Xây dựng bộ ổn định và thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho UAV cánh bằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ LÊ NGỌC LÂN XÂY DỰNG BỘ ỔN ĐỊNH VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO UAV CÁNH BẰNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ LÊ NGỌC LÂN XÂY DỰNG BỘ ỔN ĐỊNH VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO UAV CÁNH BẰNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS-TS, Đại tá Nguyễn Vũ TS, Thượng tá Hoàng Minh Đắc Hà Nội – 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác, liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Tác giả luận án Lê Ngọc Lân ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới hai thầy hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Vũ - Phó cục trưởng Cục Khoa học quân sự/BQP TS Hồng Minh Đắc Trưởng phịng Thí nghiệm tên lửa - Viện Tên lửa tận tình hướng dẫn, bảo tạo điều kiện tốt đề tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Viện Khoa học Công nghệ quân sự, Phịng Đào tạo - Viện Khoa học Cơng nghệ quân sự, Viện Tự động hóa KTQS Viện Kỹ thuật PK-KQ tạo điều kiện thuận lợi từ sở vật chất, trang thiết bị giúp hồn thành chương trình đào tạo thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn chuyên gia, nhà khoa học, bạn đồng nghiệp đóng góp nhiều ý kiến q báu giúp tơi hồn thiện luận án Cuối xin gửi lời cảm ơn tới gia đình: bố mẹ, vợ hai gái tạo điều kiện thời gian, vật chất nguồn lực tinh thần to lớn cho tơi vượt qua khó khăn, tập trung nghiên cứu hoàn thành luận án iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xi MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO UAV CÁNH BẰNG VÀ BỘ ỔN ĐỊNH CƠ BẢN 11 1.1 Các hệ tọa độ phương trình lượng giác 11 1.1.1 Các hệ tọa độ sử dụng luận án 12 1.1.2 Các phương trình mơ tả quan hệ lượng giác 13 1.2 Mơ hình động học UAV cánh 17 1.2.1 Mơ hình động học phi tuyến đầy đủ UAV cánh 18 1.2.2 Phương trình động học theo kênh cho UAV cánh 25 1.2.3 Các hệ số khí động hệ số quán tính UAV 26 1.2.4 Các cấu điều khiển UAV cánh 28 1.3 Các giai đoạn bay cấu trúc hệ thống điều khiển UAV chiến đấu 29 1.3.1 Các giai đoạn bay thực nhiệm vụ UAV chiến đấu 29 1.3.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển UAV chiến đấu 30 1.4 Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước 31 1.5 Kết luận chương 37 CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP BỘ ỔN ĐỊNH ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING CHO UAV CÁNH BẰNG 39 2.1 Tổng hợp điều khiển Backstepping cho kênh dọc 39 2.1.1 Mơ hình UAV sử dụng kênh dọc (phục vụ điều khiển bám góc nghiêng quỹ đạo), với điều kiện giả thiết β0, v0 39 2.1.2 Tổng hợp điều khiển (bám góc nghiêng quỹ đạo) 40 2.2 Tổng hợp điều khiển Backstepping cho kênh ngang 48 iv 2.2.1 Mơ hình UAV sử dụng kênh ngang (phục vụ điều khiển bám góc nghiêng UAV) 48 2.2.2 Tổng hợp điều khiển (bám góc nghiêng UAV) 49 2.3 Mô đánh giá điều khiển tổng hợp 54 2.3.1 Mơ điều theo kênh dọc (bám góc nghiêng quỹ đạo) 54 2.3.2 Mô điều khiển theo kênh ngang (bám góc nghiêng) 58 2.4 Kết luận chương 61 CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN DẪN ĐƯỜNG BÁM QUỸ ĐẠO BAY THỰC HIỆN NHIỆM VỤ CHO UAV CÁNH BẰNG 63 3.1 Xây dựng tự động bám quỹ đạo hành trình cho UAV cánh 63 3.1.1 Hệ thống điều khiển bám đường quỹ đạo thiết lập quỹ đạo 64 3.1.2 Xây dựng phương pháp bám đường quỹ đạo đường thẳng 65 3.1.3 Xây dựng phương pháp bám đường quỹ đạo đường cong 70 3.1.4 Xây dựng điều chỉnh tham số khoảng cách đích ảo 72 3.1.5 Thiết lập quỹ đạo xây dựng phương pháp bám đường quỹ đạo không gian 74 3.1.6 Mô phỏng, đánh giá tự động bám quỹ đạo 76 3.2 Xây dựng luật dẫn cơng kích mục tiêu di động biển cho UAV 80 3.2.1 Xây dựng luật dẫn quỹ đạo cơng kích mục tiêu di động biển 80 3.2.2 Mô phỏng, đánh giá trình cơng kích mục tiêu di động biển cho UAV 86 3.3 Xây dựng tự động hạ cánh cho UAV 95 3.3.1 Các giai đoạn hạ cánh xây dựng quỹ đạo động hạ cánh 96 3.3.2 Xây dựng luật dẫn, điều khiển tự động bám quỹ đạo hạ cánh cho UAV 98 3.3.3 Mơ phỏng, đánh giá q trình tự động hạ cánh 105 3.4 Kết luận chương 110 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG TRÊN MÔ HÌNH PHI TUYẾN ĐẦY ĐỦ CỦA UAV CÁNH BẰNG 111 v 4.1 Xây dựng chương trình mơ đô ̣ng ho ̣c phi tuyế n UAV MatlabSimulink 111 4.1.1 Cấu trúc chương trình mơ động học phi tuyến đầy đủ UAV 112 4.1.2 Cấu trúc chương trình mơ điều khiển tổng hợp cho UAV 114 4.2 Mô UAV thực nhiệm vụ với kịch khác 117 4.2.1 Mô UAV bám quỹ đạo hành trình khơng gian 3D 118 4.2.2 Mơ phỏng q trình bay hành trình sau cơng kích mu ̣c tiêu biể n di đô ̣ng sử du ̣ng đô ̣ cao thấ p 120 4.2.3 Mơ bay hành trình bay tự động hạ cánh 122 4.3 Xây dựng hệ thống mô UAV thực nhiệm vụ 124 4.3.1 Xây dựng hệ thống mô UAV 124 4.3.2 Mô tổng thể UAV thực nhiệm vụ hệ thống mô UAV125 4.4 Kết luận chương 130 KẾT LUẬN 131 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 PHỤ LỤC 138 vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT x 1   y  z   Vị trí khơng gian 3D hệ tọa độ liên kết hệ tọa độ        Hướng hệ tọa độ liên kết hệ tọa độ mặt đất, tương      mặt đất – 3D position of the body-fixed frame expressed in the Earth-fixed frame ứng: góc nghiêng, góc chúc ngóc, góc hướng – Orientation of the body-fixed frame expressed in the Earth-fixed frame Vị trí khơng gian 3D hệ tọa độ liên kết hệ tọa độ     1   mặt đất Hướng hệ tọa độ liên kết hệ tọa độ mặt đất (hệ tọa độ dẫn đường) FE (OE xE yE zE) Fi (Oi xi yi zi) Hệ tọa độ địa tâm (ECEF) – Earth-Centered Earth-Fixed Frame Hệ tọa độ quán tính cố định nằm ngang- Inertia reference frame FB (OB xB yB zB) Hệ tọa độ liên kết – Body-fixed frame FV (OV xV yV zV) Hệ tọa độ trung gian – Vehicle-carried vertical frame FS (OS xS yS zS) Hệ tọa độ ổn định – Stability frame Fw (Ow xw yw zw) Hệ tọa độ tốc độ – Wind frame Ff (Of xf yf zf) Hệ tọa độ tốc độ hành trình – Flight-path frame (Ff) Ce (Te), ev Sai số bám dọc sai số bám ngang CD, CY, CL Hệ số lực cản dọc; hệ số lực cản ngang; hệ số lực nâng C D0 Hệ số lực cản diện α=0 CL f CD a CD CD CY e r Đạo hàm hệ số lực cản diện theo giảm tốc Đạo hàm hệ số lực cản diện theo góc cánh lái liệng Đạo hàm hệ số lực cản diện theo góc cánh lái lên xuống Đạo hàm hệ số lực cản diện theo góc cánh lái hướng Đạo hàm hệ số lực cản ngang theo góc β (hàm M) vii CY a Đạo hàm hệ số lực cản ngang theo góc cánh lái liệng CY r Đạo hàm hệ số lực cản ngang theo góc cánh lái hướng CYp Đạo hàm hệ số lực cản ngang theo tốc độ góc nghiêng CYr Đạo hàm hệ số lực cản ngang theo tốc độ góc hướng CL0 Hệ số lực nâng α=0 C L Đạo hàm hệ số lực nâng theo góc α CL f CL e Đạo hàm hệ số lực nâng theo góc giảm tốc Đạo hàm hệ số lực nâng theo góc cánh lái lên xuống C L Đạo hàm hệ số lực nâng theo tốc độ thay đổi góc α CLq Đạo hàm hệ số lực nâng theo tốc độ góc chúc ngóc Cl , C m , Cn Hệ số moment kênh nghiêng, hệ số moment chúc ngóc, hệ số moment kênh hướng Cl Đạo hàm hệ số moment kênh nghiêng theo góc β Cl Đạo hàm hệ số moment kênh nghiêng theo góc cánh lái liệng Cl Đạo hàm hệ số moment kênh nghiêng theo góc cánh lái hướng Đạo hàm hệ số moment kênh nghiêng theo tốc độ góc nghiêng a r Cl p C lr Đạo hàm hệ số moment kênh nghiêng theo tốc độ góc hướng C m0 Hệ số moment khí động chúc ngóc α=0,  e  C m Đạo hàm hệ số moment chúc ngóc theo góc α Cm Đạo hàm hệ số moment chúc ngóc theo giảm tốc f Cm e Đạo hàm hệ số moment chúc ngóc theo góc cánh lái lên xuống C m  Đạo hàm hệ số moment chúc ngóc theo tốc độ góc α Cmq Đạo hàm hệ số moment chúc ngóc theo tốc độ góc chúc ngóc Cn Đạo hàm hệ số moment kênh hướng theo góc β viii Cn a Đạo hàm hệ số moment kênh hướng theo góc cánh lái liệng Cn r Đạo hàm hệ số moment kênh hướng theo góc cánh lái hướng Cnp Đạo hàm hệ số moment kênh hướng theo tốc độ chúc ngóc C nr Đạo hàm hệ số moment kênh hướng theo tốc độ góc hướng D, Y, L Lực cản dọc, lực cản ngang, lực nâng e, AR e hệ số thực nghiệm phụ thuộc dạng cánh, AR hệ số dãn dài P Lực đẩy động PPlane (xplane, yplane, zplane) Tọa độ UAV hệ tọa độ dẫn đường , m, n Moment kênh nghiêng, moment ngóc, moment hướng m, Maircraft Trọng lượng UAV M Số Mach M , Mq , M  Thành phần moment chúc ngóc theo góc α, thành phần moment chúc ngóc theo tốc độ chúc ngóc, thành phần moment chúc ngóc theo góc cánh lái lên xuống e S, b, c Diện tích cánh, sải cánh, dây cung khí động trung bình  Mật độ khơng khí Tốc độ góc nghiêng, tốc độ góc chúc ngóc, tốc độ góc hướng p, q, r u, v, w raero , rCG , r prop hệ tọa độ liên kết Tốc độ dọc, ngang thẳng đứng hệ tọa độ liên kết Khoảng cách tâm khí động, trọng tâm tâm điểm đặt lực đẩy đến tâm O hệ tọa độ liên kết φ, λ, h Lần lượt vĩ độ, kinh độ, độ cao UAV hd Độ cao mong muốn UAV re ε re=6378137m bán kính trục trái đất (qua xích đạo) ε2=0.006694380004260827 hệ số lệch tâm trái đất 160 C.1.3.6 KHỐI CHUYỂN ĐỔI EULER SANG DCM Dưới hình ảnh khối chuyển đổi từ Euler sang DCM: C.1.4 TỔNG HỢP THAM SỐ QUÁN TÍNH, GIA TỐC, MOMENT C.1.4.1 KHỚI TỞNG HỢP LỰC Dưới hình ảnh khối tổng hợp lực, để tính tốn gia tốc thẳng: 161 C.1.4.2 KHỚI TỞNG HỢP THAM SỚ QUÁN TÍNH Dưới hình ảnh khối tổng hợp tham số quán tính: C.1.4.3 KHỚI TỞNG HỢP MOMENT Dưới hình ảnh khối tổng hợp moment tác động lên UAV: 162 C.1.5 MÔ HÌ NH KHÍ QUYỂN Dưới hình ảnh khối tính tốn tham số khí quyển: C.1.6 MƠ HÌ NH TRÁI ĐẤT Dưới hình ảnh khối tính tốn tham số mơ hình trái đất: 163 C.2 MƠ HÌ NH BỘ ĐIỀU KHIỂN TỔNG HỢP THỰC HIỆN NHIỆM VỤ CỦA UAV-MiG-21 TRÊN SIMULINK Trên hình vẽ hình ảnh điều khiển UAV-MiG-21 gồm thành phần chính: Bộ ổn định bản, điều khiển bám góc nghiêng quỹ đạo, điều khiển dẫn bám quỹ đạo hành trình, điều khiển dẫn bám quỹ đạo hạ cánh điều khiển động Các ổn định điều khiển xây dựng S-Function Simulink 164 C.2.1 CÁC BỘ ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING KÊNH DỌC KÊNH NGANG C.2.1.1 BỘ ỔN ĐỊNH Bộ ổn định viết S-Function, với tham số khí động lấy từ tính tốn tham số khí động C.2.1.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING KÊNH DỌC VÀ KÊNH NGANG Bộ điều khiển Backstepping kênh dọc Bộ điều khiển Backstepping kênh 165 ngang viết S-Function, với tham số khí động lấy từ tính tốn tham số khí động Như vây điều khiển bám góc nghiêng quỹ đạo theo phương pháp Backstepping bao gồm thành phần: Bộ điều khiển bám góc nghiêng quỹ đạo viết S-Function, tính tốn tham số khí động cho mơ hình sử dụng cho điều khiển bám góc nghiêng quỹ đạo tính tốn tham số α0 Bộ điều khiển Backstepping kênh ngang cung bao gồm: Bộ điều khiển viết S-Function Các tính tốn tham số khí động tham số điều khiển C.2.1.2 BỘ TÍNH TỐN CÁC THAM SỐ KHÍ ĐỘNG VÀ THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING - BỘ TÍNH TỐN THAM SỐ KHÍ ĐỘNG CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN 166 - BỘ TÍNH TỐN THAM SỐ MOMENT KHÍ ĐỘNG CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN 167 - BỘ TÍNH TỐN THAM SỐ LỰC KHÍ ĐỘNG CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN 168 - Bộ tính tốn tham số α0: Dưới hình ảnh tính tốn tham số α0 169 - Tính tốn tham số moment khí động cho điều khiển sử dụng tham số máy bay MiG-21 Dưới hình ảnh tính tốn hệ số moment khí động sử dụng cho mơ hình xây dựng ổn định: 170 C.2.2 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO HỖN HỢP CHO UAV Các điều khiển bám quỹ đạo hỗn hợp cho UAV xây dựng gồm: Bộ điều khiển bám quỹ đạo hành trình (PathFollowing3D), Bộ điều khiển bám cơng kích mục tiêu di động Bộ điều khiển tự động hạ cánh Các điều khiển xây dựng S-Function thể hình vẽ 171 C.2.3 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ THEO TAY GA Bộ điều khiển tốc độ theo tay ga viết S-Function, bao gồm điều khiển tay ga va điều khiển tốc độ đặt Bộ điều khiển thể hình vẽ 172 PHỤ LỤC D: HÀM ATAN2 - Mô tả: Hàm atan2(y,x) hay arctan2(y,x) hàm trả arctan hay hàm nghịch đảo tọa độ x tọa độ y xác định; góc tạo trục Ox đoạn thẳng tạo điểm xác định (x,y) với gốc tọa độ - Cú pháp: atan2(y, x); Trong đó: x tạo độ x điểm xác định y tạo độ y điểm xác định - Kết quả: atan2(y,x)= y arctan( ) x y arctan( )   x y arctan( )   x    Nếu x y  Nếu x y  Nếu x y   Nếu x y  Không xác định - Nếu x Nếu x y  Lưu ý: + Góc tính theo đơn vị radian nằm khoảng (-π, π) + Giá trị hàm trả dương góc quay ngược chiều kim đồng hồ tính từ trục Ox, giá trị âm thể góc quay chiều kim đồng hồ 173 PHỤ LỤC E: TÍNH TỐN LỰA CHỌN TỐC ĐỘ HẠ CÁNH CHO PHÉP Để lựa chọn tốc độ hạ cánh cho phép sở tính tốn sau: Vland  1,3.Vstall Vstall  2mg ρSCLmax Trong đó: m  M Aircraft trọng lượng UAV CLmax  1.302   1.225kg / m3 S=23m2 g=9.8m/s2 Một vài ví dụ tính tốn với trọng lượng hạ cánh khác cho UAVMiG-21: m=6000 kg Vstall=56.62; Vland=1.3Vstall=73.6m/s=264.9 km/h; m=6700 kg Vstall=59.83; Vland=1.3Vstall=77.78m/s=280 km/h; m=7000 kg Vstall=61.15; Vland=1.3Vstall=79.5m/s=286.2 km/h; m=7200 kg Vstall=62.02; Vland=1.3Vstall=80.6m/s=290 km/h 174 PHỤ LỤC F: HỆ THỐNG MƠ PHỎNG UAV Hệ thống mơ UAV xây dựng có hình ảnh hình chụp Trên hình ảnh thể hệ thống mơ UAV sử dụng tham số máy bay MiG-21 thực trình bay hành trình quay hạ cánh ... d Bộ điều khiển vòng (Bộ ổn định) thực điều khiển cánh lái UAV để bám tham số dẫn d, d Chúng tạo thành điều khiển bám quỹ đạo bay hỗn hợp (bộ điều khiển tổng hợp) cho UAV Bộ điều khiển bám quỹ. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ LÊ NGỌC LÂN XÂY DỰNG BỘ ỔN ĐỊNH VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO UAV CÁNH BẰNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển. .. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN DẪN ĐƯỜNG BÁM QUỸ ĐẠO BAY THỰC HIỆN NHIỆM VỤ CHO UAV CÁNH BẰNG 63 3.1 Xây dựng tự động bám quỹ đạo hành trình cho UAV cánh 63 3.1.1 Hệ thống điều khiển bám đường quỹ