Tổng hợp thuật toán điều khiển hạ cánh theo chương trình cho máy bay không người lái cỡ nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ NGƠ VĂN TỒN TỔNG HỢP THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN HẠ CÁNH THEO CHƯƠNG TRÌNH CHO MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI CỠ NHỎ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ NGƠ VĂN TỒN TỔNG HỢP THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN HẠ CÁNH THEO CHƯƠNG TRÌNH CHO MÁY BAY KHƠNG NGƯỜI LÁI CỠ NHỎ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 9.52.02.16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Lê Thanh Phong TS Nguyễn Xuân Căn HÀ NỘI – 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Những nội dung, số liệu kết trình bày Luận án hoàn toàn trung thực chưa có tác giả cơng bố cơng trình khác TÁC GIẢ LUẬN ÁN Ngơ Văn Toàn ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể cán hướng dẫn, thầy giáo: Đại tá, TS Nguyễn Xuân Căn Đại tá, TS Lê Thanh Phong giúp đỡ khuyến khích tơi suốt thời gian thực Luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn nhà khoa học, tập thể cán Bộ môn Tên Lửa / Khoa Kỹ thuật điều khiển quan tâm đóng góp ý kiến giúp tơi hồn thiện nội dung nghiên cứu Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn gia đình, vợ con, bạn bè đồng nghiệp ln động viên, khuyến khích giúp tơi có thêm nghị lực để hoàn thành nội dung Luận án iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiv MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN HẠ CÁNH UAV 1.1 Khái quát chung UAV hệ tọa độ sử dụng kỹ thuật điều khiển UAV 1.1.1 Khái quát chung UAV 1.1.2 Các hệ tọa độ sử dụng kỹ thuật điều khiển UAV 1.1.3 Mối quan hệ hệ tọa độ 11 1.2 Đặc điểm trình hạ cánh hệ thống điều khiển hạ cánh UAV 15 1.2.1 Đặc điểm trình hạ cánh 15 1.2.2 Các loại hệ thống điều khiển hạ cánh UAV 18 1.3 Gió ảnh hưởng nhiễu động gió đến q trình hạ cánh UAV 21 1.4 Tình hình nghiên cứu nước ngồi nước 24 1.4.1 Tình hình nghiên cứu nước 25 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nước 28 1.4.3 Hướng tiếp cận Luận án 30 1.5 Kết luận chương 34 Chương TỐI ƯU QUỸ ĐẠO HẠ CÁNH CHO UAV 35 2.1 Cơ sở giải toán điều khiển tối ưu quỹ đạo hạ cánh 35 2.1.1 Nguyên lý cực đại Pontryagin 35 2.1.2 Các tiêu chất lượng 40 iv 2.1.3 Phương pháp giải toán biên 43 2.2 Ứng dụng thuật toán tối ưu giải toán tối ưu quỹ đạo hạ cánh 47 2.2.1 Thiết lập toán tối ưu quỹ đạo hạ cánh UAV 47 2.2.2 Giải toán tối ưu quỹ đạo hạ cánh UAV 51 2.2.3 Đánh giá toán tối ưu quỹ đạo hạ cánh 58 2.3 Kết luận chương 65 Chương TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN KÊNH CHUYỂN ĐỘNG DỌC CHO UAV CỠ NHỎ TRONG ĐIỀU KIỆN CÓ GIÓ 67 3.1 Mơ hình động học chuyển động dọc UAV 67 3.1.1 Hệ phương trình chuyển động dọc độc lập UAV 67 3.1.2 Tuyến tính hố hệ phương trình chuyển động dọc UAV 73 3.1.3 Xây dựng hàm truyền UAV 81 3.2 Thuật toán bám quỹ đạo hạ cánh UAV 85 3.2.1 Điều khiển tự động ổn định độ cao sử dụng tín hiệu góc chúc ngóc 87 3.2.2 Điều khiển tự động ổn định độ cao sử dụng tín hiệu tải đứng 91 3.2.3 Điều khiển tự động ổn định độ cao kết hợp 93 3.2.4 Xác định tham số đầu vào luật điều khiển 94 3.3 Thuật toán điều khiển bám tốc độ UAV 95 3.4 Kết luận chương 96 Chương MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 98 4.1 Đánh giá toán tối ưu quỹ đạo hạ cánh UAV thay đổi điều kiện biên 98 4.1.1 Khi thay đổi điều kiện ban đầu 98 4.1.2 Khi thay đổi điều kiện cuối 102 4.2 Đánh giá vịng điều khiển kín kênh chuyển động dọc UAV 107 4.2.1 Dữ liệu đầu vào mô 107 4.2.2 Lựa chọn hệ số luật điều khiển 108 v 4.2.3 Kết mơ trường hợp khơng có gió 112 4.2.4 Kết mơ trường hợp có gió dọc 114 4.2.5 Kết mơ trường hợp có gió đứng 118 4.3 Kết luận chương 121 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 123 DANH MỤC NHỮNG CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt: UAV máy bay không người lái TBB thiết bị bay HPTVP hệ phương trình vi phân ГРМ đài chuẩn hướng hạ cánh КРМ đài chuẩn tầm hạ cánh Ký hiệu: Ooxoyozo hệ tọa độ mặt đất Oxgygzg hệ tọa độ mặt đất di động Ox1y1z1 hệ tọa độ liên kết Oxryrzr hệ tọa độ tốc độ Oxkykzk hệ tọa độ quỹ đạo  góc chúc ngóc 𝜓 góc hướng  góc nghiêng (cren, roll), góc trục Oz mặt phẳng nằm ngang Oxgzg  góc nghiêng quỹ đạo  góc (của véc tơ địa tốc Vk ) r góc khơng tốc (của véc tơ khơng tốc Vr )  x ,  y , z tốc độ góc thiết bị bay hệ tọa độ liên kết mz z đạo hàm hệ số mô men chúc ngóc theo  z , với  z  z m z c đạo hàm hệ số mô men chúc ngóc theo cánh lái độ cao m đạo hàm hệ số mơ men chúc ngóc theo tốc độ góc z ba Vr vii Mx, My, Mz mô men khí động hệ tọa độ liên kết Jx, Jy, Jz mơ men qn tính UAV quanh tâm khối Yr lực nâng hệ tọa độ tốc độ Xr lực cản hệ tọa độ tốc độ  khối lượng riêng khơng khí m khối lượng UAV Vr không tốc (tốc độ tương đối UAV so với khơng khí) Vk địa tốc (tốc độ tuyệt đối UAV so với mặt đất) Vhc vận tốc hạ cánh UAV (vận tốc tiếp đất) Vmt vận tốc mục tiêu di động W vận tốc gió Wx vận tốc gió dọc Wy vận tốc gió đứng ba dây cung khí động trung bình S diện tích cánh hiệu dụng UAV T lực kéo động c góc lệch cánh lái độ cao h góc lệch cánh lái hướng ny1 tải đứng theo hệ tọa độ liên kết nx1 tải dọc trục theo hệ tọa độ liên kết ny tải đứng theo hệ tọa độ tốc độ (quá tải pháp tuyến vận tốc) nx tải dọc theo hệ tọa độ tốc độ (quá tải tiếp tuyến vận tốc ) H Độ cao chuyến bay Hct độ cao theo chương trình Ho độ cao bay (bắt đầu vào hạ cánh) viii ct góc chúc ngóc theo chương trình n yct q tải đứng theo chương trình Kz hệ số cản dịu kênh dọc u(t) tín hiệu điều khiển PV , P , Px , Py biến đồng trạng thái tương ứng biến V , , x , y t0 thời điểm bắt đầu vào hạ cánh tf thời điểm kết thúc hạ cánh (UAV tiếp đất) J hàm mục tiêu hàm Hamilton L hàm Lagrange G hàm Terminant s tham số liên tục p hàm Laplace Lhc quãng đường hạ cánh Lhđc quãng đường hạ độ cao Lkb quãng đường kéo Lhđ quãng đường hãm đà l chiều dài đường băng l khoảng cách từ đầu đường băng đến vị trí tiếp mong muốn G trọng lực UAV g gia tốc trọng trường (g = 9,80665 m/s²); Cx hệ số lực cản diện Cy hệ số lực nâng hdc độ cao động so với trục dọc UAV 142 function [ff]=dFdf(x,tf) global luu_ff; dF=0.01; %voi gia tri ban dau V=x(1); Tet=x(2); x0=x(4); y0=x(4); F1=x(5); F2=x(6);F3=x(7); F(4)=x(8); F0=Ftk(x,tf);%[V Tet xo yo P_V P_Teta P_xo P_yo] f10=F0(1);f20=F0(2);f30=F0(3);f40=F0(4);f50=F0(5); %voi gia tri F1+dF x1=x; x1(5)=x(5)+dF; F0=Ftk(x1,tf);%[V Tet xo yo P_V P_Teta P_xo P_yo] f11=F0(1);f21=F0(2);f31=F0(3);f41=F0(4);f51=F0(5); %voi gia tri F2+dF x2=x; x2(6)=x(6)+dF; F0=Ftk(x2,tf);%[V Tet xo yo P_V P_Teta P_xo P_yo] f12=F0(1);f22=F0(2);f32=F0(3);f42=F0(4);f52=F0(5); %voi gia tri F3+dF x3=x; x3(7)=x(7)+dF; F0=Ftk(x3,tf);%[V Tet xo yo P_V P_Teta P_xo P_yo] f13=F0(1);f23=F0(2);f33=F0(3);f43=F0(4);f53=F0(5); %voi gia tri F4+dF x4=x; x4(8)=x(8)+dF; F0=Ftk(x4,tf);%[V Tet xo yo P_V P_Teta P_xo P_yo] f14=F0(1);f24=F0(2);f34=F0(3);f44=F0(4);f54=F0(5); %voi gia tri tf+dF x5=x; tf=tf+dF; F0=Ftk(x5,tf);%[V Tet xo yo P_V P_Teta P_xo P_yo] f15=F0(1);f25=F0(2);f35=F0(3);f45=F0(4);f55=F0(5); % Tinh gia tri ma tran J ff1(1,1)=(f11-f10)/dF; ff1(1,2)=(f12-f10)/dF; ff1(1,3)=(f13-f10)/dF; ff1(1,4)=(f14-f10)/dF; ff1(1,5)=(f15-f10)/dF; ff1(2,1)=(f21-f20)/dF; ff1(2,2)=(f22-f20)/dF; ff1(2,3)=(f23-f20)/dF; ff1(2,4)=(f24-f20)/dF; ff1(2,5)=(f25-f20)/dF; ff1(3,1)=(f31-f30)/dF; 143 ff1(3,2)=(f32-f30)/dF; ff1(3,3)=(f33-f30)/dF; ff1(3,4)=(f34-f30)/dF; ff1(3,5)=(f35-f30)/dF; ff1(4,1)=(f41-f40)/dF; ff1(4,2)=(f42-f40)/dF; ff1(4,3)=(f43-f40)/dF; ff1(4,4)=(f44-f40)/dF; ff1(4,5)=(f45-f40)/dF; ff1(5,1)=(f51-f50)/dF; ff1(5,2)=(f52-f50)/dF; ff1(5,3)=(f53-f50)/dF; ff1(5,4)=(f54-f50)/dF; ff1(5,5)=(f55-f50)/dF; ff=-inv(ff1); %Chu y dau tru end dX 3.Chương trình tính dt function ff=DXDT(t,f) %Ham tinh dao ham rieng cua V,Tet, yo theo thoi gian global Re gE m0 Te0 S k1 k2 Xf Yf Tetaf tf; global t_Hamilton Hamilton dem_Hamilton nxx nyy ny_min ny_max ny_opt_old OFF_Hamilton anfa_fa rho; global anfa_min anfa_max VV Vf P; ff = zeros(8,1); V=f(1); Tet=f(2); x=f(3); y=f(4); P_V=f(5); P_Teta=f(6);P_x=f(7); P_y=f(8); %Qua tai toi uu nx=-P_V*gE*k1^2;%Truong hop dV/dt#0; ny=-P_Teta*gE/V*k2^2; ff(1)=gE*(nx-sin(Tet)); ff(2)=gE/V*(ny-cos(Tet)); ff(3)=V*cos(Tet); ff(4)=V*sin(Tet); ff(5)=P_Teta*gE/V^2*(ny-cos(Tet))-P_x*cos(Tet)-P_y*sin(Tet); ff(6)=P_V*gE*cos(Tet)-P_Teta*gE/V*sin(Tet)+P_x*V*sin(Tet)P_y*V*cos(Tet); ff(7)=0; ff(8)=0; if OFF_Hamilton==1 144 if t==0 dem_Hamilton=1; t_Hamilton(1)=0; Hamilton (1)=P_V*ff(1)+P_Teta*ff(2)+P_x*ff(3)+P_y*ff(4)+(0.5*nx^2)/k1^2+1/2*ny ^2/k2^2; nxx(1)=nx; nyy(1)=ny; VV(1)=V; anfa_fa(1)=(2*ny*m0*gE)/(5.9*rho*V^2*S+2*P); end; if (t>=t_Hamilton(dem_Hamilton)+0.0001); dem_Hamilton =dem_Hamilton+1; t_Hamilton(dem_Hamilton)=t; Hamilton (dem_Hamilton)=P_V*ff(1)+P_Teta*ff(2)+P_x*ff(3)+P_y*ff(4)+(0.5*nx^2)/ k1^2+1/2*ny^2/k2^2; nxx(dem_Hamilton)=nx; nyy(dem_Hamilton)=ny; VV(dem_Hamilton)=V; anfa_fa(dem_Hamilton)=(2*nyy(dem_Hamilton)*m0*gE)/(5.9*rho*VV(dem _Hamilton)^2*S+2*P); end; end; end Chương trình tính Cx %Xay dung ham Cx theo M va alpha function fCx=fCx(M,alpha) M0=[0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20]; alpha0=[0 7]; alpha0=alpha0*pi/180; alpha=abs(alpha); Cx0=[ 0.020974319 0.021388468 0.022630915 0.02470166 0.027600702 0.031328043 0.035883681 0.041267617 0.020349917 0.020765163 0.0220109 0.024087128 0.026993847 0.030731057 0.035298758 0.04069695 0.019806494 0.020223053 0.02147273 0.023555524 0.026471436 0.030220466 0.034802614 0.040217879 145 0.019317518 0.019735617 0.020989911 0.023080403 0.02600709 0.029769974 0.034369055 0.039804332 0.018892091 0.019311965 0.020571587 0.022670956 0.025610072 0.029388937 0.034007549 0.039465909 0.018557325 0.018979222 0.020244913 0.022354398 0.025307676 0.029104749 0.033745616 0.039230277]; fCx=interp2(alpha0,M0,Cx0,alpha,M,'spline'); end Chương trình tính Cy %Xay dung ham Cx theo M va alpha function fCy=fCy(M,alpha) M0=[0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20]; alpha0=[0 7]; alpha0=alpha0*pi/180; dau=1; if alpha