Ngày nay, các robot đƣợc thiết kế và chế tạo trên nền công nghệ tiên tiến có độ thông minh cao, có khả năng đƣa ra quyết định ở những tình huống phức tạp và hoạt động trong những điều kiện khắc nghiệt [14],[24], chúng có thể hỗ trợ con người trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nhất là những công việc nặng nhọc, những nơi con người khó có thể tới, cũng như những nơi nguy hiểm đến sức khỏe và tính mạng của con người. Một trong những loại robot đƣợc đầu tƣ nghiên cứu với những công nghệ tiên tiến và phát triển nhanh đó là các phương tiện bay không người lái (UAV - Unmanned Aerial Vehicle) hay còn đƣợc gọi là robot bay.
UAV ban đầu được gọi là máy bay không người lái và xuất hiện lần đầu tiên trong chiến tranh thế giới thứ nhất, chúng thực hiện các nhiệm vụ quân sự thuần túy, và kể từ đó UAV đã phát triển không ngừng cho những ứng dụng khác nhau [10],[37],[48],[61]. Ứng dụng ƣu tiên hàng đầu của UAV là sử dụng trong các hoạt động quân sự, nhƣ hoạt động trinh sát thu thập dữ liệu và quan sát kẻ thù [9],[12],[51], các hệ thống UAV đƣợc sử dụng trong các nhiệm vụ dân sự ở những vùng nguy hiểm hoặc ở những nơi khó khăn cho con người thực hiện các nhiệm vụ [39],[40],[60]. Trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học, các UAV cũng đƣợc sử dụng trong một số nhiệm vụ điều tra tài nguyên khu vực, thu thập dữ liệu, quan sát núi lửa, dự báo thời tiết, giám sát các lãnh thổ tự trị và các hoạt động khác nhau [42],[46],[52]. Sự trải rộng các ứng dụng của hệ thống UAV đã làm tăng sự quan tâm nghiên cứu về UAV và làm cho lĩnh vực thiết kế và vận hành UAV là hướng phát triển năng động nhất trong ngành hàng không vũ trụ [29], [62].
UAV có các cấu hình khác nhau và hoạt động theo các kiểu khác nhau nhƣ máy bay cánh cố định, cánh xoay hoặc cất và hạ cánh thẳng đứng (VTOL
2
- Vertical Take-Off and Landing) với phân khúc phát triển nhanh chóng của tất cả các thị trường UAV [11],[73],[74]. Ngoài ra, các hệ thống VTOL đóng góp chính trong các ứng dụng phi quân sự [39]. Bất kể chủng loại hay ứng dụng, ngày nay, xu hướng chuyển sang các hệ thống UAV với trọng lượng nhỏ hơn, linh hoạt hơn, ít tốn kém hơn và nhẹ hơn [13],[21],[34],[49], điều này dẫn đến sự xuất hiện và phát triển của các phương tiện thu nhỏ trên không (MAV - micro air vehicle) và thậm chí là các UAV vi mô trong một số cỏc dự ỏn đƣợc gọi là àUAV [14]. Hơn nữa, cỏc dự ỏn UAV mới nhất triển khai các hệ thống nhiều UAV để thực hiện đƣợc nhiều nhiệm vụ phức tạp hơn và giám sát đƣợc khu vực hoạt động rộng hơn [45],[68]. Các hoạt động nhiều UAV được hưởng lợi từ sự phát triển của công nghệ mới trong hệ thống dẫn đường, hệ thống truyền thông và điều khiển.
Việc thiết kế, chế tạo và vận hành một hệ thống UAV đƣợc kiểm soát bởi một số yếu tố như cơ học bay, phương tiện đo, khả năng tính toán máy tính nhúng và những giới hạn vật lý của thiết bị [18]. Từ quan điểm nghiên cứu, tất cả các yếu tố và các khía cạnh khác của hệ thống UAV đƣợc phân tích và nghiên cứu với mục tiêu cuối cùng là nâng cao khả năng và tính ổn định của UAV, giảm thiểu các yêu cầu về năng lƣợng và đạt đƣợc tự động bay hoàn toàn [15],[42],[63]. Với việc số lƣợng các công trình nghiên cứu về các lĩnh vực của UAV tăng nhanh trong thời gian vừa qua, một số những thách thức và khó khăn của lĩnh vực này đã giải quyết đƣợc, tuy nhiên còn rất nhiều bài toán mở vẫn còn phải đối mặt, đặc biệt trong lĩnh vực điều khiển và dẫn đường hệ thống UAV [29],[47],[62]. Hơn nữa, sự gia tăng của các UAV cỡ nhỏ (MAVs) mở ra cánh cửa cho nhiều nghiên cứu liên quan đặc biệt đến thiết kế và phát triển các hệ thống này do chúng giới hạn về kích thước, trọng lƣợng và công suất của những chiếc UAV cỡ nhỏ [14].
3
Hiện nay, nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển cho thiết bị bay thường tập trung vào nghiên cứu các vấn đề về điều khiển máy bay không người lái (UAV) như máy bay trực thăng, hex-rotor, quadrotor và tri-rotor vì các ứng dụng đa dạng của chúng, đặc biệt lĩnh vực quân sự nhằm nâng cao khả năng bay và độ ổn định bay khi thực hiện các nhiệm vụ bay khác nhau khi tính đến những yếu tố phi tuyến của mô hình cũng nhƣ tác động nhiễu [26], [38]. Bên cạnh đó, những yếu tố khác cũng cần phải tìm ra những giải pháp để vƣợt qua một số những bài toán phải đối mặt nhƣ kinh phí, năng lƣợng, khả năng mang tải [46].
Nhƣ phân tích trên, UAV có nhiều loại khác nhau, tuy nhiên nhóm UAV lên xuống thẳng đứng có sự phát triển và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong cả các ứng dụng quân sự và ứng dụng dân sự. Chính vì lý do này, trong luận án này lựa chọn mô hình UAV dạng tri-rotor để nghiên cứu với những lý do sau:
1. Lý do năng lượng: Giảm số động cơ cánh quạt (còn 03 động cơ) điều này sẽ tiết kiệm năng lƣợng [16],[61],[66];
2. Định hướng của UAV: So sánh cấu trúc tri-rotor với cấu trúc quadrotor, sự định hướng của quadrotor nhanh chóng biến mất ở khoảng cách lớn do cấu trúc của nó là đối xứng. So với quadrotor, định hướng ba cánh là rõ ràng tốt hơn ở khoảng cách xa hơn;
3. Động lực học bay: Ƣu điểm chính của tri-rotor là nó có động lực bay
nhƣ máy bay cánh cố định trong khi bay, trong khi một quadrotor hoạt động giống nhƣ một máy bay rotor đơn. Cấu trúc của tri-rotor cho phép cánh quạt chuyển đổi góc nghiêng để đạt đƣợc sự ổn định trong không gian của UAV, khả năng bay lƣợn, bay thẳng cơ động hơn và còn cất cánh thẳng đứng [67];
4. Khả năng điều khiển góc xoay (yaw): Điều khiển góc yaw đƣợc sử dụng cho phép quay UAV xung quanh trục thẳng đứng. Góc nghiêng cho phép UAV thực hiện các phép quay nhanh hơn theo một tham chiếu cụ thể.
4
So sánh với tri-rotor, việc điều khiển góc yaw của quad-rotor đƣợc thực hiện bởi sự thay đổi mô-men xoắn bằng cách sử dụng tất cả bốn động cơ. Tri-rotor chỉ cần thay đổi tốc độ của một trong bất kỳ động cơ sẽ làm cho UAV quay.
Trong việc thay đổi cánh lái của các tri-rotor là một trong những ƣu điểm nữa nhằm nâng cao khả năng cơ động cũng nhƣ thay đổi góc yaw bằng cách quay các động cơ của UAV xung quanh trục của UAV. Xoay UAV bằng cách sử dụng các lực này thay vì vectơ mô-men xoắn đòi hỏi nhiều cánh quạt hơn để có thể đáp ứng cho các ứng dụng lực trên trục thẳng đứng. Điều này có nghĩa là các cánh quạt hoạt động ở công suất cực đại và cánh quạt phía sau vẫn có thể quay UAV. Nếu duy trì định hướng ngay cả trong môi trường gió, tri- rotror sẽ rất hiệu quả và dễ điều khiển hơn nhờ điều chỉnh cánh quạt phía sau chống lại lực của gió và quay cánh lái UAV giúp cho UAV có thể hoạt động dễ dàng trong các môi trường này, trong khi động cơ quadrotor có cùng kích thước sẽ không bay tốt trong trường hợp nêu trên [32],[47],[56],[58].
Ngoài những lý do trên, mô hình động lực học của tri-rotor có độ phức tạp, liên kết ràng buộc giữa các kênh nhiều hơn so với mô hình động lực học quadrotor vì kết cấu của tri-rotor. Chính vì vậy cần nghiên cứu hoàn thiện những thuật toán điều khiển cho lớp UAV với mô hình phi tuyến mạnh này với hai mục đích, thứ nhất là tạo ra những bộ điều khiển tri-rotor bay ổn định trong các chế độ khác nhau; thứ hai là nghiên cứu phát triển thêm về mặt lý thuyết cũng nhƣ thực nghiệm những thuật toán điều khiển phi tuyến cho lớp mô hình động lực học phi tuyến này.
Mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu khác nhau trong và ngoài nước về điều khiển, ổn định, cất cánh và hạ cánh tri-rotor với các bộ điều khiển nhƣ PID, LQR, điều khiển trƣợt (SMC), điều khiển Backstepping, thuật toán điều khiển thích nghi, thuật toán điều khiển tối ƣu, thuật toán điều khiển bền vững, điều khiển thông minh,… Nhƣng với mô hình phi tuyến mạnh của
5
tri-rotor vẫn còn nhiều bài toán mở những chất lƣợng điều khiển tốt hơn tài luận án của mình với đề tài: “Xây
cần tiếp tục giải quyết nhằm đạt đƣợc và ổn định hơn, do đó NCS lựa chọn đề dựng thuật toán ổn định và điều khiển UAV dạng tri-rotor khối lượng nhỏ”. Nội dung nghiên cứu của luận án sẽ tập trung giải quyết tổng hợp bộ điều khiển cho tri-rotor với các tiếp cận mô hình phi tuyến từ đơn giản đến mô hình đầy đủ.