THÔNG TIN TÀI LIỆU
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ LÊ TUẤN ANH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG QN TÍNH CĨ ĐẾ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2021 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ Người hướng dẫn khoa học: GS,TSKH Nguyễn Công Định TS Phan Tương Lai Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Doãn Phước Đại học Bách Khoa Hà Nội Phản biện 2: PGS.TS Trần Đức Thuận Viện Khoa học Công nghệ quân Phản biện 3: TS Trương Đăng Khoa Học viện Kỹ thuật quân Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Viện, họp Viện Khoa học Công nghệ quân vào hồi ngày tháng năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện khoa học công nghệ quân - Thư viện quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Các thiết bị bay quân đặc trưng tính động cao, vận tốc lớn, nên thiết bị điều khiển khoang phải làm việc điều kiện khắc nghiệt cao rung xóc lớn Ngồi ra, để nâng cao độ xác cho TBB qn địi hỏi phải trang bị hệ thống dẫn đường qn tính có đế (GINS) có độ xác cao làm việc ổn định suốt trình vận hành TBB Giải pháp chung để giải vấn đề nâng cao độ ổn định đế GINS, tích hợp thêm liệu ngồi (GPS, từ kế) Cách tích hợp GPS có độ xác cao khơng khả thi với đa số quốc gia địi hỏi phải có hệ thống GPS riêng tín hiệu GPS dễ dàng bị áp chế, gây nhiễu chiến tranh đại Do đó, giải pháp khả thi để nâng cao độ xác GINS phương pháp nâng cao độ ổn định đế GINS Việc ổn định đế GINS thực phương pháp: loại bỏ tác động xen kênh trục đế, khử dao động đế hấp thụ rung động lực có tính nhớt Do đó, định hướng nghiên cứu luận án có tính cấp thiết thực tiễn cao phục vụ lĩnh vực an ninh quốc phòng Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng phương pháp nâng cao độ xác cho GINS phương pháp ổn định đế: khử tác động xen kênh khử rung, xóc tác động mơ men nhiễu loạn Trên sở GINS nâng cao độ xác, xây dựng mơ hình chuyển động thiết bị bay không gian điều khiển ổn định kênh thiết bị bay nhằm nâng cao chất lượng vịng điều khiển kín thiết bị bay Nội dung nghiên cứu luận án Nghiên cứu ảnh hưởng mô men nhiễu loạn gây sai số vị trí đế GINS, hệ dẫn đến sai số dẫn đường TBB Đưa phương pháp nâng cao độ ổn định đế: khử tác động xen kênh trục đế GINS khử dao động đế ổn định sử dụng hấp thụ rung có nhớt hấp thụ rung động lực Đưa thuật tốn tổng hợp vịng điều khiển kín cho TBBBKNL sở ứng dụng GINS có đế ổn định Mơ kiểm chứng phương pháp tính đề xuất Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Hệ thống dẫn đường qn tính có đế (GINS), hệ thống điều khiển ổn định kênh thiết bị bay không người lái (UAV) chiến thuật lĩnh vực quân Phương pháp nghiên cứu Phương pháp phân tích, đánh giá sở thống kê tổng hợp hệ thống điều khiển đại; Sử dụng kỹ thuật mô để kiểm nghiệm, đánh giá thuật toán Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn luận án Luận án đưa phương pháp khác để nâng cao độ xác cho GINS như: ổn định đế GINS cách loại bỏ tác động xen kênh, khử dao động đế cách sử dụng hấp thụ rung tích hợp nguồn thơng tin ngồi (từ kế) Tính tốn tham số khí động học khối lượng – quán tính, giải tốn chuyển động khơng gian TBB Xây dựng thuật tốn nâng cao xác cho hệ thống tự động điều khiển UAV sở ứng dụng GINS hiệu chỉnh Kết luận án sử dụng cho việc thiết kế hoàn thiện hệ thống điều khiển - ổn định cho thiết bị bay chiến thuật, bổ sung phương pháp luận kiến thức phục vụ công tác đào tạo, giảng dạy nghiên cứu Viện nghiên cứu, Học viện, nhà trường Quân đội Bố cục luận án Toàn luận án gồm 151 trang in khổ A4; trình bày chương với: 97 hình vẽ, đồ thị minh họa; 101 tài liệu tham khảo CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG QN TÍNH VÀ MƠ HÌNH TỐN CHUYỂN ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BAY KHƠNG NGƯỜI LÁI Tổng hợp, phân tích tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.1.1 Tình hình nghiên cứu có liên quan nước ngồi Có nhiều nghiên cứu lĩnh vực dẫn đường quán tính cơng trình [2],[8], [9], [11], [15], [16], [17], [27], [29], [36], [37], [38], [42], [48], [49], [50], nhiên hầu hết công bố cho thông tin phát triển lý thuyết chung xử lý tín hiệu đo kết hợp kết nghiên cứu nhận đưa kết đánh giá chung việc nâng cao chất lượng thiết bị dẫn đường Nhìn chung cơng trình đưa kết tích hợp thơng tin xử lý hệ thống sở đánh giá sai số tổ hợp dẫn đường kết hợp dựa số thuật toán lọc Kalman mà chưa gắn vào hệ thống điều khiển thiết bị bay thực tế 1.1.2 Tình hình nghiên cứu có liên quan nước Cần nhấn mạnh rằng, trang thiết bị khí tài quân nước ta chủ yếu mua từ Nga, Israel số nước Đông Âu cũ Vì khí tài qn sự, khơng chuyển giao tài liệu thiết kế thiết kế, nguồn trích dẫn tài liệu khó tiếp cận nên trở ngại lớn để làm chủ cơng nghệ tích hợp khí tài Cơng trình [2, 8, 15, 16] hai nhóm nhà khoa học thuộc Viện Tên Lửa –Viện KHCN-QS kết hợp với Đại học Cơng nghệ/ĐHQG Hà Nội sâu trình nghiên cứu tích hợp MEMS + GPS lọc Kalman mờ Cơng trình [17] đề xuất cấu trúc hệ dẫn đường kết hợp INS+GPS phục vụ dẫn đường mặt đất sở hệ nâng cao độ xác INS cảm biến khối IMU nâng cao thuật tốn xác định góc định hướng Trong cơng trình [9] trình bày việc nâng cao độ xác HTDĐQT cho tên lửa đối hải hệ cũ sở tích hợp GINS+GPS đo cao khí áp mơ hình mạng nơ-ron Tuy nhiên, cơng trình chưa đề cập đến tác động nhiễu động đến hệ thống ổn định đo cao Trong công trình [7], [12] đưa phương pháp tổng hợp quay vi với từ kế để xác định vị trí vật mang (thiết bị ngầm, cánh tay máy bậc tự do) sở ứng dụng lọc Kalman mở rộng có tính đến nhiễu đo lường phương pháp loại bỏ nhiễu Tổng quan thiết bị bay không người lái UAV thiết bị bay có điều khiển có vai trị quan trọng tác chiến đại Nó sử dụng để giám sát mục tiêu di động, trinh sát, thị, công tiêu diệt mục tiêu với ưu điểm đảm bảo an tồn người, tính động cao, kịp thời, xác, phạm vi trinh sát cải thiện đáng kể Hiện nay, UAV quân sử dụng rộng rãi hầu khắp quân binh chủng nước giới Mỹ, Nga, Trung Quốc, Israel, Pháp, Anh, Một số UAV điển MQ-1 Predator, RQ-4 Glowbal Hawk, RQ-2B Pionner Với Quân đội nhân dân Việt nam bước đầu trang bị hệ thống UAV đại lớp Orbiter Isarel (2013) nhằm phục vụ cho nhu cầu thiết yếu đơn vị Trên hình 1.1 mơ tả sơ đồ nguyên lý hoạt chung UAV Vòng điều khiển UAV xây dựng sở phụ thuộc vào chế độ bay Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động UAV Thông thường UAV có hai chế độ bay bản: tự động (autopilot) – bay theo chương trình cài đặt sẵn, đó, hệ thống điều khiển làm việc hồn tồn tự động; thủ công (manual) –điều khiển tay trắc thủ từ trạm huy Một vấn đề cấp thiết đặt làm chủ toán tổng hợp điều khiển UAV chế độ bay tự động sở tính tốn tốn động lực học bay tốn ổn định tư góc UAV với vòng phản hồi cảm biến đo từ hệ thống dẫn đường quán tính gắn UAV Để xây dựng vịng điều khiển thích nghi cho chế độ bay tự động UAV cần phải xây dựng mơ hình tốn động lực học bay xác định thơng số khí động học liên quan đến mơ hình cần khảo sát Tổng quan hệ thống dẫn đường qn tính Phân loại HTDĐQT có đế phân loại đế ổn định Hệ thống dẫn đường quán tính (HTDĐQT) sử dụng cảm biến vận tốc góc cảm biến gia tốc để ước lượng vị trí, độ cao vận tốc TBB Khi gắn khoang TBB, vị trí tham số chuyển động TBB xác định gia tốc kế cảm biến góc đặt khoang HTDĐQT chia thành: có đế (Gimbal Inertial Navigation System) không đế (SINSStrapdown Inertial Navigation System) Đế ổn định cho HTDĐQT có đế chia làm hai loại: đế ổn định dạng thị đế ổn định dạng lực 1.1.1 Mơ hình tốn sai số HTDĐQT có đế có dạng: Vx a y g V x ; Vy g a x V y x Vy R f z f y ; y z Vx R Vx R f f x tg f y f x x x x ; y y y ; z z z Đặt toán cần giải Bài toán 1: Giữa kênh ổn định cấu đế có tác động qua lại Đó tác động quay trục ổn định tới trục nhạy quay trình bay, với trục quay quay khác đế ổn định Do đó, toán đặt khử mối tác động xen kênh trục quay để loại bỏ sai số nhằm tăng độ xác cho hệ thống Bài tốn 2: Nghiên cứu, tính tốn thiết kế hấp thụ rung cho đế GINS gây tác động nhiễu loạn lớn các dải tần khác nhằm nâng cao độ xác cho GINS Bản chất hấp thụ rung nhờ trình biến đổi lượng dao động đế GINS thành nhiệt nhờ tính chất nhớt chuyển thành phần tử đàn hồi Bài tốn 3: Xây dựng mơ hình tốn động lực học bay khơng gian ba chiều UAV có tính đến đặc trưng khí động khối lượng – quán tính loại UAV Xây dựng thuật toán tổng hợp điều khiển PID thích nghi sở luật MIT lý thuyết ổn định Lyapunov để nâng cao chất lượng vịng điều khiển kín UAV 1.2 Kết luận chương Trên sở phân tích cơng trình nghiên cứu ngồi nước liên quan đến tốn nâng cao độ xác HTDĐQT có đế, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo, trình bày lý thuyết sở liên quan mơ hình sai số HTDĐQT Đưa mối liên hệ toán học sai số cấu đế với sai số dẫn đường từ đề xuất phương pháp nâng cao độ xác HTDĐQT có đế bù khử loại bỏ tác động xen kênh trục quay, sử dụng thiết bị hấp thụ rung có tính chất nhớt thiết bị hấp thụ rung động lực để làm ảnh hưởng nhiễu tác động lên đế ổn định theo định luật bảo tồn chuyển hóa lượng Luận án xây dựng mơ hình tốn học cho UAV lớp Orbiter có trang bị Khơng qn hải quân Việt Nam, tổng hợp điều khiển PID thích nghi để nâng cao chất lượng vịng điều khiển kín UAV sở luật MIT lý thuyết ổn định Lyapunov Trên sở nghiên cứu trên, luận án thực mơ tốn điều khiển TBB bám theo quỹ đạo cho trước mô số trường hợp TBB tiếp cận mục tiêu giả lập độ cao cho trước CHƯƠNG XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG QN TÍNH CĨ ĐẾ Các phương trình động học tổng quát đế ổn định cho quay lực có tính đến ảnh hưởng chéo mơ men động học quay độ nhớt chất lỏng đến trình hoạt động đế: Ai i i i H i i i i cos i k k Wi D i M i Bi i i i H i i sin cos i j j j i i (2.1) với: i 1, 2,3; j 2,3,1; k 3,1, 2; D d dt Để xác định hướng tham số chuyển động TBB không gian ta sử dụng hệ thống ổn định ba trục trực giao mơ tả hình 2.1 Hình 2.1 Hệ thống ổn định quay ba trục trực giao Hình 2.2 Sơ đồ động học hệ thống ổn định đế trục Trong trình đế ổn định hoạt động xuất tác động xen kênh trục Do tác động xen kênh trục nên việc nâng cao độ ổn định đế gặp khó khăn việc khảo sát, tính tốn Vì vậy, luận án đề xuất phương pháp khử tác động xen kênh trục để đưa toán ổn định ba trục trực giao phức tạp ổn định trục Để nghiên cứu hệ thống ổn định quay lực ba trục cần sâu vào khảo sát, tổng hợp hệ thống ổn định quay lực trục 2.1 Khảo sát, tổng hợp hệ thống ổn định quay lực trục 2.1.1 Xây dựng hàm truyền chuyển động đế ổn định trục Xây dựng phương trình động học đế ổn định trục: B H M A H K c M (2.17) Xét hoạt động đế chịu ảnh hưởng mô men ngoại lực tới trục ổn định, M2 = 0, biến đổi Laplace biến phức hệ (2.2) có dạng: s As s M s Hs s K cWk s s s H s Bs (2.20) Hàm truyền góc quay quanh trục ổn định có mơ men ngoại lực tác động lên trục: W ,M1 s s Bs 1 s ABs3 B A s H s Kc HWk s (2.22) Hàm truyền góc quay quanh trục tiến động có mơ men ngoại lực tác động lên trục ổn định: s H W , M s (2.23) M1 s ABs3 B A s H s Kc HWk s Sơ đồ cấu trúc vịng điều khiển kín hệ thống ổn định đế trục Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc vịng điều khiển kín hệ thống ổn định trục 2.2 Nâng cao độ xác cho HTDĐQT sở tăng độ ổn định đế phương pháp loại bỏ tác động xen kênh 2.2.1 Ảnh hưởng biện pháp khắc phục tác động xen kênh trục Giả sử rằng, ta có hệ thống ổn định đế ba trục trực giao với tham số góc đặt quay sau: φ1 = 0; φ2 = 0; φ3 = Khi khơng tính đến ảnh hưởng tác động xen kênh, trục ổn định OYΠ, góc tiến động tương đối quay εi suy biến thành góc tiến động βi Dưới tác động tác động xen kênh, hệ phương trình mơ tả đế hai trục là: B11 11 H11 A11 11 H11 W1 s 1 M ; B2 2 H 2 A H W s M 2 2 2 2 2 B3 3 3 3 H 3 A3 3 H 3 W3 s M 1 1 3 1 (2.44) Bằng biến đổi Laplace biến phức, sơ đồ cấu trúc hệ thống ba trục chịu ảnh hưởng tác động chéo viết dạng ma trận: s s s s 1 1 s E ; E s s s s s s s Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc đế ba trục chịu ảnh hưởng tác động xen kênh (2.48) Hình 2.18 Sơ đồ cấu trúc dạng khối ma trận Kết mô góc tiến động i góc quay đế i hệ thống chịu ảnh hưởng tác động xen kênh sau: Hình 2.23 Góc tiến động β góc quay đế α có tác động xen kênh Để loại bỏ tác động chéo hai kênh ổn định ta xây dựng sơ đồ cấu trúc có dạng mơ tả hình 2.26 Khâu R đưa thêm vào đảm bảo loại bỏ thành phần tác động xen kênh kênh Từ sơ đồ cấu trúc hình 2.25, ta có: RE 11 2.3.2 Nâng cao độ xác hệ thống ổn định đế nhờ thiết bị hấp thụ rung động lực Việc sử dụng hấp thụ rung dạng nhớt cho phép ta khử rung động dải rộng hiệu hấp thụ rung thấp Để nâng cao hiệu hấp thụ rung ta sử dụng hấp thụ rung động lực mô tả hình 2.32 Biểu thức hàm truyền góc lệch đế hấp thụ rung động lực có dạng: 1/ W M nl ( ) (1 02 ) 412 02 B H (1 02 )(1 ) h 412 02 [1 (1 h)]2 (2.86) Hàm truyền góc quay vật nặng thiết bị hấp thụ rung có dạng: 1/ W M nl 1 412 02 B ( ) 2 2 2 2 H (1 )(1 ) h 41 [1 (1 h)] (2.87) với: 0 H AB , H CH J H , 0 CH J H 1 H 0 , h J H A , 0 , H Để hai điểm P, Q (hình 2.36) đường đặc tính biên độ tần số bất biến thay đổi hệ số nhớt 1 tọa độ phải thỏa mãn phương trình: 1/ (1 02 ) 12 02 2 2 2 2 (1 )(1 ) h [1 (1 h)] 1 1/ (1 ) 2 2 2 (1 )(1 ) h [1 (1 h)] 2 2 (2.89) 1 Bằng biến đổi tốn học, nhận tham số cần tìm hấp thụ: 1 h (2.95) Từ điều kiện ta xác định độ cứng thiết bị hấp thụ rung biểu thức: C H 2J J AB (1 ) A (2.96) Kết mô Matlab/Simulink cho hấp thụ rung động lực hấp thụ rung có tính nhớt mơ tả hình 2.31 2.35 12 Hình 2.31 Mơ ổn định đế hấp Hình 2.35 Mơ ổn định đế thụ rung có tính nhớt hấp thụ rung động lực mơi trường nhớt 1- Khi có hấp thụ rung; 2- không sử dụng hấp thụ rung Khi lắp nhiều thiết bị hấp thụ rung có khả mở rộng dải tần hấp thụ rung để nâng cao độ ổn định cho đế ổn định Trên hình 2.36, đặc tính biên độ tần số hệ thống ổn định đế đường gồm đoạn M1M2, M2M3 M11M12,M12M13 Trong điểm M1 điểm đặc tính biên độ tần số tần số khơng, M2 điểm giao đường đặc tính với độ cứng phần ba số nhớt khơng giao với đường đặc tính độ nhớt tối ưu Khi thay đổi hệ số độ cứng thiết bị hấp thụ rung tần số riêng thiết bị hấp thụ rung thay đổi Thực vẽ đường đặc tính biên độ tần số hệ thống với hệ số suy giảm không hệ số độ cứng thay đổi Các điểm M3, M5, M7, M9, M11 điểm thuộc đường đặc tính biên độ tần số hệ thống ổn định mà mà tần số tần số riêng thiết bị hấp thụ rung Điểm M13 điểm nằm đường đặc tính biên độ tần số với hệ số nhớt tối ưu Hình 2.36 Đặc tính biên độ-tần số đế ổn định sử dụng đồng thời năm thiết bị hấp thụ rung 13 2.6 Kết luận chương Chương đưa giải pháp loại bỏ ảnh hưởng tác động xen kênh trục quay cấu đế, từ đưa tốn khảo sát đế ổn định ba trục phức tạp đế ổn định trục Khi TBB chuyển động, tác động mơ-men nhiễu loạn lên làm cho cấu đế bị dao động động ổn định hoạt động với dải thơng hạn chế xuất hiện tượng cộng hưởng làm giảm độ xác cấu đế Do đó, chương đề xuất sử dụng hấp thụ rung để làm giảm dao động đế ổn định vị trí xảy tượng cộng hưởng Các hấp thụ rung có tác dụng mạnh việc giảm dao động tần số cộng hưởng, qua nâng cao độ ổn định cho cấu đế từ nâng cao độ xác cho HTDĐQT có đế sử dụng TBB CHƯƠNG TỔNG HỢP THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TBBKNL TRÊN CƠ SỞ HTDĐQT CÓ ĐẾ ĐÃ HIỆU CHỈNH Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển TBB có dạng sau: Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển kín TBB 3.1 Tuyến tính hóa hệ phương trình chuyển động TBBKNL 3.1.1 Mơ hình tốn động lực học TBBKNL Hệ phương trình mơ tả động học bay UAV sử dụng góc Euler hệ tọa độ liên kết viết (3.9)÷(3.12) 2 2 2(e1e2 e3 e0 ) 2(e1e3 e2 e0 ) pn e1 +e0 -e2 -e3 2 2 2(e2 e3 e1 e0 ) pe 2(e1e2 e3 e0 ) e2 e0 -e1 -e3 p 2(e e e e ) 2(e e e e ) e2 e2 e2 e2 d 2 3 fx u rv qw 1 v pw ru m f y w qu pv f z u v w (3.9) (3.10) 14 e0 e1 e2 e3 0 1 p 2q r p -q r r q -p - r e0 - q e1 p e2 e3 (3.11) l 4 n p 1 pq qr 2 q 5 pr (p r ) J m y r pq pr l 8 n (3.12) Các ngoại lực mô-men tác động lên UAV viết sau: f x mg sin f y mg cos sin f mg cos cos z c C X C X q q C X e e 2Va b b Va S CY0 CY CYp p CYr r CY a CY r a r 2 V V a a c C Z C Z q q CZ e e 2Va kmotor t 2 Va2 S propC prop b b p Cl r Cl a Cl r b Cl Cl Cl V V a a l c m V S c C C C q C a m m m m e 2Va n b b b Cn Cn Cn 2V p Cn 2V r Cn a Cn r a a p 0 r q p a (3.13) r e r a (3.14) r kT k 2 p t Thông thường, hệ số khí động đạo hàm hệ số khí động xác định phương pháp thổi Fluent cho mơ hình 3D UAV Trong 15 đó, CL0 , CD0 , Cm0 , CL , CD , Cm , CL , , CD , Cm CD , CY , CY xác q p r định theo biến thiên góc tấn, hệ số CLq , Cmq , CL , CD , Cm , e e e CY , Cl , Cn , Cl p , Cn p , Clr , Cnr , Cl , Cn xác định theo biến thiên của: a a góc trượt cạnh , vận tốc góc p, q, r góc lệch vây lái e , a Trong luận án đưa hai cách tính tốn tham số khí động lực học cho UAV sử dụng phương pháp mô số phần mềm ANSYS.Fluent phương pháp bán thực nghiệm sử dụng phần mềm tính tốn khí động Digital Datcom Một số kết mơ tính tốn hệ số khí động lực học UAV biểu diễn Hình 3.3-4 Sự phân bố áp suất bề mặt UAV lớp Orbiter Để xác định mơ men qn tính UAV lớp Orbiter, coi máy bay đồng khối lượng, với tham số khối lượng thể tích máy bay biết, sử dụng cơng cụ Ansys.CFX để tính tốn 3.1.2 Phương trình trạng thái kênh chuyển động ngang Các phương trình chuyển động cho bởi: xlat v, p, r , , T , với đầu vào làm hàm điều khiển góc lệch ulat a Ta có phương trình khơng gian trạng thái hệ thống sau: v Yv p Lv r N v Yp Yr g cos * cos * Lp Lr Np Nr cos * tan * q* cos * tan * r * sin * tan * cos sec p cos sec r sin sec * * * * * * * * v Y a p L a r N a 0 a (3.22) 3.1.3 Phương trình trạng thái TBB kênh chuyển động dọc Phương trình chuyển động kênh cho bởi: T T xlon u , w, q, , h với đầu vào vector điều khiển ulon e , t Phương trình khơng gian trạng thái kênh dọc biểu diễn qua xlon ulon thu được: 16 u X u w Zu q M u h sin * Xw Xq g cos * g sin * Zw Zq Mw Mq 0 cos * 0 u* cos * w* sin * u X e w Z e q M e 0 h X t e t 3.2 Thiết kế điều khiển PID theo kênh UAV 3.2.1 Hệ thống điều khiển tự động theo kênh ngang Hình 3.14 Vịng ổn định góc nghiêng Hình 3.13 Vịng ổn định kênh ngang Luật điều khiển kênh ổn định góc nghiêng thực thơng qua điều khiển góc lệch cánh lái aileron sau: a (t ) k p ( c (t ) (t )) kd p(t ) Hình 3.15 Sơ đồ vịng ổn định góc hướng (3.28) Hình 3.16 Sơ đồ vịng ổn định góc chúc ngóc Luật điều khiển góc hướng dựa điều khiển góc nghiêng c có dạng: c k p c ki s c (3.30) 3.2.2 Hệ thống điều khiển tự động kênh chuyển động dọc + Vịng điều khiển góc chúc ngóc: Sơ đồ cấu trúc vịng điều khiển góc chúc ngóc hình 3.16 Luật điều khiển giá trị góc lệch cần thiết cánh lái: e k p c kd q + Vòng ổn định độ cao thơng qua điều khiển góc chúc ngóc: 17 Luật điều khiển vịng ổn định độ cao qua điều khiển góc chúc ngóc: c k p hc h h kih s h c h 3.3 Tổng hợp điều khiển ổn định góc nghiêng UAV sử dụng điều khiển PID thích nghi theo mơ hình mẫu sở luật MIT lý thuyết ổn định Lyapunov Bài toán điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu sử dụng khơng biết xác thơng số đối tượng thơng số đối tượng thay đổi q trình hoạt động Cơ cấu chỉnh định (luật thích nghi) có chức cập nhật thông số điều khiển để đảm bảo đáp ứng hệ thống bám theo mơ hình mẫu thơng số đối tượng thay đổi Hình 3.18 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu Xét mơ hình mẫu tổng quát bậc hai hệ thống có dạng sau: (3.35) ym 2n ym n2 ym n2 r Biến đổi (3.35) phương trình trạng thái, thu được: xm Am xm Bm r (3.36) với: 0 T xm ym ym ; Am n 0 ; Bm 2n n T đó, ym đầu mơ hình mẫu, y đầu đối tượng, r tín hiệu đầu vào tham chiếu Sai số bám hệ thống: ye y ym (3.34) Chọn luật điều khiển có dạng sau: u 1r 2 y 3 y (3.37) Với hệ số thích nghi 1 2 3 Phương trình vi phân mơ tả sai số thích nghi biểu diễn sau: (3.38) xe Am xe Am A x Bm B r với xe ye ye T Chọn hàm Lyapunov cho toán tổng hợp điều khiển PID thích nghi có dạng sau: 18 T T V t , xe xeT Pxe trace Am A A Am A trace Bm B B Bm B (3.39) Đạo hàm hai vế (3.39), ta có: dV xeT AmT P PAm xe 2trace Am A A Pxe xT A t dt 2trace Bm A B Pxe r T B t Để hàm (3.41) dV theo lý thuyết ổn định Lyapunov cần chọn luật thích dt nghi thỏa mãn điều kiện sau: T A t A Pxe x T B t B Pxe r (3.42) với A, B số dương 1 , giải (3.40) hàm P lyap A ', Q thu 1 Chọn ma trận Q I ma trận P sau: 1 n2 n 4 P 12 2n 1 4n n2 2n2 (3.43) Để tìm tham số điều khiển giải phương trình đại số (3.42) với ma trận P 2 xác định (3.43), thu kết sau: d1 t p12 ye p22 ye r t dt d t p12 ye p22 ye y t dt d3 t p12 ye p22 ye y t dt (3.44) Áp dụng vào toán tổng hợp điều khiển ổn định góc nghiêng UAV có sơ đồ cấu trúc mơ tả hình 3.14 Hàm truyền hệ kín có dạng: k p a n2 H / ( s ) (3.45) s (a a kd ) s k p a s 2 n s n2 2 c Closed Loop TF Trong đó, hệ số xác định sau: Canononical 2nd order TF 19 Các tham số thiết kế cần lựa chọn: n , kp amax max e ; kd 2 n a a Chọn amax 45 180; emax 30 180; Thay số thu hàm truyền góc nghiêng có dạng sau: H / s c 47.81 s 27.66s 47.81 (3.46) Xét toán tổng quát xác định tham số động học cho hệ thống bậc hai Giả sử biết hàm truyền mô hình mẫu biết có dạng sau: y s n2 Gm s m H / s r s s 2n s n2 Chọn tín hiệu điều khiển có dạng: u 1r y (3.47) với tham số thích nghi 1 2 cập nhật theo công thức sau: c d1 t dt d t dt p12 ye p22 ye r t (3.48) p12 ye p22 ye y t Mô Matlab/Simulink thu số kết sau Hình 3.21 Tín hiệu đầu hệ thống so với mơ hình chuẩn sử dụng luật MIT lý thuyết ổn định Lyapunov trường hợp 20 Các tham số điều khiển PID thích nghi: Hình 3.22 Các tham số điều khiển PID thích nghi trường hợp Hình 3.23 Sai số bám hệ thống ổn định góc nghiêng UAV trường hợp 3.3 Kết luận chương Trong chương đã: xây dựng toán điều khiển UAV; khảo sát, tính tốn đặc trưng khí động, đặc trưng khối lượng– qn tính; xây dựng mơ hình tốn động lực học bay khơng gian ba chiều cho UAV; tổng hợp điều khiển cho lớp UAV Orbiter sở thiết kế điều khiển PID thích nghi theo mơ hình mẫu sở luật MIT lý thuyết ổn định Lyapunov để nâng cao chất lượng vịng điều khiển kín ổn định góc nghiêng Một số toán sử dụng thuật toán mô kiểm chứng chương CHƯƠNG MƠ PHỎNG KIỂM NGHIỆM THUẬT TỐN NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC HTDĐQT CHO CÁC THIẾT BỊ BAY 4.1 Mơ vịng điều khiển kín hệ thống ổn định UAV Sơ đồ cấu trúc vịng điều khiển kín UAV mơ tả hình 4.1 Vịng điều khiển kín bao gồm khối dẫn đường, khối tự động lái, tuyến máy lái, khối động lực học bay giải 12 phương trình trạng thái UAV, khối tính tốn hệ số khí động UAV, khối cảm biến đo, khối ước lượng biến trạng thái 21 Hình 4.1 Sơ đồ cấu trúc vịng điều khiển UAV 4.1.1 Bài tốn mơ UAV bay theo quỹ đạo cho trước Các tham số trạng thái ban đầu: xin 0, 0, 100,35, 0, 0, 0,0, 0, 0, 0, , uin -0.1025, 0.4665 T Bằng việc sử dụng hàm lqr phần mềm Matlab/Simulink để tìm lời giải từ phương trình (3.50), từ xác định ma trận hệ số phản hồi tối ưu sau: 135.0183 0.0338 -0.3111 26.1868 4.1887 -326.7705 K lqr 57.3744 -0.2923 2.6276 9.9206 -35.7478 -151.2748 Hình 4.19 Tọa độ UAV bay theo quỹ đạo cho trước Hình 4.17 Các góc Euler UAV 4.1.2 Bài tốn điều khiển UAV thay đổi độ cao sử dụng điều khiển PID thích nghi có tính đến ảnh hưởng gió Các điều kiện ban đầu sau: Độ cao ban đầu: h0 100m ; Độ cao đặt lệnh: xung vng có biên độ hcommand 20m ; tần số lấy mẫu: f 0.04 Hz ; Mơ hình gió: mơ hình Von Karmen đưa hàm truyền Dryden Một số kết mơ phần mềm Matlab/Simulink: Hình 4.27 Đồ thị chuyển động UAV kênh dọc Hình 4.28 Góc chúc ngóc kênh dọc UAV 22 Hình4.30 Vận tốc góc chúc ngóc UAV Hình 4.31 Góc lệch cánh lái độ cao UAV 4.1.3 Bài toán điều khiển UAV hạ độ cao tiếp cận mục tiêu cho trước sử dụng điều khiển LQR Điều kiện đầu UAV: m h0 1200m; V0 50 ; 450 ; 750 ; 450 ; hmm 45m s Thời gian mô phỏng: 150 giây Một số kết mô Matlab/Simulink: Hình 4.32 Đồ thị thay đổi độ cao UAV Hình 4.34 Đồ thị tham số góc vận tốc góc kênh Hình 4.33 Đồ thị thay đổi góc tấn, vận tốc góc chúc ngóc, góc lệch cánh lái Hình 4.36 Các tín hiệu điều khiển UAV bám theo độ cao cho trước 23 4.2 Kết luận chương Đưa kết mô phương pháp khử tác động xen kênh trục trực giao đế ổn định; phương pháp sử dụng hấp thụ rung có tính nhớt hấp thụ rung động lực để nâng cao tính ổn định đế Xây dựng mơ hình động lực học thiết bị bay, thiết kế vịng điều khiển kín kênh thiết bị bay hệ thống hoạt động chế độ bay tự động mô so sánh kết sử dụng điều khiển PID thích nghi LQR KẾT LUẬN Luận án tập trung giải thành công tốn nâng cao độ xác hệ thống dẫn đường qn tính có đế dựa phương pháp bù khử tác động xen kênh ba trục trực giao hệ thống đế ổn định, đưa tính tốn thiết kế hấp thụ rung có tính nhớt hấp thụ rung động lực để giảm dao động đế có tác động mơ-men nhiễu loạn Trên sở đó, luận án giải tốn điều khiển TBBKNL có tính đến tham số khí động học, khối lượng – quán tính sử dụng điều khiển LQR, PID thích nghi theo mơ hình mẫu dựa luật MIT lý thuyết ổn định Lyapunov Kết thực luận án tóm lược sau: Các nội dung thực luận án: - Nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng sai số đế đến sai số dẫn đường thiết bị bay - Nghiên cứu, khảo sát động lực học quay lực Nghiên cứu tính ổn định hệ thống đế trục quay lực sử dụng luận án - Khảo sát, mô tính ổn định hệ thống hai trục, ảnh hưởng tác động xen kênh hai trục nguyên nhân gây ổn định đế - Khảo sát, mô phương pháp khử tác động xen kênh ba trục trực giao, từ xây dựng phương pháp loại bỏ tác động xen kênh ba trục - Khảo sát, mô phương pháp hấp thụ rung có tính chất nhớt, đưa nhận xét độ ổn định đế sử dụng phương pháp Từ xây dựng phương án tính tốn tham số thiết kế để đảm bảo hiệu hấp thụ rung tốt Phương án sử dụng thiết bị hấp thụ rung có tính chất nhớt có cấu trúc đơn giản hấp thụ dao động dải khác - Khảo sát, mô phỏng, đánh giá phương pháp sử dụng thiết bị hấp thụ rung động lực nhằm tăng hiệu hấp thụ rung dải tần định Ở dải tần số riêng thiết bị hấp thụ rung hiệu hấp thụ rung đạt cực đại Đặc biệt độ nhớt thiết bị hấp thụ rung nhỏ khơng rung lắc tần 24 số tần số riêng thiết bị hấp thụ rung bị hấp thụ hồn tồn Lợi dụng đặc tính ta sử dụng nhiều thiết bị hấp thụ rung đồng thời để mở rộng dải hấp thụ rung lắc nhằm tăng độ xác thiết bị - Xác định tham số động học UAV Orbiter làm sở mơ phỏng, kiểm chứng thuật tốn đề xuất - Xây dựng mơ hình động lực học thiết bị bay, thiết kế vịng điều khiển kín kênh thiết bị bay hệ thống hoạt động chế độ ơ-tơ-nơm Xây dựng thuật tốn tổng hợp lệnh điều khiển ổn định góc nghiêng sử dụng điều khiển PID thích nghi theo mơ hình chuẩn cho lớp thiết bị bay không người lái sở luật MIT lý thuyết ổn định Lyapunov Những đóng góp luận án Nghiên cứu, khảo sát động lực học tính ổn định hệ thống đế ổn định ba trục Xây dựng thuật toán bù khử để loại bỏ ảnh hưởng tác động xen kênh trục, đưa toán ổn định ba trục phức tạp giải toán ổn định trục Đưa phương pháp sử dụng thiết bị hấp thụ rung có tính chất nhớt hấp thụ rung động lực vào toán ổn định đế Xác định tham số động học UAV Orbiter làm sở mơ phỏng, kiểm chứng thuật tốn đề xuất Xây dựng thuật toán tổng hợp điều khiển PID thích nghi theo mơ hình mẫu sở luật MIT lý thuyết ổn định Lyapunov để nâng cao chất lượng vịng điều khiển kín TBBKNL Hướng nghiên cứu luận án Nghiên cứu, thử nghiệm chế tạo mạch dao động điện tử dựa tính chất thiết bị hấp thụ rung nhằm nâng cao độ ổn định cấu đế HTDĐQT Tiếp tục nghiên cứu ứng dụng thuật toán điều khiển đại vào nâng cao chất lượng điều khiển TBBKNL, xây dựng thuật toán điều khiển kháng lỗi hệ thống tự động bay TBB xuất sai số cảm biến lỗi cấu truyền động DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ Lê Tuấn Anh, Phan Tương Lai, Hồng Thế Khanh, Nguyễn Quang Vịnh, (2015), “Nghiên cứu, xây dựng thuật toán khảo sát sai số hệ thống dẫn đường qn tính có đế với cảm biến định hướng tự theo phương vị”, ISSN 1859- 1043, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số đặc san KHCNQS, 10-2015, tr.73-81 Lê Tuấn Anh, Phan Tương Lai, Hoàng Thế Khanh, Đồng Văn Tấn, Trần Quang Minh, (2015), “Về phương pháp xác định tham số dẫn đường hệ thống dẫn đường quán tính sử dụng la bàn kiểu quay với cảm biến đo tốc độ góc”, ISSN 1859- 1043, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số đặc san KH-CNQS, 10-2015, tr.82-92 Hoàng Việt Trung, Lê Tuấn Anh, Phan Tương Lai, Trần Hoài Nam, (2016), “Xác định hệ số khí động phục vụ tốn mơ động lực học bay máy bay không người lái Orbiter 2”, ISSN 1859- 1043,Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số đặc san KH-CNQS, 04-2016, tr.30-36 Hoàng Việt Trung, Phạm Văn Tùng, Đồng Văn Tấn, Hồng Thế Khanh, Vũ Xn Thìn, Vũ Mạnh Tuấn, Lê Tuấn Anh, (2016), “Nghiên cứu mơ hình động lực học bay cho máy bay không người lái”, ISSN 1859- 1043,Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số đặc san Viện Tên Lửa, 9-2016, tr.337348 Hoàng Mạnh Tưởng, Lê Tuấn Anh , Phạm Trung Dũng, Nguyễn Tiến Anh, (2018), “So sánh phương án lựa chọn sơ đồ bù khử chuyển động kéo theo thuật toán định hướng”, ISSN 1859- 1043,Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 55, 06 – 2018 Nguyễn Đình Duy, Lê Tuấn Anh, Phạm Khắc Lâm, Phan Thế Sơn, (2019), “Phương pháp xác định góc định hướng tên lửa chống tăng B72, sử dụng cảm biến vi điện tử MEMS”, ISSN 1859- 1043,Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 – 2019, tr.164-171 Lê Tuấn Anh, Phan Tương Lai, Hoàng Mạnh Tưởng, Nguyễn Văn Hùng, (2020), “Nâng cao độ xác định phương thẳng đứng nhờ thiết bị hấp thu rung có tính chất ma sát nhớt”, ISSN 1859- 1043,Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 67 ,06 -2020, tr 25-32 Lê Tuấn Anh, Phan Tương Lai, Hoàng Mạnh Tưởng, Nguyễn Văn Hùng, (2020), “Tính tốn tham số thiết bị hấp thụ rung động lực cho hệ thống ổn định đế dạng lực”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, hội thảo quốc gia: ứng dụng công nghệ cao vào thực tiễn – 60 năm phát triển Viện KH-CN Quân sự, 10-2020, tr.84-90 ... chứng phương pháp tính đề xuất 2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Hệ thống dẫn đường quán tính có đế (GINS), hệ thống điều khiển ổn định kênh thiết bị bay không người lái (UAV) chiến thuật... tác động mơ men nhiễu loạn Trên sở GINS nâng cao độ xác, xây dựng mơ hình chuyển động thiết bị bay không gian điều khiển ổn định kênh thiết bị bay nhằm nâng cao chất lượng vịng điều khiển kín thiết. .. động lực để nâng cao độ xác HTDĐQT 2.3.1 Nâng cao độ ổn định đế thiết bị hấp thụ rung có tính chất nhớt Trên hình 2.29 mơ tả sơ đồ động học hệ thống đế ổn định sử dụng hấp thụ rung Trong vỏ thiết
Ngày đăng: 28/05/2021, 07:30
Xem thêm: