Về một thuật toán điều khiển bám mục tiêu di động trên mặt đất sử dụng UAV cánh bằng

Quan sát mục tiêu di động trên mặt đất từ UAV đòi hỏi phải bám sát được mục tiêu và giữ mục tiêu trong một dải khoảng cách nhất định cho phép. Nhiều phương pháp bám đã được đề xuất nhưng mỗi phương pháp chỉ thích hợp cho một dải tốc độ nhất định của mục tiêu.

Nghiên cứu khoa học cơng nghệ VỀ MỘT THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN BÁM MỤC TIÊU DI ĐỘNG TRÊN MẶT ĐẤT SỬ DỤNG UAV CÁNH BẰNG Phạm Thị Phương Anh1*, Nguyễn Vũ2 Tóm tắt: Quan sát mục tiêu di động mặt đất từ UAV đòi hỏi phải bám sát mục tiêu giữ mục tiêu dải khoảng cách định cho phép Nhiều phương pháp bám đề xuất phương pháp thích hợp cho dải tốc độ định mục tiêu Để khắc phục nhược điểm nêu trên, báo đề xuất thuật tốn bám mục tiêu di động thích hợp cho dải tốc độ mục tiêu với điều kiện tốc độ mục tiêu nhỏ tốc độ UAV Các kết kiểm chứng mơ phần mềm Matlab Từ khóa: Bám theo điểm ảo; Bám đường, Bám loitering; Mục tiêu di động mặt đất; UAV cánh MỞ ĐẦU Hiện nay, việc ứng dụng flycam trở thành phổ biến, nhiên, UAV cánh số trường hợp lựa chọn để thực nhiệm vụ bám sát mục tiêu Đối với bám theo đường quỹ đạo nhiều thuật toán đề xuất bám theo điểm ảo, theo trường vecto, [1, 3] Các thuật tốn xây dựng quỹ đạo bám khơng quan tâm đến tốc độ UAV Khác với bám theo đường quỹ đạo, bám sát mục tiêu di động mặt đất cần quan tâm đến tốc độ UAV mục tiêu Đối với mục tiêu di chuyển chậm phương pháp loitering áp dụng [2] Đối với mục tiêu di chuyển nhanh phương pháp hộ tống (convoying) đề cập [4],… nhiên, cần biết quỹ đạo hướng mục tiêu Phương pháp bám (flollowing) sử dụng [5] phù hợp với mục tiêu có tốc độ lớn tốc độ nhỏ UAV Một số nghiên cứu đề cập tới thuật toán dẫn hiệu tạo chuỗi điểm dấu để UAV bám theo [6] Các điểm dấu tính tốn vào vị trí tương đối hướng tương đối UAV mục tiêu Để khắc phục nhược điểm này, loitering kết hợp với đường quỹ đạo đề cập SỬ DỤNG CAMERA PAN-TIL ĐỂ XÁC ĐỊNH THAM SỐ CHUYỂN ĐỘNG CỦA MỤC TIÊU 2.1 Xác định tọa độ mục tiêu di động mặt đất nhờ pan-til camera đặt UAV Để xác định tọa độ mục tiêu di động mặt đất từ camera pan-til đặt UAV, UAV cần có hệ thống điều khiển cho hình ảnh mục tiêu nằm ống kính camera Để đơn giản hóa phép tính báo sử dụng giả thiết rằng, hệ thống tự động bám ảnh đảm bảo cho hệ thống pan-til camera giữ hình ảnh mục tiêu tâm trường nhìn Sử dụng hệ thọa độ sau: hệ tọa độ địa lý mặt đất G hệ tọa độ có trục OX g hướng lên phía Bắc, OZ g hướng lên phía Đơng OYg hướng lên trên; hệ trục tọa độ gắn liền B gắn với UAV; hệ tọa độ phương vị A gắn với hệ pan-til hệ tọa độ có trục OX a OZa nằm mặt phẳng OXb Zb hệ tọa độ gắn liền, trục Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 77 Kỹ thuật điện tử OYa trùng với trục OYb mặt phẳng OX aYa chứa trục quang học camera nhận từ hệ tọa độ gắn liền cách quay góc 2 theo trục OYb ; Hệ tọa độ tầm E hệ tọa độ nhận từ hệ tọa độ phương vị A cách quay xung quanh trục OZa góc 3 theo trục OZa Hệ tọa độ gắn liền có góc Ơle theo thứ tự 2-3-1 so với hệ tọa độ mặt đất địa lý , ,  Ký hiệu ma trận quay từ hệ tọa độ mặt đất sang hệ tọa độ gắn liền là: c.c s c.s    B CG   c.s.c  s.s c.c c.s.s  s.c   s.s.c  c.s  s.c  s.s.s  c.c  Ma trận quay từ hệ tọa độ gắn liền sang hệ tọa độ phương vị là: c2  s2  CBA     s2 c2  Ma trận quay từ hệ tọa độ phương vị sang hệ tọa độ tầm: (1) (2)  c3 s3  C    s3 c3  (3)  0  Ngoài ra, UAV cịn có khí áp kế để đo độ cao tọa độ xác định hệ thống dẫn đường Trong báo hệ thống đo cho xác Tọa độ UAV  xu , h u , zu  Khoảng cách từ UAV đến mục tiêu tham số xác định sau Tuy nhiên khoảng cách D, với giả thiết trên, tọa độ UAV xác định sau: E A  xT   D   xu   y   C B  C A  C E     h  (4)  T  G  B   A     u  zT     zu  Từ (4) xác định tọa độ mục tiêu với giả thiết khoảng cách từ mục tiêu đến UAV D Giả sử dựa vào đồ địa hình ta biết độ cao thực tọa độ mục tiêu yT Khi đó, tọa độ mục tiêu là:  xT   xT  y  y   T  y  (5)  T y  T TD  zT   zT  D 2.2 Xác định tham số chuyển động mục tiêu Bằng thuật toán (4) (5) xác định tọa độ mục tiêu hai điểm Giả sử độ cao thay đổi Khi cần quan tâm đến xT yT Tại thời điểm thứ nhất, ta có xT  t1  , zT  t1  78 P T P Anh, N Vũ, “Về thuật toán điều khiển … sử dụng UAV cánh bằng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Tại thời điểm thứ nhất, ta có xT  t2  , zT  t2  Khi đó, ta có: xT  t2   xT  t1   vTx  t2  t1    v  zT  t2   zT  t1   Tz t2  t1  (6)   Góc hướng chuyển động mục tiêu là: T =-atan2 vTz , vTx (7) Góc hướng chuyển động UAV xác định hệ thống dẫn đường Để thuận tiện tính tốn sau này, khơng tính tổng qt, lấy góc hướng tương đối mục tiêu góc 0o Khi đó, vTx  vu ; vTz  ; góc hướng UAV góc hướng UAV hệ tọa độ địa lý mặt đất quay góc T (7) XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ BÁM CHO UAV 3.1 Chế độ loitering Như trình bày trên, chế độ bám mục tiêu di động mặt đất phụ thuộc nhiều vào tốc độ mục tiêu Đối với mục tiêu đứng im chuyển động chậm, phương pháp loitering phù hợp Tuy nhiên, tốc độ cao phương pháp khơng phù hợp Điều xác định mơ xác định tính tốn lý thuyết Giả sử vận tốc UAV vu ,vận tốc mục tiêu vT , vận tốc gió vw , bán kính quay vịng hẹp UAV r , bán kính loitering, hay hình chiếu khoảng cách mong muốn UAV mục tiêu R Khi chế độ mục tiêu đứng im vận tốc gió Khi đó, hình chiếu quỹ đạo chế độ loitering lên mặt phẳng nằm ngang thể hình 1a Khi mục tiêu chuyển động, hình chiếu quỹ đạo chế độ loitering lên hệ tọa độ gắn liền với mục tiêu thể hình 1b Hình a) Hình chiếu quỹ đạo chế độ loitering lên mặt phẳng nằm; b) Hình chiếu quỹ đạo chế độ loitering lên hệ tọa độ gắn liền với mục tiêu Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 79 Kỹ thuật điện tử Tại vị trí I có: vuT1  vu  vT (8) vận tốc tương đối UAV với mục tiêu thời điểm UAV chuyển động chiều song song với quỹ đạo mục tiêu với góc quan sát đến mục tiêu  / Tại vị trí II có: vuT1  vu  vT (9) vận tốc tương đối UAV với mục tiêu thời điểm UAV chuyển động ngược chiều song song với quỹ đạo mục tiêu với góc quan sát đến mục tiêu  / Để đảm bảo quỹ đạo hình trịn, góc quay UAV vị trí II là: u  vuT2 R (10) vu (11) r Như vậy, để không bị ảnh hưởng bới giới hạn bán kính quay nhỏ nhất, điều kiện sau phải thỏa mãn: (12) u  max Trong góc quay lớn UAV là: max  vu  vT v  u R r hay: (13) vu ( R  r ) (14) r v ( R  r ) hay: (15) vTmax  u r Ngồi ra, để UAV bám sát mục tiêu: vu  vTmax (16) Điều kiện (8) (9) điều kiện áp dụng chế độ loitering bám sát mục tiêu động Trong trường hợp có gió đặc biệt gió ngược chiều với chuyển động mục tiêu, giá trị vận tốc tương đối UAV thời điểm hình là: vT  suy ra: Tại vị trí I có: vuT1  vu  vT  vw (17) Tại vị trí II có: vuT2  vu  vT  vw (18) Tương tự điều kiện (8) (9): v ( R  r ) vTmax  u  vw max r vu  vTmax  vw max (19) (20) Điều kiện (19) (20) điều kiện tổng quát đảm bảo khả bám sát mục tiêu Tuy nhiên, UAV hoạt động dải khác nên cụ thể hóa dải tốc độ sau: 80 P T P Anh, N Vũ, “Về thuật toán điều khiển … sử dụng UAV cánh bằng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ vTmax  vumin ( R  r ) vumax  vw max r  vTmax  vwmax (21) (22) Để mô kiểm chứng kết luận trên, phần sử dụng dải tốc độ UAV để tiến hành bám mục tiêu di động mặt đất với giới hạn bán kính vịng quay nhỏ r , vận tốc nhỏ vumin kiểm tra bán kính vịng quay nhỏ r 3.2 Chế độ bám theo đường quỹ đạo dao động Chế độ bám chế độ thường dùng bám theo mục tiêu di động mặt đất Tuy nhiên, mục tiêu di chuyển với vận tốc nhỏ UAV nên cần phải tạo quỹ đạo phù hợp để UAV bám theo quỹ đạo giữ khoảng cách với mục tiêu dải khoảng cách cho phép Một số tác giả đề xuất quỹ đạo hình sin, nhiên, quỹ đạo thiết lập tương đối phức tạp Để xây dựng quỹ đạo, trình bày phương pháp bám theo đường quỹ đạo kép Định nghĩa: Đường quỹ đạo dao động kép hai đường thẳng song song có khoảng cách thay đổi theo thuật toán xác định UAV thực chế độ bám theo đường theo thuật tốn dẫn đường xác định trước Để xây dựng đường quỹ đạo kép, thuật toán dẫn đường cho UAV sử dụng quỹ đạo Dubin [7], đó, mối quan hệ hướng mong muốn thể công thức:  d  sgn  d    d  r   d  d     arcsin 1    sgn  d    d  r 2 r     Ở đó, d khoảng cách đến đường quỹ đạo;  d góc hướng mong muốn UAV; T góc hướng thực UAV Trong trường hợp T  d ; UAV quay sang phải với bán kính r , trường hợp ngược lại quay sang trái với bán kính r Hình Sơ đồ UAV bám theo quỹ đạo Dubin Giả sử d  2r , đó, đường quỹ đạo thực UAV đường quỹ đạo kép thể hình đây: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 81 Kỹ thuật điện tử Hình Sơ đồ quỹ đạo UAV bám theo đường quỹ đạo kép Theo hình 3, UAV từ điểm A đến điểm B quãng đường quỹ đạo AB, quãng đường thực tế UAV bay là: lu  4.r. (23) Trong đó,  góc chắn cung trịn quỹ đạo UAV từ đường quỹ đạo mục tiêu đến hai đường quỹ đạo kép Quãng đường chiếu xuống đường quỹ đạo mục tiêu là: (24) luT  4.r.sin  khoảng cách hai đường l1 l2 là: (25) d  2.r.(1  cos) Giả sử, vu vận tốc UAV, vT vận tốc mục tiêu Khi đó, khoảng thời gian T mà UAV bay từ điểm A đến điểm B mục tiêu di chuyển quãng đường là: 4.r. (26) LT  vT vu sau chu kỳ, khoảng cách UAV mục tiêu thay đổi sau: v (27) L  LT  luT  4.r.sin   T 4.r. vu Theo (5), khoảng cách UAV mục tiêu lớn khoảng cách mong muốn,  phải nhỏ để UAV đuổi kịp mục tiêu, khoảng cách UAV mục tiêu khoảng cách mong muốn L  để trì khoảng cách UAV mục tiêu không đổi sau chu kỳ Khi khoảng cách UAV mục tiêu nhỏ khoảng cách mong muốn L  để UAV lùi dần xa mục tiêu, hay  phải tăng lên Như vậy, khoảng cách UAV mục tiêu khoảng cách mong muốn Rd ,  xác định từ phương trình lượng giác: v (28) sin   T   vu Sử dụng khai triển taylor để giải phương trình này, khai triển sin  đến số hạng thứ 2: 3 sin     (29) Với (29) phương trình (28) là: 82 P T P Anh, N Vũ, “Về thuật toán điều khiển … sử dụng UAV cánh bằng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ  3 vT   vu Và giá trị góc gần  là: 0  (30)  vu  vT  vu (31) Với  xác định (31) xác định gần theo khai triển taylor: 2 v v d0  r  r.cos 0  r  3.r u T (32) vu Tuy nhiên, trình bám theo hai hai đường l1 l2 có sai số ảnh hưởng ngẫu nhiên, ngồi ra, tính gần nên ảnh hưởng đến sai số bám Để điều chỉnh giá trị d , đề xuất thuật tốn thích nghi Giả sử thời điểm ti , mục tiêu qua điểm Ai , tham số hệ thống bám Ri , d i thời điểm ti 1 mục tiêu qua điểm Ai 1 tham số hệ thống Giả sử thời điểm t , khoảng cách mục tiêu UAV tiến đến giá trị Rd (quá trình tiếp cận mục tiêu), sau tính tốn giá trị d khoảng cách đường quỹ đạo Mục tiêu bám sát đường quỹ đạo bên trái l1 , sau đó, chuyển sang bám theo đường quỹ đạo bên phải l2 quay bám theo đường quỹ đạo bên trái gặp đường quỹ đạo mục tiêu l0 thời điểm A1 với khoảng cách đến mục tiêu R1 , thời điểm cần tiếp tục tính khoảng cách d1 cho chu kỳ bám sau Có hai cách tính: tính trực tiếp d tính gia số d Hình Sơ đồ minh họa q trình bám Tính trực tiếp: Xác định tham số bám R1  R1  Rd (33) Để chu kỳ khoảng cách từ UAV tới mục tiêu Rd điều kiện sau cần thảo mãn: L  R1 (34) Từ (27) (34) ta có: 4.r.(sin   vT )  R1 vu (35) Tiếp tục áp dụng phương pháp khia triển taylor, từ (35) nhận được: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 83 Kỹ thuật điện tử v  3  (36)   4.r  T    R1   vu  Phương trình (36) giải phương pháp nhích dần Để đơn giản tính tốn, sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi để xác định  d Độ lệch khoảng cách tính tốn UAV mục tiêu sau chu kỳ là: v (37) L  LT  LTu  4.r.sin i  T i vu  Hay   v   L    4.r 1  T   2.r.i2  i   vu   (38) Gia số độ lệch chu kỳ xác định theo độ lệch khoảng cách thực UAV mục tiêu: R  Ri  Ri 1 (39) Sai số độ lệch tính tốn độ lệch thực là: p  L  R (40) Hướng thích nghi hệ thống cho gia số độ lệch sau chu kỳ hiệu sai số p Như vậy, theo (40) (38)  xác định sau: p i 1  (41)  vT  4.r 1    2.r.i  vu  Và từ (25) gia số khoảng cách hai đường quỹ đạo động là: di 1  2.r.sin i i 1 (42) Lấy gần theo chuỗi Taylor ta có:  3  di 1  2.r  i  i  i 1   Khi đó: i 1  i  i di 1  di  di 1 (43) (44) Các biểu thức (31), (32), (38), (39), (40), (43) tạo thành thuật toán xây dựng đường quỹ đạo dao động cho UAV bám theo mục tiêu theo chế độ bám đường Thuật toán cụ thể sau: Sử dụng camera cảm biến UAV, xác định tọa độ tham số chuyển động mục tiêu, xác định đường quỹ đạo mục tiêu Điều khiển UAV bám theo đường quỹ đạo khoảng cách UAV mục tiêu giảm đến khoảng cách mong muốn Rd Xác định  (31) thiết lập đường quỹ đạo động kép có khoảng cách d (32), xác định tham số d , R0  Rd Điều khiển UAV bám theo đường quỹ đạo bên trái, khoảng cách đến 84 P T P Anh, N Vũ, “Về thuật toán điều khiển … sử dụng UAV cánh bằng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ đường quỹ đạo "0" chuyển sang bám theo đường quỹ đạo bên phải, khoảng cách đến đường quỹ đạo "0" đảo chiều quay lại bám theo đường quỹ đạo bên trái Khi đến điểm giao với đường quỹ đạo mục tiêu xác định Ri ; tính tốn số góc chắn cung trịn i1 (40), tính tốn gia số khoảng cách hai đường quỹ đạo động Xác định i1 di 1 theo (43) Lặp lại bước có lệnh MƠ PHỎNG 4.1 Mô chế độ bám loitering Với giải thiết ban đầu sau: R  400m ; r  320m ; vu  40 m s Hình Quỹ đạo bám UAV theo chế độ loitering Hình Giá trị góc tốc độ góc UAV bám theo chế độ loitering với vận tốc mục tiêu lớn vT  30 m s Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 85 Kỹ thuật điện tử Nhận xét: Kết mô cho thấy, trường hợp a,b với tốc độ mục tiêu nhỏ bán kính đường quỹ đạo UAV đủ lớn để UAV thực Đối v 40 với hình 5c bán kính đường cua nhỏ R    100m nhỏ bán kính quay  0, cho phép UAV (400m), đó, khơng thể bám theo chế độ loitering vận tốc mục tiêu lớn 4.2 Chế độ bám theo đường quỹ đạo dao động Hình Quỹ đạo UAV theo chế độ bám theo quỹ đạo dao động Hình Tốc độ góc UAV bám theo chế độ đường quỹ đạo dao động Nhận xét: Kết mô tốc độ mục tiêu lớn UAV thực bám v 40 theo chế độ quỹ đạo dao động ( R    400m )  0,1 KẾT LUẬN Các thuật toán đề xuất báo cho thấy, việc bám sát mục tiêu di động mặt đất sử dụng UAV hoàn toàn khả thi, đồng thời dựa theo tham số UAV mục tiêu, sử dụng thuật toán phù hợp Thuật toán bám sát theo chế độ bám đường với đường quỹ đạo kép phương pháp điều khiển thích nghi xây dựng đơn giản dễ thực Các kết đưa vào áp dụng thực tế phục vụ quan sát, trinh sát theo dõi mục tiêu di động mặt đất có tốc độ nhỏ tốc độ UAV với độ ổn định khoảng cách cao, đồng thời, thỏa 86 P T P Anh, N Vũ, “Về thuật toán điều khiển … sử dụng UAV cánh bằng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ mãn điều kiện (15) áp dụng chế độ loitering, cịn khơng áp dụng thuật tốn bám theo đường quỹ đạo kép Tuy nhiên, bám theo đường quỹ đạo kép trình bám mục tiêu, khoảng cách UAV mục tiêu thay đổi, nghĩa có sai số bám Để đảm bảo chất lượng hình ảnh bám cần chọn hệ quang học phù hợp tiếp tục nghiên cứu phát triển thuật toán bám sát TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D Nelson, D Barber, T McLain, and R Beard, “Vector field path following for miniature air vehicles,” IEEE Transactions on Robotics, pp 519–529, June 2007 [2] V.N Dobrokhodov.I.Kaminer,and K.D.Jones, “Vision -based tracking and motion estimation for moving targét using UAV” Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 31(4):907-917, July-August 2008 [3] Pham Thị Phương Anh, Nguyễn Vũ, Phan Tương Lai, “Về thuật toán bám đường cho UAV”, Nghiên cứu KH&CN quân (số 55, tháng 6/2018) [4] T.H.Summer, M.R Akella and M.J.Mears , “Coordinated standof tracking of moving tarfet;Control laws and information architecture,” Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 32(1):56-59, January-Feb 2009 [5] J.Lee, R.Huang, A.Vaughn, X.Xiao, “ Strategies of path-planing for a UAV to track a ground vehice”, In the second Annual Symposium on Autonomous Intelligent Network and sytems, Menlo Park, CA, Fune 30- July 2003 [6] X.Fu, H.Feng, X.Xiao, “ UAV mobile ground target tracking pursuit algorithm”, Journal of Intelligent & Robotics Sysstem, 68(3-4):359-371, December 2012 [7] L E Dubins, “On curves of minimal length with a constraint on average curvature and with prescribed initial and terminal positions and tangents,” American Journal of Mathematics, vol 79, p 497516,1957 ABSTRACT ON THE METHOD OF GROUND TARGET TRACKING CONTROL FOR FIXED-WING UAV Observing ground moving targets by UAVs requires acquisition and tracking within the range of spotting Many methods of path following have been proposed, but each method is only suitable for one specific speed range of the target In order to solve this issue, the method of ground moving target tracking control at a speed less than that of UAV is proposed in the article The results will be checked by simulation on Matlab Keywords: Fixed-wing UAV; Path following; Loitering tracking mode; Vertual target tracking Nhận ngày 30 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 24 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 28 tháng năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Tự động hóa KTQS, Viện Khoa học Công nghệ quân sự; Cục Khoa học Quân sự/BQP * Email: ptpanh2003@yahoo.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, - 2020 87 ... mô tốc độ mục tiêu lớn UAV thực bám v 40 theo chế độ quỹ đạo dao động ( R    400m )  0,1 KẾT LUẬN Các thuật toán đề xuất báo cho thấy, việc bám sát mục tiêu di động mặt đất sử dụng UAV hoàn... trinh sát theo dõi mục tiêu di động mặt đất có tốc độ nhỏ tốc độ UAV với độ ổn định khoảng cách cao, đồng thời, thỏa 86 P T P Anh, N Vũ, ? ?Về thuật toán điều khiển … sử dụng UAV cánh bằng. ” Nghiên... thành thuật toán xây dựng đường quỹ đạo dao động cho UAV bám theo mục tiêu theo chế độ bám đường Thuật toán cụ thể sau: Sử dụng camera cảm biến UAV, xác định tọa độ tham số chuyển động mục tiêu,