Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển cho UAV trong kênh chuyển động dọc ứng dụng logic mờ

Bài viết xây dựng bộ điều khiển mờ cho máy bay không người lái (UAV) trong mặt phẳng đứng. Với hai biến đầu vào là sai lệch về độ cao và sai lệch về tốc độ thẳng đứng, bộ điều khiển mờ sử dụng trong hệ thống nhằm ổn định độ cao bay cho UAV.

Tên lửa & Thiết bị bay NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO UAV TRONG KÊNH CHUYỂN ĐỘNG DỌC ỨNG DỤNG LOGIC MỜ Bùi Xuân Khoa*, Vũ Hoàng Sơn Tóm tắt: Bài báo xây dựng điều khiển mờ cho máy bay không người lái (UAV) mặt phẳng đứng Với hai biến đầu vào sai lệch độ cao sai lệch tốc độ thẳng đứng, điều khiển mờ sử dụng hệ thống nhằm ổn định độ cao bay cho UAV Mơ hình xây dựng môi trường MatLab&Simulink, kết mô so sánh với điều khiển kinh điển PID cho thấy tính thích nghi cao hơn, giúp UAV mở rộng khả hoạt động Từ khóa: Điều khiển thơng minh; Điều khiển mờ; Máy bay không người lái (UAV) ĐẶT VẤN ĐỀ Logic mờ (Fuzzy logic) trở nên ngày phổ biến, ứng dụng nhiều lĩnh vực, quân lẫn dân sự, làm nhiệm vụ trinh sát, giám sát từ xa, thăm dò địa chất, Không giống điều khiển (BĐK) thơng thường, điều khiển mờ khơng dựa mơ hình tốn học hệ thống Thay vào đó, điều khiển mờ điều khiển đối tượng cho phù hợp với hành vi mong muốn Đối với hệ thống phức tạp, việc thành lập mơ hình tốn học vơ khó khăn, đó, việc sử dụng BĐK truyền thống không thể, trường hợp sử dụng BĐK logic mờ thích hợp hữu ích [5] UAV đối tượng có tính phi tuyến cao hệ khơng dừng Những nghiên cứu gần đưa nhiều ý tưởng thiết kế BĐK cho UAV [7] Khi sử dụng BĐK kinh điển, cần phải biết xác thơng số đặc tính UAV Hơn nữa, BĐK xác giai đoạn tuyến tính cịn giai đoạn phi tuyến khơng cịn phù hợp Trong báo này, nhóm tác giả đề xuất việc ứng dụng logic mờ để thiết kế BĐK thay BĐK kinh điển cho UAV XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO UAV 2.1 Mơ hình tốn UAV chuyển động dọc Khi xét chuyển động UAV mặt phẳng đứng sử dụng số giả thiết sau: coi chuyển động UAV toán chuyển động vật rắn với đặc tính khí động cho trước, bỏ qua yếu tố đàn hồi biến dạng kết cấu; bỏ qua sai số tĩnh động cảm biến đo chuyển động UAV Hình Chuyển động UAV mặt phẳng đứng Dựa việc phân tích lực mơ men tác động lên UAV, thiết lập hệ phương trình chuyển động UAV không gian, gồm trường hơp:  Trong trường hợp khơng có nhiễu động gió tác động, đó, véc tơ khơng tốc Vr trùng 38 B X Khoa, V H Sơn, “Nghiên cứu xây dựng điều khiển … ứng dụng logic mờ.” Nghiên cứu khoa học công nghệ    với véc tơ địa tốc Vk ( Vr  Vk ) hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động dọc UAV hệ phương trình [1, 6] Trong đó:  - Góc nghiêng quỹ đạo;  - Góc chúc ngóc;  - Góc tấn; m - Khối lượng UAV; Vr - Tốc độ tương đối UAV so với khơng khí;Vk - Tốc độ tuyệt đối UAV so với mặt đất tính hệ tọa độ quỹ đạo Oxkykzk; Jz - Mơ men qn tính UAV theo trục Oz hệ tọa độ liên kết Oxyz; z - Tốc độ góc UAV quanh trục Oz; mz - Các hệ số mô men không thứ nguyên; ρ - Khối lượng riêng khơng khí; S - Diện tích cánh UAV; T - Lực kéo; ba - Dây cung khí động trung bình; Cy, Cx - Hệ số lực nâng hệ số lực cản UAV;  c - Góc lệch cánh lái độcao; hdc - Độ cao động so với trục dọc UAV   dVk   V  T cos   C x ( r ) r S  G sin  m     dt      V b d mVk  T sin    C y ( r )  Cy z  z a  C y c  c  C ydng  r S  G cos  dt Vr      Vr2  J  d  z   (m c   m z  ba  m  m  m ) .S ba  T hdc z z c z z zo z  z _ dng    Vr (1)   dt   dx  o  Vk cos  dt  dyo  Vk sin    dt  d  dt   z ;      Trong trường hợp có nhiễu động gió tác động, véc tơ không tốc Vr lệch so với véctơ  địa tốc Vk góc  w Khi đó, hệ phương trình mơ tả chuyển động dọc UAV sau:   dVk   (Vk2  Wy2 ) S  G.sin  m    T cos   C x ( r )   dt      (V  W ) ba d  k y c z   C y  c  C ydng  S  G cos  mVk dt  T sin    C y ( r )  C y  z 2  Vk  Wy       (V  W )   dz   c ba k y z   J z   m   m   m  m S ba  T hdc z z z z _ dng 2 (2)   dt   z c  V  W k y     dx  o  Vk cos  dt  dyo  Vk sin    dt  d  dt   z ;     2.2 Ứng dụng Logic mờ thiết kế điều khiển cho UAV Điều khiển UAV kênh chuyển động dọc chất điều khiển ổn định độ cao bay cho UAV Ở chế độ bay hành trình, để trì độ cao đặt trước cho UAV, vịng điều khiển kín sử dụng BĐK mờ Thuật toán BĐK mờ kênh điều khiển độ cao sau [2]: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 39 Tên lửa & Thiết bị bay uc  fuzzy(H , H )  u yo  kcd z (3) đó: u yo - Tín hiệu điều khiển theo chương trình hay tín hiệu điều khiển cánh lái độ cao bay có góc lệch cánh lái  cbb ; kcd - Hệ số cản dịu kênh dọc; Hth - Độ cao thực UAV bay; H0 - Độ cao theo chương trình;  H  Hth  H ; fuzzy() - Hàm phi tuyến sai số theo độ cao theo thành phần vận tốc thẳng đứng, nhận logic mờ Từ thuật toán điều khiển xác định bước thiết kế BĐK mờ sau: Bước 1: Định nghĩa tập mờ - Các biến ngôn ngữ vào ra: Biến ngôn ngữ vào gồm đại lượng, lượng sai lệch độ cao H (deltaH) đạo hàm sai lệch độ cao sai lệch vận tốc thẳng đứng H (deltaV) Biến ngôn ngữ điện áp điều khiển cánh lái độ cao uc (Uc) - Xác định miền giá trị vật lý biến ngôn ngữ vào ra: UAV thực bám quỹ đạo nên sai lệch độ cao yêu cầu nhỏ, ta chọn: deltaH = [-3;3] (m); deltaV = [-10;10] (m/s); Uc = [-25;25] (V) Bước 2: Mờ hoá biến ngôn ngữ vào /ra - Số lượng tập mờ: Số lượng tập mờ thường đại diện cho số lượng trạng thái biến ngôn ngữ vào Giá trị ngôn ngữ biến ngôn ngữ ta chọn sau: a Mờ hóa biến ngơn ngữ vào deltaH b Mờ hóa biến ngơn ngữ vào deltaV c Mờ hóa biến ngơn ngữ Uc d Mặt truyền đạt vào BĐK Hình Mờ hóa ngơn ngữ vào/ra Sai lệch độ cao H (âm lớn, âm vừa, không, dương vừa, dương lớn) viết gọn lại sau deltaH (AL, AV, K, DV, DL) Sai lệch vận tốc thẳng đứng H (âm lớn, âm vừa, không, dương vừa, dương lớn) 40 B X Khoa, V H Sơn, “Nghiên cứu xây dựng điều khiển … ứng dụng logic mờ.” Nghiên cứu khoa học công nghệ viết gọn lại sau deltaV (VAL, VAV, VK, VDV, VDL) Điện áp điều khiển cánh lái độ cao Uc (âm lớn, âm vừa, âm, không, dương, dương vừa, dương lớn) viết gọn lại sau Uc (UAL, UAV, UA, UK, UD, UDV, UDL) - Xác định dạng hàm liên thuộc: Các biến ngơn ngữ vào/ra mờ hóa cụ thể hình Bước 3: Xây dựng luật hợp thành Luật hợp thành mờ có dạng mệnh đề IF THEN để mờ hóa kinh nghiệm tư điều khiển người Các luật hợp thành tổng hợp bảng: Bảng Các luật hợp thành deltaV VAL VAV VK VDV VDL AL UAL UAL UAV UA UK AV UAL UAV UA UK UD K UAV UA UK UD UDV DV UA UK UD UDV UDL DL UK UD UDV UDL UDL deltaH Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành chọn nguyên tắc giải mờ Tác giả chọn thiết bị hợp thành theo phương pháp suy luận mờ Max-Min, chọn phương pháp giải mờ COA (Centroid), tức phương pháp điểm trọng tâm miền diện tích giới hạn hàm thuộc μra(n) trục hoành Bước 5: Tối ưu hệ thống Để đánh giá chất lượng BĐK thiết kế, cần ghép nối BĐK với đối tượng điều khiển thực với đối tượng mơ để thử nghiệm Trong q trình thử nghiệm, kết chưa đạt theo tiêu yêu cầu thiết kế, cần quay thực lại từ bước 1, để chỉnh định lại số tham số (chủ yếu hiệu chỉnh hàm thuộc thiết lập thêm nguyên tắc điều khiển bổ sung sửa đổi nguyên tắc điều khiển có) đến có chế độ làm việc tối ưu 2.3 Xây dựng vịng điều khiển kín UAV kênh chuyển động dọc Để thử nghiệm thuật toán điều khiển UAV đánh giá phản ứng UAV điều kiện bay khác cần thiết phải xây dựng mơ hình mơ động lực học vịng điều khiển kín UAV máy tính Theo kết bay thử máy tính tiến hành kiểm tra hiệu chỉnh mơ thuật tốn điều khiển Sơ đồ vịng điều khiển kín UAV kênh chuyển động dọc hình Với xo , yo , zo - Tọa độ UAV hệ tọa độ mặt đất Ooxoyozo; nx , ny , nz - Quá tải theo trục hệ tọa độ liên kết Oxyz; x ,  y , z - Tốc độ góc quay quanh trục hệ tọa độ liên kết Oxyz; xo* , yo* , zo* - Tọa độ UAV đo khối dẫn đường quán tính; n*x , n*y , n*z - Quá tải đo khối dẫn đường quán tính; x* ,  *y , z* - Tốc độ góc quay quanh trục hệ tọa độ liên kết Oxyz đo khối dẫn đường quán tính; uc - Tín hiệu điều khiển cánh lái độ cao;  c - Góc lệch cánh lái độ cao Khi xây dựng mơ hình động lực học vịng điều khiển kín UAV kênh chuyển Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 41 Tên lửa & Thiết bị bay động dọc cần xây dựng HPTVP chuyển động UAV tổng hợp thuật toán điều khiển kênh điều khiển độ cao Trong kênh điều khiển độ cao, thuật toán điều khiển cánh lái độ cao có dạng uc  f ( Hth , H th , z ) c x0 , y0 , z0 , , ,  HPTVP mô tả chuyển động dọc UAV Cơ cấu chấp hành nx , ny , nz , x ,  y , z Các cảm biến đo  W uc Thuật toán điều khiển Xử lý tín hiệu x0* , y0* , z0* , * , * ,  * n , n , n , , , * x * y * z * x * y Máy tính khoang Chương trình bay liệu ban đầu * z Xử lý tín hiệu Khối dẫn đường qn tính Hình Sơ đồ khối VĐK kín UAV kênh chuyển động dọc Quá trình điều khiển cần lưu ý đảm bảo trì số giá trị nằm giới hạn sau: 150   r  150 , 1  ny  3.5 Vì góc không tốc  r vượt giới hạn cho phép dẫn đến UAV điều khiển (bị “thất tốc”), tải n y vượt giới hạn chịu tải kết cấu máy bay dẫn đến UAV bị phá hủy kết cấu, gây an toàn bay MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3.1 Dữ liệu đầu vào mơ hình Từ mơ hình động lực học vịng điều khiển kín UAV kênh chuyển động dọc tiến hành mô môi trường MatLab&Simulink hình Hình Mơ hình mơ VĐK kín kênh chuyển động dọc UAV Dữ liệu đầu vào mơ dựa liệu mơ hình “UAV-70V”, loại UAV cỡ nhỏ làm nhiệm vụ giám sát từ xa Hội Hàng không vũ trụ Việt Nam nghiên cứu, chế tạo Các thông số UAV-70V gồm đặc trưng hình học; đặc trưng khối lượng - quán tính định tâm đặc trưng khí động thống kê cụ thể bảng [2] 42 B X Khoa, V H Sơn, “Nghiên cứu xây dựng điều khiển … ứng dụng logic mờ.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng Thông số đặc trưng cho UAV – 70V TT Tham số Giá trị mm 11 mz z -16.23 56.5 kg 12 mz c -2.2144 1/rad Chiều cao (h) 713 mm 13 mz -1.4798 1/rad 04 Diện tích cánh (S) 1.05 m2 14 mzo 0.071 05 Sải cánh (la) 3000 mm 15 mz _ dng 0.1455 06 Dây cung khí động trung bình (ba) 350 mm 16 C y 5.9123 1/rad 07 Tốc độ bay hành trình (Vk) 40 m/s 17 C y c 0.6126 1/rad 08 Mơ men qn tính Jz 31 kgm2 18 C y z 28.4704 1/rad 09 Lclh 1.357 m 19 C ydng 0.0413 10 XT  X F -0.15 20 hdc 0.4 TT Tham số Giá trị Đơn vị 01 Chiều dài (l) 2707 02 Khối lượng (m) 03 Đơn vị m 3.2 Đánh giá điều khiển mờ Để tăng tính trực quan, thấy rõ chất lượng BĐK, nhóm tiến hành so sánh đáp ứng UAV sử dụng BĐK mờ BĐK PID tổng hợp theo thuật toán sau [4]: t   uc  K p  H th  H   K d  H th  H   Ki   H th  H  dt  u yo  kcd z (4)   đó: u yo tín hiệu điều khiển cánh lái độ cao bay có góc lệch cánh lái  cbb ; Kcd - Hệ số cản dịu kênh dọc; Hth - Độ cao thực UAV bay; H0 - Độ cao theo chương trình Các hệ số Kp, Kd, Ki - Tương ứng với hệ số tỷ lệ, hệ số vi phân hệ số tích phân BĐK PID Các hệ số Kp, Kd, Ki, kcd lựa chọn cách sử dụng công cụ tối ưu hóa Simulink Response Optimization Simulink với giá trị: Kp = 1.0299, Ki = 0.2725, Kd = 0.9388, kcd = 1.2231 Khảo sát, so sánh chất lượng BĐK trường hợp sau: - Trường hợp 1: UAV chế độ bay hành trình, thay đổi độ cao theo quỹ đạo định trước khơng có nhiễu tác động: Mơ thực đặt độ cao thay đổi theo quy luật bậc thang, UAV bay vớivận tốc không đổi Vk= 40m/s Từ kết hình cho thấy, sử dụng BĐKUAV bám theo độ cao mong muốn, giá trị góc khơng tốc q tải đứng ( 150   r  150 , 1  ny  3.5 ) nằm khoảng giới hạn cho phép Tuy nhiên, so với BĐK PID BĐK mờ cho sai lệch độ cao lớn (sai lệch độ cao lớn sử dụng BĐK PID 0.38m sử dụng BĐK mờ 0.4m), đổi lại điều khiển “trơn” trình chuyển tiếp lên - xuống độ cao có thời gian xác lập nhanh dao động Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 43 Tên lửa & Thiết bị bay b) Bộ điều khiển mờ a) Bộ điều khiển PID Hình Kết đánh giá đáp ứng UAV với chương trình độ cao thay đổi theo quy luật bậc thang - Trường hợp 2: UAV chế độ bay có nhiễu động gió tác động Mơ thực UAV bay độ cao 300m với tốc độ hành trình (Vk=40m/s) Tại thời điểm t=15s, bật nhiễu gió tác động có biên độ thay đổi trường hợp: Wyo=5m/s Wyo=7m/s, thổi từ lên Kết mô cho thấy rằng, độ cao có nhiễu gió đứng bậc thang tác động, UAV sử dụng BĐK mờ cho sai lệch độ cao điều chỉnh nhỏ BĐK PID Biên độ nhiễu động ảnh hưởng đến an toàn bay UAV Khi nhiễu gió tác động có biên độ thay đổi (lớn hơn), UAV sử dụng BĐK PID trì độ cao góc khơng tốc vượt giới hạn cho phép dẫn đến UAV bị an tồn bay Trong đó, 44 B X Khoa, V H Sơn, “Nghiên cứu xây dựng điều khiển … ứng dụng logic mờ.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ UAV sử dụng BĐK mờ trì tốt theo độ cao mong muốn, giá trị góc không tốc tải đứng nằm khoảng giới hạn cho phép, đảm bảo an toàn bay cho UAV a) Wyo=5m/s a) Wyo=7m/s Hình Kết đánh giá đáp ứng UAV có nhiễu gió bậc thang tác động với biên độ Wyo KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết mơ mơ hình vịng điều khiển kín máy bay khơng người lái so sánh với điều khiển PID truyền thống Kết rõ ưu điểm BĐK mờ so với BĐK kinh điển PID với sai số điều chỉnh nhỏ, thời gian xác lập nhanh mở rộng phạm vi hoạt động UAV Đối với hệ thống phi tuyến mạnh UAV, luật điều khiển thiết kế theo logic mờ có khả triệt tiêu ảnh hưởng thành phần bất định làm giảm ảnh hưởng nhiễu trình hoạt động, nâng cao tính thích nghi cho UAV Từ kết mô ta thấy rằng, BĐK mờ đề xuất báo hồn tồn mở rộng áp dụng cho UAV quỹ đạo chuyển động phức tạp khác với độ xác cao Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 45 Tên lửa & Thiết bị bay TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đức Cương, “Mơ hình hóa mơ chuyển động khí cụ bay tự động”, NXB Quân đội nhân dân (2002), Hà Nội [2] Nguyễn Đức Cương, Phan Văn Chương, Hoàng Anh Tú, “Ứng dụng điều khiển mờ cho máy bay không người lái cỡ nhỏ”, Tuyển tập cơng trình khoa học Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ (2012), tr 495-501 [3] Đỗ Khắc Tiệp, “Đề xuất điều khiển Fuzzy-PD cho UAV”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, Số 60 (11/2019), tr.63-67 [4] Đặng Công Vụ, “Tổng hợp điều khiển thích nghi đảm bảo an toàn bay cho UAV cỡ nhỏ điều kiện có nhiễu động gió”, Học viện KTQS (2019), tr.55-58 [5] E.H Mamdani, “An Experiment in Linguistic Synthesis with Fuzzy Logic Controller”, Int Journal on Man machine studies, Vol.7 (1975), pp 1-13 [6] Doitsidis, N.C., Kontitsis, “A framework for fuzzy logic based UAV navigation and control”, In: Proceedings of the International Conference on Robotics Automation, vol (2004), pp 4041–4046 [7] HaiYang Chao, Yong Can Cao, and Yang Quan Chen, “Autopilots for Small Unmanned Aerial Vehicles A Survey”, International Journal of Control, Automation and Systems, № (2010), pp.36-44 ABSTRACT RESEARCH AND DESIGN OF CONTROLLER FOR THE LONGITUDINAL MOTION OF UAV APPLICATION FUZZY LOGIC In this paper, a closed-loop control model of the UAV in the vertical plane using the fuzzy controller is presented Fuzzy logic controller with two input variables (height error and vertical speed error) has been stabilize the flight height for the UAV The model is built in the MatLab&Simulink, the simulation results compared with the PID controller show higher adaptability, helping UAV expand its operability Keywords: Intelligent Control; Fuzzy Logic Control; Unmanned Aerial Vehicles (UAV) Nhận ngày 29 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 24 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: Học viện Phịng khơng - Không quân * Email: khoaanh2004@gmail.com 46 B X Khoa, V H Sơn, “Nghiên cứu xây dựng điều khiển … ứng dụng logic mờ.” ... 2.2 Ứng dụng Logic mờ thiết kế điều khiển cho UAV Điều khiển UAV kênh chuyển động dọc chất điều khiển ổn định độ cao bay cho UAV Ở chế độ bay hành trình, để trì độ cao đặt trước cho UAV, vòng điều. .. 41 Tên lửa & Thiết bị bay động dọc cần xây dựng HPTVP chuyển động UAV tổng hợp thuật toán điều khiển kênh điều khiển độ cao Trong kênh điều khiển độ cao, thuật tốn điều khiển cánh lái độ cao có... nguyên tắc điều khiển bổ sung sửa đổi nguyên tắc điều khiển có) đến có chế độ làm việc tối ưu 2.3 Xây dựng vịng điều khiển kín UAV kênh chuyển động dọc Để thử nghiệm thuật toán điều khiển UAV đánh