UAV 20

2.1 Các thông số kỹ thuật của UAV 20

2.1.1 Thông số kỹ thuật của vật liệu chế tạo UAV 20

2.1.2 Khảo sát lực tác dụng lên các bộ phận UAV 22

2.1.3 Tích hợp các hệ thống cơ khí lên UAV 23

2.2 Khảo sát động học và động lực học cho UAV 27

2.2.1 Xây dựng hệ tọa độ để khảo sát UAV 27

2.2.2.Khảo sát động học cho UAV 31

2.2.3 Khảo sát động lực học cho UAV 33

2.3 Giải phương trình động học và động lực học 35

2.3.1 Tuyến tính hóa phương trình động học và động lực học 35

2.3.2 Phân chia chuyển động của UAV 40

2.3.3 Phương trình động học, động lực học cho trạng thái bay cân bằng và ổn định 44

2.4 Kết luận chương 2 48

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO UAV 49

3.1 Tổng quan hệ điều khiển UAV 49

3.1.1 Định vị, dẫn đường bằng hệ thống vệ tinh GPS và định vị quán tính INS 49 3.1.2 Truyền dẫn dữ liệu điều khiển và hình ảnh bằng sóng vô tuyến RF 49

3.1.3 Hệ thống truyền động trên UAV 61

3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển UAV 61

3.2.1 Thuật toán điều khiển 62

3.2.2 Sơ đồ mạch điện của hệ thống điều khiển 66

3.2.3 Mô phỏng hệ thống điều khiển 71

3.3 Thiết kế phần mềm điều khiển và giám sát mặt đất 73

3.3.1 Phần mềm điều khiển mặt đất 73

3.3.2 Xây dựng hệ thống chỉ thị mục tiêu 74

3.4 Tích hợp các hệ thống điện tử 75

3.5 Kết luận chương 3 80

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 81

4.1 Kết quả thử nghiệm của hệ thống GPS, IMU, RF 81

4.1.1 Kết quả thử nghiệm khả năng định vị GPS 81

4.1.2 Kết quả thử nghiệm chất lượng bộ thu phát sóng RF 83

4.1.3 Kết quả thử nghiệm chất lượng cảm biến IMU 85

4.2 Đánh giá chất lượng UAV ở chế độ bay bằng tay và tự động 87

4.2.1 Đánh giá chất lượng UAV ở chế độ bay bằng tay 87

4.2.2 Đánh giá chất lượng UAV ở chế độ bay tự động 88

4.3 Kết luận chương 4 89

KẾT LUẬN 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

PHỤ LỤC 93

KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

+ GPS - Global Positioning System( Hệ thống định vị toàn cầu)

+ GCS - Group Control Station (Trạm điều khiển mặt đất)

+ IMU - Inertial measurement units(Hệ thống đo lường quán tính) + INS - Intertial Mavigation System(Hệ thống định vị quán tính)

+ PP PTHH - Phương pháp phần tử hữu hạn

+ PID - A proportional integral derivative controller

+ RF - Radio Frequency (Tần số vô tuyến)

+ UAV - Unmanned Aerial Vehicle( Phương tiện bay không người lái)

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Thông số cơ học sợi composit (E glass fiber) 20

Bảng 2.2: Thông số cơ học thép Cacbon thường 21

Bảng 2.3: Thông số cơ học nhựa polyurêtan 21

Bảng 2.4: Thông số cơ học cao su tổng hợp 22

Bảng 2.5: Bảng phân loại các mức tốc độ máy bay 30

Bảng 3.1: Thông số vi xử lý ATMEGA2560 67

Bảng 3.2: Thông số cảm biến MPU 6050 68

Bảng 3.3: Thông số cảm biến khí áp MS5611 68

Bảng 3.4: Thông số la bàn số HMC5883L 69

Bảng 3.5: Thông số IC nhớ AT45DB161D 70

Bảng 4.1: Thử nghiệm độ chính xác đo khoảng cách của GPS (Khu vực dân cư) 81

Bảng 4.2: Thử nghiệm độ chính xác đo khoảng cách của GPS (Khu vực đất trống) 83

Bảng 4.3: Bảng đánh giá chất lượng sóng của bộ thu phát sóng RF 84

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Máy bay trinh sát pháo binh "Tipchak" Nga 15

Hình 1.2: UAV Việt Nam, sản phẩm của HTI 17

Hình 2.1: Sản phẩm máy bay hoàn thiện 23

Hình 2.2: Thân máy bay 24

Hình 2.3: Cánh máy bay (Bên trái) 24

Hình 2.4: Cánh lái đứng và cánh lái ngang 25

Hình 2.5: Càng trước và càng sau máy bay 25

Hình 2.6: Hệ thống truyền chuyển động 26

Hình 2.7: Động cơ và cánh quạt 26

Hình 2.8: Các trục tọa độ trên máy bay, các vec tơ vận tốc, lực, momen và các góc RPY trên máy bay 27

Hình 2.9: Định nghĩa các hệ trục tọa độ trên máy bay 29

Hình 2.10: Các vectơ vận tốc góc trong hệ tọa độ liên kết 32

Hình 2.11: Sơ đồ khối các phương trình chuyển động của máy bay 48

Hình 3.1: Các thành phần cấu tạo của hệ thống 50

Hình 3.2: Vệ tinh không gian 50

Hình 3.3: Các trạm điều khiển GPS trên thế giới 51

Hình 3.4: Các g c Yaw, Pitch và Roll 53

Hình 3.5: Sự thay đổi trạng thái của máy bay ứng với các g c Yaw, Pitch và Roll 54

Hình 3.6: Các g c Yaw, Pitch và Roll trong hệ thống định vị quán tính 56

Hình 3.7: Bộ thu phát sóng RF 58

Hình 3.8: Cấu tạo RC Servo 61

Hình 3.9: Điều khiển góc quay RC Servo 62

Hình 3.10: Mạch vi xử lý trung tâm ATMEGA2560 67

Hình 3.11: Khối truyền nhận dữ liệu với máy tính thông qua chip ATMEGA32U 67

Hình 3.12: Cảm biến MPU 6050 (Inertial measurement unit)6 trục 68

Hình 3.13: Cảm biến khí áp MS5611 69

Hình 3.14: La bàn số HMC5883L 70

Hình 3.15: Bộ nhớ Data AT45DB161D lưu trữ 1 Mb dữ liệu 70

Hình 3.16: Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng phần cứng 71

Hình 3.17: Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng phần cứng 71

Hình 3.18: Thiết lập tham số truyền nhận trong Xplane 72

Hình 3.19: Thiết lập cổng UDP truyền nhận dữ liệu trên XPlane 72

Hình 3.20: Mẫu thử nghiệm chế độ bay tự động: máy bay PT60 73

Hình 3.21: Phần mềm điều khiển 74

Hình 3.22: Thử nghiệm chế độ ch thị mục tiêu 75

Hình 3.23: Kích thước mạch in sau khi thiết kế 76

Hình 3.24: Sơ đồ kết nối vơi bộ Recever Fysky 76

Hình 3.25: Sơ đồ chân kết nối tín hiệu điều khiển 77

Hình 3.26: Sơ đồ kết nối tín hiệu cảm biến 77

Hình 3.27: Sơ đồ kết nối đầu ra tín hiệu APM 78

Hình 3.28: Tín hiệu ra cấp servo camera 78

Hình 3.29: Tín hiệu ra cấp servo camera 79

Hình 3.30: Module LEA-6H U-blox 79

Hình 3.31: Bộ điều khiển thực tế 80

Hình 4.1: Vị trí của máy bay so với Home (Khu vực dân cư) 81

Hình 4.2: Đồ thị biểu diễn sai số khoảng cách của GPS (Khu vực dân cư) 82

Hình 4.3: Vị trí của máy bay so với Home (Khu vực đất trống) 82

Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn sai số khoảng cách của GPS (Khu vực đất trống) 83 Hình 4.5: Màn hình số liệu biểu diễn chất lượng sóng của bộ thu phát sóng RF 84

Hình 4.6: Đồ thị biểu diễn chất lượng sóng với các khoảng cách khác nhau 85

Hình 4.7: Máy bay ở trạng thái cân bằng 85

Hình 4.8: Máy bay ở trạng thái nghiêng bên phải 86

Hình 4.9: Máy bay ở trạng thái ngóc lên 86

Hình 4.10: Máy bay ở trạng thái chúc xuống 86

Hình 4.11: Máy bay ở trạng thái lật ngửa 87

Hình 4.12: Quỹ đạo bay thực tế của máy bay khi điều khiển bằng tay 88

Hình 4.13: So sánh quỹ đạo bay thực tế và quỹ đạo bay lập trình của máy bay trong chế độ bay tự động 89

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Ngày nay nhờ những tiến bộ công nghệ khoa học kỹ thuật được áp dụng vào đời sống ngày càng nhiều, nên các thiết bị có khả năng tự động hóa đang là xu hướng được quan tâm và nghiên cứu rộng rãi trên toàn thế giới Các công nghệ này được ứng dụng trong rất nhiều ngành và lĩnh vực đặc biệt nhằm giải phóng con người khỏi nặng nhọc, nhàm chán của công việc (do lặp đi lặp lại các thao tác của một công việc giản đơn nào đó), nguy hiểm của môi trường lao động, lây lan của các bệnh hiểm nghèo tại các cơ sở y tế, ô nhiễm do bụi bặm của các hầm mỏ, nguy hiểm ở duới đáy đại dương và trên không gian vũ trụ…

Một trong những công nghệ đang được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ đó là máy bay không người lái (UAV – Unmanned Aerial Vehicle) Đây là tên gọi chỉ chung cho các loại máy bay mà không có người điều khiển ở buồng lái, hoạt động

tự động và có thể điều khiển, giám sát từ xa Với việc sử dụng UAV người ta có thể thay thế con người trong rất nhiều lĩnh vực như dân dụng, quân sự, hàng không vũ trụ Trên thế giới, các nước như: Hoa kỳ, Đức, Nhật… đã và đang ứng dụng máy bay UAV vào nhiều lĩnh vực như do thám, y tế, quan trắc đặc biệt ngành quân

sự Tuy nhiên việc triển khai ứng dụng ở Việt Nam còn hạn chế

Xuất phát từ thực tế trên, tôi đã tiến hành nghiên cứu về hệ thống điều khiển trên máy bay không người lái (UAV) Qua đó đề tài: ―Thiết kế bộ điều khiển cho máy bay không người lái UAV‖ đã được triển khai với mục đích từng bước nắm bắt

lý thuyết và công nghệ nhằm áp dụng vào thực tiễn

Lịch sử nghiên cứu

Trên thế giới UAV không chỉ là mục tiêu quân sự của mỗi quốc gia (đặc biệt là các nước chuyên sản xuất máy bay không người lái như Mỹ và Israel), mà còn là đề tài nghiên cứu của các trường đại học trên thế giới và đã đạt được những thành tựu đáng khích lệ

Việc nghiên cứu và chế tạo UAV gặp nhiều khó khăn và thử thách Đầu tiên đó

là khó khăn vì tài chính Tiếp đó là công nghệ đi kèm trong việc chế tạo máy bay, như là: công nghệ định vị chính xác, công nghệ xử lý ảnh,…Tuy nhiên, với những thành tựu đã đạt được thì một ngày không xa nó sẽ được ứng rộng rãi trong đời sống và quân sự

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Việc chế tạo bộ điều khiển cho UAV hiện đang được phát triển mạnh mẽ trên

thế giới Nó không chỉ phục vụ trong quân sự mà cả dân sự cũng được ưu tiên phát triển Nhưng tại Việt Nam thì còn hạn chế và rất ít được đầu tư do nguồn kinh phí lớn Nước ta mới chỉ sử dụng UAV trong quân sự mà chưa có sản phẩm phục vụ trong dân sự Vì vậy, nhiệm vụ của đề tài giúp tiếp cận, làm chủ công nghệ nhằm đưa sản phẩm ứng dụng trong mục tiêu dân sự

Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm thiết bị điều khiển máy bay không người lái UAV, hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh GPS, hệ thống truyền dẫn dữ liệu điều khiển và thu thập hình ảnh bằng sóng RF

Việc nghiên cứu đề tài cần đảm bảo những công việc sau: xây dựng mô hình máy bay không người lái UAV dẫn đường bằng tín hiệu vệ tinh GPS; tích hợp hệ thống điều khiển, cơ khí, truyền động và lập trình; thử nghiệm đánh giá chất lượng thiết bị ở chế độ điều khiển bằng tay và chế độ tự động

Thu thập các dữ liệu về chuyến bay để kiểm tra tính chính xác của các phương trình khí động học và cân bằng máy bay

Các luận điểm cơ bản và đ ng g p mới

Nội dung luận văn gồm 4 chương:

- Chương 1 trình bày tổng quan về UAV

- Chương 2 đưa ra cơ sở lý thuyết điều khiển vật thể bay không người lái UAV

- Chương 3 thiết kế bộ điều khiển UAV

- Chương 4 cho UAV chạy thử và kiểm tra chất lượng

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) là một phương pháp

số để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều kiện biên cụ thể

Xây dựng các phương trình khí động lực học, sử dụng các phương pháp toán học để giải các phương trình vi phân, trình bày về thuyết cân bằng và ổn định máy bay

Tích hợp hệ thống bao gồm các cảm biến, mạch điều khiển, cơ cấu chấp hành, phát triển phần mềm điều khiển dựa trên phần mềm mã nguồn mở, xây dựng thuật toán xử lý ảnh

Tiến hành bay thử nghiệm, kiểm tra các chế độ bay, bay theo quỹ đạo, kiểm tra thu thập các dữ liệu trong quá trình bay

+ Thử nghiệm bay thật và đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển

Tuy đã rất nỗ lực hoàn thành và kiểm tra các tính toán nhưng luận văn chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót và hạn chế Rất mong nhận được sự đánh giá, đóng góp của quý thầy cô và bạn bè để có thể giúp đỡ tôi hoàn thiện hơn trong các nghiên cứu sau này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô và các bạn đồng môn đã giúp đỡ tôi

hoàn thành luận văn này, đặc biệt là sự tận tình chỉ dạy, giúp đỡ của TS Bùi Quý Lực và TS Lê Giang Nam Tôi xin chân thành cảm ơn

TÁC GIẢ

Nguyễn Ngọc Bình

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ UAV 1.1 Giới thiệu về UAV

1.1.1 Khái niệm về UAV

UAV là viết tắt của "Unmanned Aerial Vehicle" ("Phương tiện hàng không không người lái", hay thường gọi là "Máy bay không người lái")

Theo đúng như tên gọi của mình, trên UAV hoàn toàn không có người điều khiển ngồi ở khoang lái UAV có thể được điều khiển từ xa (bởi một người điều khiển ngồi tại một trạm điều khiển trên mặt đất) hoặc cũng có thể tự bay theo các lịch trình đã được lập trình từ sẵn, hoặc theo sự điều khiển của các hệ thống máy

tính phức tạp

Để phân biệt rõ ràng giữa UAV và các loại tên lửa, chúng ta có thể định nghĩa UAV là một loại máy bay có khả năng bay theo sự điều khiển cố định và được trang bị các động cơ phản lực, động cơ điện…

Còn tên lửa hành trình có thể được coi là một loại UAV, song cần chỉ ra rõ ràng rằng chúng được sử dụng làm vũ khí, trong khi UAV thông thường đóng vai trò phương tiện di chuyển

UAV đôi khi cũng được dùng để chỉ các hệ thống UAVS (Unmanned Aerial Vehicle System- Hệ thống phương tiện bay không người lái) hoặc UAS (Unmanned Aerial System- Hệ thống máy bay không người lái) Ủy ban Quản lý Hàng không Liên bang Hoa Kỳ (FAA) đang sử dụng cụm từ UAS để nhấn mạnh rằng các hệ thống này không chỉ bao gồm máy bay mà còn bao gồm cả trạm kiểm soát trên mặt đất và một số thiết bị khác Trong các văn bản chính thức, cụm từ

"Unmanned Aerial Vehicle" (UAV) đã được thay đổi thành "Unmmaned Aircraft System" để làm rõ tính hệ thống của UAS như đã nói ở trên Tuy vậy, trong ngôn ngữ nói hàng ngày chúng ta vẫn sử dụng cụm từ UAV nhiều hơn

1.1.2 Các ứng dụng của UAV

-Bia ngắm bắn: đóng vai trò bia ngắm bắn cho các hệ thống vũ khí trên mặt đất và

trên không

-Do thám: tìm kiếm thông tin chiến thuật trên chiến trường

-Tấn công: đảm nhiệm vai trò tấn công trong các nhiệm vụ mang tính rủi ro cao

-Nghiên cứu và phát triển: đảm nhiệm vai trò vật thí nghiệm với các công nghệ

UAV mới

-UAV dân dụng và thương mại: các mẫu UAV được thiết kế nhằm áp dụng vào

các mục đích dân dụng và thương mại

1.1.3 Các tính năng chủ yếu của UAV

Một vài mẫu UAV đầu tiên được gọi là drone – một loại UAV rất đơn giản: có thể coi drone là một loại máy bay lúc nào cũng cần được điều khiển từ xa bởi người lái (hay còn gọi là người điều khiển) Các phiên bản UAV tinh vi hơn có thể có tính năng điều khiển được tích hợp và các hệ thống tìm đường đóng vai trò điều khiển ở mức độ thấp (ví dụ như điều khiển tốc độ hoặc cân bằng máy bay), hoặc các tính năng định tuyến đơn giản như bay theo một tuyến đường đã được định sẵn

Nếu nhìn từ cách này thì có thể nói phần lớn các mẫu UAV đầu tiên đều không

hề mang tính độc lập Thực tế, lĩnh vực nghiên cứu phát triển khả năng tự điều khiển (Autonomy) là một lĩnh vực nghiên cứu khá mới mẻ, được tài trợ chủ yếu bởi quân đội với mục đích tìm ra các công nghệ mới sẵn sàng cho chiến tranh Các lĩnh vực công nghệ Autonomy đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển của UAV

-Kết hợp cảm biến: Kết hợp thông tin từ nhiều cảm biến được sử dụng trên thiết bị -Liên lạc: đảm nhiệm quá trình liên lạc và phối hợp giữa các thành phần khác nhau

của hệ thống, trong trường hợp thông tin không đủ và không hoàn hảo

-Lên lịch trình: tìm ra tuyến đường tối ưu trong khi phải đảm bảo đạt được một số

mục tiêu, tránh các vật cản

-Phân bổ nhiệm vụ và lên kế hoạch: tìm ra cách phân bổ nhiệm vụ tối ưu tới các

thành phần của hệ thống, trong điều kiện thời gian và phần cứng bị giới hạn

-Chiến lược phối hợp: tạo ra kế hoạch và cách phân bổ hoạt động tối ưu giữa các

thành phần của hệ thống nhằm đạt được khả năng thành công lớn nhất trong mỗi nhiệm vụ

1.2 Lịch sử phát triển của UAV

1.2.1 Lịch sử phát triển của UAV trên thế giới

Năm 1915, nhà sáng chế Nikola Tesla (1856 - 1943), người Mỹ được sinh ra ở Croatia, đã đề ra khái niệm đầu tiên để nghiên cứu UAV Lúc ấy, Tesla tin rằng đây

sẽ là một phương tiện đem lại ưu thế trên chiến trường trong tương lai Đến năm

1919, nhà sáng chế Elmer Ambrose Sperry thử nghiệm thành công việc dùng thiết

bị dạng máy bay không người lái đánh chìm một tàu chiến Bước ngoặt tiếp theo diễn ra vào thập niên 1950 khi Lầu Năm Góc chính thức thử nghiệm UAV để tiến hành các phi vụ do thám từ xa ở trần bay có thể lên đến 18 km Loại UAV này là Ryan Firebee, được phát triển dựa trên hợp đồng giữa Lầu Năm Góc với Công ty hàng không Ryan Ryan Firebee có nhiều phiên bản khác nhau, trong đó phiên bản tiêu chuẩn có chiều dài khoảng 7 m, sải cánh 3.9 m, trần bay 18 km, tốc độ tối đa khoảng 1.100 km/giờ, đủ sức hoạt động liên tục trong 75 phút Nó có thể được phóng đi từ máy bay mẹ, thường là loại phi cơ vận tải C-130 Dòng Ryan Lightning Bug là một biến thể của loại Ryan Firebee [1]

Năm 1964, Ryan Lightning Bug được triển khai tại căn cứ không quân ở Biên Hòa (Việt Nam) và U-Tapao (Thái Lan) để tiến hành do thám miền Bắc Việt Nam, Trung Quốc, Lào và Campuchia Lúc bấy giờ, loại UAV này mang nhiệm vụ trinh sát dò tìm các địa điểm tập trung chiến đấu cơ, tên lửa đối không, chụp hình, quay phim và cả định vị mục tiêu để máy bay Mỹ tiến hành tấn công Tiếp đo trong các cuộc chiến tranh của Mỹ UAV càng ngày xuất hiện thường xuyên và nắm giữ vị trí quan trọng hơn

Trong giai đoạn từ năm 2000—2010 số lượng UAV trong biên chế của lực lượng vũ trang Mỹ tăng vọt 136 lần, từ 50 đến 6800 chiếc Dự báo, khoảng 30 năm tới số lượng các UAV quân sự của Mỹ sẽ tăng thêm 4 lần Đến năm 2005, số lượng UAV của các nước khối quân sự NATO là 75310 chiếc, trong đó 60 nghìn UAV đến năm 2006 đã có trong biên chế của lực lượng quân sự liên minh NATO Đến năm 2008 Mỹ và NATO đã tích cực triển khai khoảng 300 chương trình nghiên cứu, chế tạo các UAV [2]

Những mẫu UAV nổi tiếng trên thị trường quân sự thế giới do có những tính năng kỹ thuật nổi bật như khối lượng hữu ích lớn, tầm bay xa và thời gian bay dài

là [3]: Euro Hawk (Mỹ), RQ-4 Global Hawk (Mỹ), RQ-7A Shadow 200/400/600 (Mỹ), Chacal-2 (Pháp), Dasault Neuron (Pháp), Eagle Eye(CIIIA), RQ-8A/MQ-8 FireScout (Mỹ), A160 Hummingbird (Mỹ), ElbitHermes 180/450/900/1500 (Mỹ), MQ-1 Predatỏ (Mỹ), IAI Searcher II (Israel),MQ-9 Reaper (Mỹ), Sperwer MkII (Pháp), Patroller (Pháp), Barracuda-2 2 (Liên bang Đức), X-47B Pegasus (Mỹ), Aerostar (Israel), Zephyr (Anh), Avenger (Mỹ) và Falco (Ý)

Trong đó, MQ-1 Predator đạt tốc độ tối đa 217 km/giờ, tầm bay 1.100 km và trần bay 7.6 km, có thể hoạt động liên tục trong 24 giờ mà không cần tiếp thêm nhiên liệu, mang theo các loại tên lửa đối đất AGM-114 Hellfire và AGM-175 Griffin, tên lửa đối không AIM-92 Stinger Còn MQ-9 Reaper đạt tốc độ tối đa xấp

xỉ 900 km/giờ, tầm hoạt động 1.850 km, trần bay 15 km, có thể hoạt động suốt 18 giờ, tích hợp 7 gá treo vũ khí để mang theo 14 tên lửa đối đất AGM-114 Hellfire hoặc 2 quả bom GBU-12 Paveway II

Theo chương trình Long-Range Strike triển khai năm 2012, Mỹ đang nỗ lực phát triển UAV tốc độ siêu thanh, tương lai sẽ trở thành máy bay ném bom chiến lược không người lái thế hệ mới Song song cùng với chương trình nay, các nhà khoa học Mỹ đang nghiên cứu thiết kế nguyên mẫu UAV cơ bản, từ đó phát triển các UAV có những tính năng kỹ chiến thuật khác nhau như tiêm kích đánh chặn, cường kích, trinh sát, AWACS, vận tải, tác chiến điện tử, thông tin liên lạc và tiếp dầu trên không

Sự phát triển UAV của Nga có phần chậm hơn so với Trung Quốc và Mỹ Năm 2007, Bộ quốc phòng Nga đã chi 5 tỷ rúp phát triển UAV, nhưng đến tháng 4/2009 các dự án phát triển UAV vẫn đang nằm ở dạng model và văn bản thiết kế

Bộ Quốc phòng Nga ký hợp đồng mua và lắp ráp bản địa 12 chiếc UAV Israel BirdEye-400, I-View Mk150 và Searcher II với tổng chi phí 53 triệu đô la Năm

2010, hợp đồng với Israel Aerospace Industries được mở rộng đến 400 triệu đô la Các UAV Israel sẽ lắp đặt tại nhà máy trực thăng Kazal Cùng thời gian này, Nga cũng đưa vào biên chế UAV trinh sát và chỉ thị mục tiêu, điều khiển hỏa lực pháo binh Tipchak, phát triển bởi Trung tâm Thiết kế Luch

Hình 1.1: Máy bay trinh sát pháo binh "Tipchak" Nga 1.2.2 Lịch sử phát triển của UAV ở Việt Nam

Mục tiêu bay là phương tiện bay không người lái (điều khiển từ xa hoặc bay tự động) dùng trong các hoạt động huấn luyện bắn đạn thật của lực lượng tên lửa và pháo phòng không Phương tiện này này giúp cho các đơn vị pháo, tên lửa huấn luyện chiến đấu sát với thực tế hơn

Nhằm đáp ứng yêu cầu huấn luyện, Viện Kỹ thuật Quân sự (Quân chủng Phòng không – Không quân) đã tự nghiên cứu cải tiến thành công tên lửa không đối không

có điều khiển K-5 thành mục tiêu bay, mang tên gọi BB-3R, BB-13M và M5 Bên cạnh việc cải tiến, quân đội ta chủ trương nghiên cứu chế tạo mục tiêu bay có tầm bay xa, độ cao lớn hơn, có thể điều khiển

Theo báo Thể thao & Văn hóa, năm 1996, Quân chủng Phòng không – Không

quân đã mua tổ hợp thiết bị bay DF-16 của Israel và giao cho Ban Giáo dục Quốc phòng (Bộ Tham mưu Phòng không – Không quân) phối hợp Nhà máy A40 nghiên cứu chế tạo

Tới cuối năm 1999, các đơn vị này đã hoàn thành 2 mẫu mục tiêu bay thử nghiệm M-96 (bay ngày) và M-96D (bay đêm) Những mục tiêu bay này có sự hỗ trợ của kính ngắm quang học TZK, điều khiển bằng tay và bay bằng trong tầm quan sát mắt thường

Sau thời gian thử nghiệm, M-96 và M-96D được quân chủng cho phép sản xuất hàng loạt phục vụ huấn luyện bắn đạn thật của các đơn vị pháo– tên lửa Tuy nhiên,

mục tiêu bay này sớm lộ một số nhược điểm như: tầm bay ngắn, trần bay thấp, tốc

độ chậm

Do đó, quân chủng đã tiếp tục giao cho các kỹ sư từng tham gia chế tạo M-96 nghiên cứu cải tiến Tháng 7/2004, Viện Kỹ thuật Phòng không – Không quân đã bay thử thành công mục tiêu bay M-100CT thế hệ mới, đáp ứng nhiều yêu cầu đề

ra (tầm bay xa hơn, trần bay cao và tốc độ cải thiện)

Việc nghiên cứu, chế tạo, cải tiến các mục tiêu bay thành công là ―nền móng‖ vững chắc để các nhà khoa học quân sự nước ta tiến tới việc phát triển máy bay trinh sát không người lái

Trước khi mẫu M-100CT bay thử nghiệm, ngay từ năm 2001, Viện Kỹ thuật Phòng không – Không quân đã khởi động đề tài: ―Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy bay không người lái điều khiển chương trình mang tên M400-CT‖

Ngày 15/9/2005, 2 mẫu M400-CT cất cánh thử nghiệm thành công tại sân bay Kép (Bắc Giang) với trần bay đạt được 2.000m, bán kính hoạt động 15km

Tiếp đó, Viện Kỹ thuật Phòng không – Không quân tiếp tục cải tiến và nâng cấp M400-CT đạt trần bay 3.000m, tốc độ 250-280km/h, bán kính hoạt động 30km

M400-CT có thể dùng cho mục đích do thám, trinh sát, theo dõi mục tiêu trên chiến trường, khu vực hiểm trở, nguy hiểm Ngoài ra, nó có thể tham gia vai trò quay phim, chụp ảnh địa hình, tìm kiếm cứu nạn

Sự ra đời của máy bay không người lái M400-CT đã đưa Việt Nam trở thành một trong số ít các nước Đông Nam Á tự chế tạo được loại máy bay này

Cùng với các nhà khoa học quân sự, các cơ quan dân sự Việt Nam cũng xúc tiến thực hiện chương trình chế tạo máy bay không người lái phục vụ mục đích khoa học, đi đầu là Viện Công nghệ Không gian (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam)

Ngay từ năm 2008, Viện Công nghệ Không gian đã bắt đầu triển khai đề tài

―Nghiên cứu chế tạo tổ hợp máy bay không người lái phục vụ nghiên cứu khoa học‖

Sau nhiều năm miệt mài nghiên cứu, các nhà khoa học, kỹ sư, công nhân kỹ thuật trong nhóm đề tài đã hoàn thành 5 mẫu máy bay không người lái và

thực hiện cuộc bay thử thành công 2 mẫu vào ngày 3/5/2013 Sự kiện này đánh dấu bước tiến lớn trong sự phát triển máy bay không người lái tại Việt Nam

Các mẫu máy bay được thiết kế chế độ điều khiển tự động bay theo chương trình lập sẵn trên nền bản đồ số Trên các máy bay đều có khả năng mang camera máy ảnh tác nghiệp trong điều kiện ngày và đêm Chúng có thể cất cánh từ đường bay, nóc ô tô, bệ phóng hoặc trên tay người

Trong số 5 mẫu máy bay không người lái (gồm AV.UAV.MS1, AV.UAV.S1, AV.UAV.S2, AV.UAV.S3, AV.UAV.S4), loại to lớn nhất là AV.USV.S4 có trọng lượng tối đa tới 170kg, dài 4,2m, sải cánh 5m, tải trọng có ích 50kg Máy bay trang

bị động cơ cánh quạt cho phép đạt tốc độ lớn nhất 180km/h, trần bay 3.000m, bán kính hoạt động tới 100km

Hình 1.2: UAV Việt Nam, sản phẩm của HTI

Viện Nghiên cứu và Phát triển Viettel, Trung tâm khí cụ bay đã phát triển mẫu VT-Patrol sải cánh 3,3m, trọng lượng cất cánh 26kg, UAV VT-Patrol bay với vận tốc từ 100 đến 150km/giờ, cự ly hoạt động 50km, trinh sát bằng camera quang hồng ngoại full HD nhận dạng và phân biệt mục tiêu binh lính trên cự ly 600m Định hướng sản phẩm của Viettel là chế tạo những máy bay không người lái tầm trung có thời gian bay 15-24 giờ phục vụ cho trinh sát cấp chiến dịch, chiến lược Hơn nữa là các thiết bị bay tối tân khác có trần bay cao để tăng cường khả năng phòng vệ cho đất nước [4]

1.2.3 Xu hướng phát triển của UAV

Khả năng tự điều khiển (Autonomy) có thể được định nghĩa là khả năng đưa ra quyết định mà không cần tới sự can thiệp của con người

Do đó, để thiết bị có thể đạt được khả năng tự điều khiển, con người cần dạy cho máy móc trở nên "thông minh" và có khả năng suy nghĩ giống với chúng ta hơn nữa

Những người theo dõi sát sao thế giới khoa học công nghệ có thể so sánh lĩnh vực Autonomy với các thành tự của lĩnh vực trí thông minh nhân tạo (Artificial Intelligence – AI) vào thập niên 1980 và 1990, với thành quả là những hệ thống chuyên gia, các mạng suy nghĩ, khả năng tự học hỏi của máy móc, khả năng phân tích ngôn ngữ tự nhiên

Tuy vậy, lĩnh vực Autonomy hiện đang phát triển chủ yếu theo hướng từ dưới

đi lên, và các thành tựu mới đều đến từ khoa học điều khiển (Control science), thay

vì khoa học máy tính (Computer Science) Do đó, khả năng tự điều khiển của UAV

đã và sẽ tiếp tục là một nhánh con của khoa học điều khiển

Trong tương lai gần, 2 lĩnh vực này (khoa học điều khiển và khoa học máy tính)

sẽ sớm kết hợp mạnh mẽ hơn nữa, và các nhà khoa học của cả 2 lĩnh vực sẽ phối hợp hoạt động để tạo ra những thành tựu vượt trội

Có thể nói, đến một mức độ nhất định, mục đích cuối cùng của lĩnh vực Autonomy là thay thế hoàn toàn con người ở vị trí điều khiển UAV Tuy vậy, cho tới giờ chúng ta vẫn chưa thể trả lời được liệu sự phát triển của lĩnh vực Autonomy, cách con người nhìn nhận về lĩnh vực này, quan trọng nhất là các phản ứng về mặt chính trị đối với lĩnh vực này có cản trở sự phát triển và ứng dụng của UAV hay không

Theo chính sách 4568 của NATO, tất cả các UAV của liên minh quân sự này đều phải được điều khiển sử dụng hệ thống TCS (Tactical Control System – Hệ thống điều khiển chiến lược), một hệ thống được phát triển bởi công ty phần mềm Raytheon [5]

1.3 Hướng tiếp cận của đề tài

Theo phân tích ở trên chúng ta có thể thấy xu hướng phát triển mạnh mẽ của

UAV trên thế giới Tuy nhiên ở nước ta việc nghiên cứu cũng như chế tạo hệ thống điều khiển cho UAV giá thành cao, chưa sản xuất đại trà cũng chưa có thể phục vụ

các mục tiêu ngoài ngành quân sự và nghiên cứu Từ đó đặt yêu cầu cấp thiết cho việc tiếp cận cũng như làm chủ công nghệ này trong tương lai gần nhằm đảm bảo

an ninh quốc gia cũng như sự phát triển của các ngành khoa học trong nước Đề tài

đã xây dựng mô hình toán học dựa vào một máy bay cánh bằng cụ thể Sau đó gắn cho máy bay một hệ tọa độ rồi đưa ra các hệ phương trình động học và động lực học của máy bay Tiếp đó giải chúng bằng phương pháp tuyến tính hóa rồi đưa ra các phương trình trạng thái bay cân bằng và ổn định Từ đó xây dựng thuật toán và

hệ thống điều khiển cho UAV bao gồm các thành phần: định vị; cảm biến; truyền dẫn dữ liệu; thành phần truyền động và thành phần xử lý trung tâm Thiết kế phần mềm cho phép điều khiển và giám sát ở mặt đất Cuối cùng tích hợp tất cả các hệ thống bao gồm cơ khí, điện tử và phần mềm điều khiển vào UAV rồi cho chạy thử

để kiểm nghiệm Nội dung kiểm nghiệm cho phép đánh giá tính chính xác của thiết

bị định vị bằng vệ tinh GPS; cảm biến đo lường quán tính IMU; bộ thu phát sóng

RF và các chế độ bay tự động, bằng tay

1.4 Kết luận chương 1

Trong chương 1 trình bày các khái niệm, ứng dụng cũng như các tính năng chủ yếu của UAV Từ đó cho thấy tổng quan về các lĩnh vực ứng dụng và các chức năng mà một UAV có khả năng thực hiện Luận văn cũng đã trình bày lịch sử phát triển của UAV ở trong và ngoài nước, những bước tiến phát triển mạnh mẽ của nó Qua đó dự đoán được xu hướng phát triển của UAV trong tương lai và đưa ra mục tiêu tác giả tiếp cận trong đề tài

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN VẬT THỂ BAY KHÔNG NGƯỜI

LÁI UAV 2.1 Các thông số kỹ thuật của UAV

2.1.1 Thông số kỹ thuật của vật liệu chế tạo UAV

Các bộ phận của máy bay (UAV) đảm bảo các yêu cầu sau:

+Hệ thống cánh, đuôi đứng, đuôi ngang và thân máy bay được làm từ vật liệu composit, riêng cánh được gia cố thêm bằng 1 thanh thép cacbon cường cứng chịu kéo nén cao Do đó có thể coi như chất liệu của các phần trên là composit Thông

số kỹ thuật của loại composit và thép này như sau:

Bảng 2.1: Thông số cơ học sợi composit (E glass fiber)

Bảng 2.2: Thông số cơ học thép Cacbon thường

-Phần gắn động cơ điện của máy bay được làm bằng nhựa polyurêtan (dùng trong sản xuất ô tô)

Bảng 2.3: Thông số cơ học nhựa polyurêtan

-Bánh xe được làm từ vật liệu cao su tổng hợp:

Bảng 2.4: Thông số cơ học cao su tổng hợp

2.1.2 Khảo sát lực tác dụng lên các bộ phận UAV

a.Tải trọng tác dụng lên đơn vị diện tích cánh

Tải trọng đơn vị quyết định rất nhiều tới tính năng bay của máy bay và có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc Về mặt khí động học, tải trọng đơn vị ảnh hưởng đến tốc

độ thất tốc, tốc độ hạ cánh của máy bay, góc đặt của cánh máy bay, và có ảnh hưởng nghiêm trọng nhất là sự gia tải do lực quán tính ly tâm gây lên khi bay bổ nhào, lượn vòng hẹp,

Mô hình có tải trọng đơn vị

b Lực nâng và hệ số lực nâng

+ Lực nâng bằng tổng trọng lượng máy bay

+ Hệ số lực nâng của máy bay

c Lực ly tâm

Lực ly tâm gây lên sự gia tăng đáng kể tác động lên UAV khi mô hình thực hiện các thao tác bay nhào lộn Lực ly tâm gây lên sự gia tăng đáng kể tác động lên UAV khi mô hình thực hiện các thao tác bay nhào lộn Để tính toán sự tác động đó

áp dụng công thức sau[6]:

2

(1, 466 )1

V N

R G

 

(2.1)

điện-điện tử cần phải bố trí sao cho gần trọng tâm và máy bay đảm bảo cân bằng

Vì vậy để đảm bảo yêu cầu về khí động học và các yêu cầu trên, máy bay đã được chế tạo và lắp ghép hoàn thiện đảm bảo khả năng cất cánh và bay ổn định

tà, vì vậy cánh máy bay có lõi làm bằng một thanh cacbon và một số thanh dùng để gia cố bên ngoài giúp máy bay chịu được áp suất tác dụng lên trong quá trình bay Hai cánh tà gắn ở hai máy bay có tác dụng điều khiển máy bay lắc dọc trong chuyển động bay vòng hoặc lượn vòng

Hình 2.3: Cánh máy bay (Bên trái) + Đuôi đứng, đuôi ngang

Đuôi đứng và đuôi ngang là hai bộ phận giúp máy bay cân bằng và điều chỉnh hướng, độ cao trong suốt quá trình bay Hai cánh tà ở đuôi đứng và đuôi ngang có

tác dụng điều chỉnh hướng và độ cao của máy bay, chúng sẽ được điều khiển bởi hai servo gắn ở trong thân được truyền động bằng thanh truyền

Hình 2.4: Cánh lái đứng và cánh lái ngang + Càng và bánh xe

Càng và bánh xe giúp máy bay di chuyển trên mặt đất trong quá trình máy bay chạy đà để cất cánh và tiếp đất khi hạ cánh Càng và bánh xe giúp thân máy bay tránh tiếp xúc trực tiếp với mặt đất do đó đảm bảo an toàn cho máy bay và các thiết

làm bằng thép đảm bảo độ cứng đảm bảo hệ số truyền động lớn, có nhiệm vụ truyền chuyển động quay của servo cho cánh tà quay đúng góc khi điều khiển

Hình 2.6: Hệ thống truyền chuyển động + Động cơ, cánh quạt

Động cơ dùng cho máy bay để đảm bảo máy bay đạt đủ vận tốc để cất cánh và thắng được trọng lượng khi bay, động cơ quay với vận tốc 2200 vòng/phút, cánh quạt 6x4 có tác dụng tạo lực đẩy cho máy bay, tạo thành luồng khí có vận tốc giúp máy bay hoạt động Động cơ được gá đặt lên bộ phần giá động cơ trên máy bay và đặt nghiêng với mặt phẳng ngang thân máy bay một góc khoảng 2-30 Động cơ được gặt chặt bằng các bulong gắn trên giá, cánh quạt được lắp trên động cơ bằng chốt chặt đảm bảo động cơ và cánh quạt không bị rời ra trong quá trình hoạt động Các bộ phận của máy bay như thân, cánh, đuôi đều được làm bằng xốp để giảm trọng lượng máy bay, tránh khả năng bị va đập khi xảy ra tai nạn

Hình 2.7: Động cơ và cánh quạt

2.2 Khảo sát động học và động lực học cho UAV

2.2.1 Xây dựng hệ tọa độ để khảo sát UAV

Hình 2.8: Các trục tọa độ trên máy bay, các vec tơ vận tốc, lực, momen và các

góc RPY trên máy bay

]

(2.4)

Lực và moment được xác định tương tự:

[ ] [

]

Trục O0y vuông góc với O0z hướng từ Bắc sang Nam

Trục O0x vuông góc với hai trục còn lại tạo thành hệ tọa độ thuận

- Hệ tọa độ liên kết (Body axes):

Gốc O đặt tại trọng tâm máy bay

Trục xb đặt trùng với trục dọc của máy bay

Trục yb vuông góc với mặt phẳng đối xứng của máy bay và hướng theo chiều cánh

phải

Trục zb vuông góc với Ox và thuộc mặt phẳng đối xứng của máy bay, có chiều

hướng xuống phía dưới máy bay

Hệ tọa độ liên kết gắn liền với máy bay vì thế mà có tên là hệ tọa độ liên kết

- Hệ tọa độ cân bằng (Stability axes)

Trục xs là hình chiếu của vecto vận tốc của máy bay lên mặt phẳng đối xứng của

máy bay

Góc giữa vecto vận tốc máy bay và trục xs là góc trượt β (beta)

Trục ys trùng với trục yb của hệ tọa độ liên kết

Trục zs trùng nằm trong mặt phẳng đối xứng của máy bay

- Hệ tọa độ tốc độ (Wind axes):

Gốc O trùng với tâm khối máy bay

Trục xw trùng với vectơ tốc độ đối không (vận tốc chuyển động tương đối giữa máy

bay và dòng khí xung quanh máy bay Nếu không có gió, tốc độ đối không bằng tốc

độ hành trình – tốc độ máy bay so với mặt đất)

Trục yw vuông góc với trục xw và zw tạo thành hệ tọa độ thuận

Trục zw nằm trong mặt phẳng đối xứng của máy bay

Hệ tọa độ tốc độ thể hiện sự ảnh hưởng của lực khí động đến chuyển động của máy

bay vì thế hệ tọa độ này thuận tiện cho việc giải các bài toán khí động

Các tục tọa độ được chỉ ra trên Hình 2.9 trong đó góc tấn α và góc trượt β được xác

V là tổng tốc độ của máy bay

Hình 2.9: Định nghĩa các hệ trục tọa độ trên máy bay

Hiệu ứng khí động học được phân loại dựa vào [7]:

Trong đó a=340 m/s là vận tốc của âm thanh trong không khí ở nhiệt độ 200

C trên mặt biển

Bảng 2.5: Bảng phân loại các mức tốc độ máy bay

Ma trận quay hệ tọa độ tốc độ đối với hệ tọa độ cân bằng

Đầu tiên, hệ tọa độ liên kết quay theo chiều âm một góc –β quanh trục z Hệ

tọa độ mới được tạo ra sau đó được quay một góc bằng góc tấn α quanh trục y mới của nó và kết quả là chiều của trục x chỉ hướng của vectơ tổng tốc độ máy bay Phép quay đầu tiên xác định hệ tọa độ tốc độ trong khi phép quay thứ hai xác định

hệ tọa độ cân bằng Điều này có thể mô hình toán như sau[7]:

cos cos sin sin cos

p cos sin cos sin sin p

2.2.2.Khảo sát động học cho UAV

a Phương trình động học chuyển động tịnh tiến

Phương trình chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của hệ tọa độ liên kết

(ABC) đối với hệ tọa độ mặt đất (NED) có thể biễu diễn bằng các số hạng và góc

- Quay một góc Ψ xung quanh trục z,

- Quay tiếp một góc Θ xung quanh trục y,

- Cuối cùng quay một góc Φ xung quanh trục x

Trong phép quay RPY, nếu thực hiện theo thứ tự ngược lại thì cũng đưa tới kết quả tương tự Vì vậy khai triển (2.18) ta có:

Bằng việc sử dụng phép quay RPY với các ma trận quay các góc RPY, ta xác

định được các vectơ vận tốc định hướng đặc trưng cho các chuyển động định

hướng của máy bay[6]:

Hình 2.10: Các vectơ vận tốc g c trong hệ tọa độ liên kết

Viết dưới dạng phương trình:

Phương trình động học trên hệ tọa độ liên kết:

sin

2.2.3 Khảo sát động lực học cho UAV

Coi máy bay như một vật rắn có khối lượng m, F là tổng hợp các lực mở rộng tác dụng lên máy bay, M biểu diễn tổng momen xoắn, H là momen động lượng Lực

( )

RB   

τ g τ (2.28)Trong đó τ là một vectơ suy rộng bao gồm các lực khí động học và các lực điều

khiển Lực trọng trường fG0 0 mgT đặt tại trọng tâm CG (gốc của hệ tọa độ trên máy bay) và cho vecto sau được biểu diễn trên hệ tọa độ mặt đất (NED):

G NED T

ABC

mgsin mgcos sin mgcos cos

Bài toán thuận: Cho các vận tốc góc của máy (P, Q, R, U, V, W ), dựa vào các

đặc tính kỹ thuật máy bay, tính toán các giá trị lực và momen

Bài toán nghịch: Cho lực và momen (X, Y, Z, L, M, N), dựa vào các đặc tích kỹ

thuật của máy bay, tính toán các giá trị vận tốc góc của máy bay

Nhận xét: Hệ phương trình động lực học vật rắn máy bay chứa các thành phần vi

phân bậc một, vì vậy việc giải các phương trình này rất khó khăn và đôi khi không thể tìm được nghiệm thích hợp Việc sử dụng thuyết tuyến tính hóa sẽ giúp tách các phương trình vi phân động lực học thành các thành phần tuyến tính và các thành phần nhiễu và giải chúng một cách dễ dàng

Các phương trình phi tuyến của chuyển động thường được tuyến tính hóa để sử dụng trong phân tích cân bằng và điều khiển máy bay Thuyết nhiễu loạn giả sử chuyển động của máy bay bao gồm các nhiễu loạn nhỏ từ điều kiện tham chiếu của một chuyển động bay ổn định Việc sử dụng thuyết nhiễu loạn có thể tìm được một

số kết quả tốt trong thực tế, phương pháp này được áp dụng thành công bởi vì:

- Trong nhiều trường hợp, hiệu ứng khí động học chính gần giống một hàm tuyến tính của nhiễu

- Trạng thái máy bay mất ổn định đáng kể sẽ xảy ra với giá trị tuyến tính và nhiễu của vận tốc góc nhỏ

2.3 Giải phương trình động học và động lực học

2.3.1 Tuyến tính h a phương trình động học và động lực học

a Thuyết tuyến tính hóa

+ Định nghĩa về giá trị danh nghĩa và giá trị nhiễu

Theo thuyết tuyến tính hóa nó có thể được viết dưới dạng là tổng của giá trị danh nghĩa (thường là hằng số) và nhiễu (là độ lệch so với giá trị danh nghĩa) Giá trị danh nghĩa ký hiệu với chỉ số dưới là 0 và giá trị nhiễu loạn nhỏ được thêm tiến

tố  Khi giá trị danh nghĩa có giá trị là 0 thì  được bỏ qua Tất cả các đại lượng nhiễu loạn và đạo hàm của chúng đều rất nhỏ và coi như bằng 0, vì vậy, bình phương và tích của chúng cũng được bỏ qua và tương đương với các đại lượng bậc

một

Điều kiện bay tham chiếu được giả thiết với điều kiện cân bằng và không có

vận tốc góc, do đó, v0  p0 q0 r0  0  0 Vì hệ trục tọa độ cân bằng được chọn làm chuẩn nên 0  0, u0 bằng với tốc tốc độ bay, 0 bằng với góc lấy độ cao

Ta có công thức như sau:

Dạng tổng = giá trị danh nghĩa + nhiễu

Động lực học vật rắn có thể được tuyến tính bằng cách sử dụng thuyết tuyến tính hóa như sau

- Điều kiện cân bằng

Nếu lực khí động học và momen, vận tốc, góc và điều khiển đầu vào được xác định giống như giá trị danh nghĩa và nhiễu ττ 0  δ τ , νν 0  δ ν và η η 0  δ η thì điểm cân bằng của máy bay sẽ thỏa mãn công thức sau: (giả sửv0  0)

(Θ)]   

m[UQWRVgsin X

 m U[ 0  (u Q0q W)( 0w) (  R0r V)( 0v) gsin(Θ   )]  X0 X

(2.36)Với U U0 u , QQ0 q , W W0w , RR0r , V V0v ,    0  ,

[ (Θ ) ]   

m u Q w W q  wqR v V r vrgcos   X (2.39)

Nếu giả sử ta bỏ qua các số hạng bậc 2 wq và vr, khi đó phương trình tuyển tính

hóa thành

[ (Θ ) ]   

m u Q w W q  R v V r gcos    X (2.40)

- Phương trình không gian trạng thái tuyến tính cho máy bay

Nếu tất cả các bậc tự do được tuyến tính, các phương trình trạng thái bao gồm :

m v U r R u W p P w gcos cos gsin sin Y

m w V p P v U q Q u gcos sin gsin cos Z

Ma trận N RB có ma trận đường chéo chính là các ma trận động lượng suy rộng và

ma trận momen động lượng suy rộng

Phương trình (2.45) là phương trình động học máy bay sau khi đã tuyến tính

+ Tuyến tính h a phương trình trạng thái dựa trên hệ tọa độ tốc độ và hệ tọa

độ cân bằng

Có thể lựa chọn một phương trình không gian trạng thái được bao gồm α và β như một biến trạng thái Nếu giả sử rằng α và β rất nhỏ ta có cos(β) 1 và sin(β) β

Do đó, (2.17) sẽ trở thành:

Vector không gian trạng thái được mô tả các chuyển động trong 6 bậc tự do Liên

hệ giữa vectơ vận tốc liên kết:

Trong trường hợp tuyến tính có thể chuyển sang hệ tọa độ cố định với phương trình không gian trạng thái như sau [7]:

 

ν Fν Gu (2.56)

x Ax Bu (2.57)

A = T FT , B = T G (2.58) Khi V T 0  công thức chuyển đổi trên sẽ trở nên phức tạp hơn Phương trình không gian trạng thái chuyển đổi thường được sử dụng cho việc chế tạo hàng không

2.3.2 Phân chia chuyển động của UAV

a Phân chia chuyển động của UAV

Đối với một mẫu máy bay nó thường được giả sử rằng các phần theo chiều dọc (có

số bậc tự do là 1, 3 và 5) được tách từ các trạng thái ngang (có số bậc tự do là 2,4

và 6) Giả sử mấu chốt là phần thân máy bay là dạng tấm có nghĩa là chiều dài lớn hơn chiều rộng và chiều cao của máy bay Nó cũng được giả sử rằng vận tốc theo chiều dọc cũng lớn hơn vận tốc dọc trục và vận tốc ngang

Để có thể tách được phương trình động học vật rắn theo chiều dọc và phần bên của

mô hình ta sẽ giả sử các biến trạng thái , ,v p r và được loại bỏ theo chiều dọc trong khi các biến , ,u w q và được loại bỏ theo chiều phần bên Điều này cho ta hai hệ thống con như sau:

+ Phương trình chuyển động dọc

Chuyển động dọc là chuyển động tịnh tiến theo trục Oxb và trục Ozb, chuyển động quay quanh trục Oyb Do đó, phương trình động lực học chuyển động dọc trong hệ tọa độ liên kết được lấy từ (2.41) gồm 3 thành phần: