CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ THỰC THI CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO Q-UAV BẰNG CÔNG NGHỆ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG
4.3. Tiến hành thử nghiệm và đánh giá hệ thống điều khiển Q-UAV
4.3.2. Thử nghiệm và đánh giá bay tự động bám theo các quỹ đạo mong muốn
Đây là kịch bản thử nghiệm khả năng bay tự động bám theo các quỹ đạo mong muốn được đặt trước thông qua máy tính điều khiển, nhằm đánh giá khả năng bám quỹ đạo cũng như khả năng tự cân bằng ổn định của Q- UAV.
Để thiết lập các điểm đi, sau khi kết nối phần cứng điều khiển trên Q- UAV với máy tính, ta sẽ chuyển sang Tab Flight Plan. Ở đây xuất hiện khung giao diện bản đồ với bản đồ Google Map khi có kết nối Internet.
Trong kịch bản này, luận án đã thực hiện theo 4 quỹ đạo với 3 góc mở lái và tốc độ bay khác nhau như sau:
113
Trường hợp 1: Bay theo quỹ đạo 4 điểm với góc mở lái lớn nhất tại mỗi điểm là 90 độ với vận tốc là 2,5 m/s.
Trường hợp 2: Bay theo quỹ đạo 4 điểm với góc mở lái lớn nhất tại mỗi điểm là 60 độ với vận tốc là 2,5 m/s.
Trường hợp 3: Bay theo quỹ đạo 4 điểm với góc mở lái lớn nhất tại mỗi điểm là 60 độ với vận tốc là 3,5 m/s.
Trường hợp 4: Bay theo quỹ đạo 4 điểm với góc mở lái lớn nhất tại mỗi điểm là 30 độ với vận tốc là 3,5 m/s.
Dưới đây là các kết quả thử nghiệm và đánh giá khả năng bám quỹ đạo cũng như khả năng tự cân bằng ổn định của Q-UAV cho các trường hợp trên.
+ Trường hợp 1: Bay theo quỹ đạo 4 điểm với góc mở lái lớn nhất tại mỗi điểm là 90 độ với vận tốc là 2,5 m/s (hình 4.14). Trong đó, đường màu vàng là quỹ đạo mong muốn cài đặt trên máy tính; đường màu xanh nước biển là quỹ đạo thực tế mà Q-UAV đã di chuyển.
Hình 4.14. Màn hình theo dõi và cài đặt các điểm đường (WP): trường hợp 1 Sau khi tiến hành bay thực tế và thu được toàn bộ bảng ghi (dạng logfile) các tham số điều khiển và thông số trạng thái của Q-UAV. Luận án thực hiện lấy số liệu thực tế thu được từ thiết bị GPS và chuyển các giá trị
114
kinh độ và vĩ độ thu được từ GPS sang hệ trục tọa độ NED, nhằm dễ dàng trực quan đánh giá sai số chi tiết trong trường hợp bay bám theo quỹ đạo đặt sẵn trên phần mềm MatLab-Simulink (hình 4.15 và 4.16).
Hình 4.15. Quỹ đạo di chuyển thực tế thu được của Q-UAV: trường hợp 1
Hình 4.16. Quỹ đạo di chuyển mô phỏng của Q-UAV: trường hợp 1 Như trên các hình 4.14, 4.15 và 4.16: tại các điểm WP1 và WP2, Q- UAV đã bay bám khá sát với góc quỹ đạo mong muốn; tại điểm WP3, Q- UAV đã bay vọt qua điểm cài đặt ~ 2,0m. Tuy nhiên, tại mỗi điểm WP đã được đặt một vòng tròn sai số có bán kính là 2,0m. Điều này hoàn toàn phù
115
hợp trong điều kiện thử nghiệm thực tế hiện nay. Trên quãng đường di chuyển giữa các WP, Q-UAV đã bám sát với đường thẳng quỹ đạo đặt ra với sai số lớn nhất là 0,8m.
Hình 4.17 cho thấy được khoảng cách và thời gian di chuyển giữa các WP của Q-UAV, cũng như theo dõi được khoảng cách còn lại để đi đến các điểm WP tiếp theo.
Hình 4.17. Khoảng cách và thời gian di chuyển giữa các WP của Q-UAV:
trường hợp 1
Hình 4.18 và 4.19 cho phép đánh giá được sự đáp ứng điều khiển đối với các góc RPY tương ứng. Ở đây, góc điều khiển trạng thái thực tế hoàn toàn bám được so với góc điều khiển trạng thái mong muốn.
Hình 4.18. Đồ thị theo dõi giữa góc chúc điều khiển mong muốn và thực tế:
trường hợp 1
116
Hình 4.19. Đồ thị theo dõi giữa góc nghiêng điều khiển mong muốn và thực tế: trường hợp 1
+ Trường hợp 2: Bay theo quỹ đạo 4 điểm với góc mở lái lớn nhất tại mỗi điểm là 60 độ với vận tốc là 2,5 m/s (hình 4.20). Trong đó, đường màu vàng là quỹ đạo mong muốn cài đặt trên máy tính; đường màu xanh nước biển là quỹ đạo thực tế mà Q-UAV đã di chuyển.
Hình 4.20. Màn hình theo dõi và cài đặt các điểm đường (WP): trường hợp 2 Như trên hình 4.20, quỹ đạo di chuyển thực tế của Q-UAV từ điểm Home đến điểm WP1 chưa được bám sát vào quỹ đạo cài đặt trên máy tính vì
117
do quá trình quá độ cất cánh bằng tay sau đó mới chuyển chế độ từ bằng tay sang chế độ tự động và ngay sau đó Q-UAV di chuyển tự động tới điểm WP1.
Điều này hoàn toàn phù hợp so với quỹ đạo di chuyển mô phỏng của Q-UAV (hình 4.21).
Hình 4.21. Quỹ đạo di chuyển mô phỏng của Q-UAV: trường hợp 2 Trên hình 4.22: tại điểm WP3, Q-UAV bay quanh điểm này là lâu nhất và duy trì khoảng cách tới điểm tiếp theo ở 11m với lý do thời gian quá độ trong điều khiển thiết bị bay và bộ điều khiển cần thời gian để đáp ứng điều khiển tới điểm tiếp theo.
Hình 4.22. Khoảng cách và thời gian di chuyển giữa các WP của Q-UAV:
trường hợp 2
118
Hình 4.23 và 4.24 cho phép đánh giá được sự đáp ứng điều khiển đối với các góc RPY tương ứng. Ở đây, góc điều khiển trạng thái thực tế hoàn toàn bám được so với góc điều khiển trạng thái mong muốn.
Hình 4.23. Đồ thị theo dõi giữa góc chúc điều khiển mong muốn và thực tế:
trường hợp 2
Hình 4.24. Đồ thị theo dõi giữa góc nghiêng điều khiển mong muốn và thực tế: trường hợp 2
+ Trường hợp 3: Bay theo quỹ đạo 4 điểm với góc mở lái lớn nhất tại mỗi điểm là 60 độ với vận tốc là 3,5 m/s (hình 4.25). Trong đó, đường màu vàng là quỹ đạo mong muốn cài đặt trên máy tính; đường màu xanh nước biển là quỹ đạo thực tế mà Q-UAV đã di chuyển.
119
Hình 4.25. Màn hình theo dõi và cài đặt các điểm đường (WP): trường hợp 3 Khi tăng tốc độ di chuyển lên 3.5 m/s, Q-UAV bám khá tốt vào quỹ đạo được cài đặt như trên. Thời gian quá độ điều khiển tại mỗi điểm WP cài đặt là nhỏ. Điều này là hoàn toàn phù hợp so với quỹ đạo di chuyển mô phỏng của Q-UA trên hình 4.26.
Hình 4.26. Quỹ đạo di chuyển mô phỏng của Q-UAV: trường hợp 3
120
Trong trường hợp này, do tốc độ di chuyển của Q-UAV được gia tăng lên 3,5 m/s nên tốc độ đáp ứng góc điều khiển trạng thái sẽ bị chậm hơn so với góc điều khiển trạng thái mong muốn như trên hình 4.27 và 4.28.
Hình 4.27. Đồ thị theo dõi giữa góc chúc điều khiển mong muốn và thực tế:
trường hợp 3
Hình 4.28. Đồ thị theo dõi giữa góc nghiêng điều khiển mong muốn và thực tế: trường hợp 3
+ Trường hợp 4: Bay theo quỹ đạo 4 điểm với góc mở lái lớn nhất tại mỗi điểm là 30 độ với vận tốc là 3,5 m/s (hình 4.29). Trong đó, đường màu vàng là quỹ đạo mong muốn cài đặt trên máy tính; đường màu xanh nước biển là quỹ đạo thực tế mà Q-UAV đã di chuyển.
121
Hình 4.29. Màn hình theo dõi và cài đặt các điểm đường (WP): trường hợp 4 Như được mô tả trên hình 4.29 và 4.30: tại điểm WP3, với góc mở lái hẹp (~30 độ) và tốc độ di chuyển là 3.5 m/s thì Q-UAV sẽ không bám hoàn toàn được vào điểm WP3 như trong với trường hợp 1 và 2. Tuy nhiên, tại mỗi một điểm WP cài đặt lại luôn có một bán kính sai số giúp cho bị bay dễ tiếp cận được điểm WP tiếp theo. Trong trường hợp này, bán kính sai số tại mỗi điểm WP cài đặt là 2,0m; Q-UAV vẫn hoàn toàn bám được vào điểm WP cài đặt đó với sai số ~2,0m.
Hình 4.30. Quỹ đạo di chuyển mô phỏng của Q-UAV: trường hợp 4
122
Trên hình 4.31 và 4.32, tại một số thời điểm góc điều khiển chúc có thể đạt tới 15 độ và góc điều khiển nghiêng đạt tới -15 độ. Điều này chính là do các góc mở lái hẹp; từ đó dẫn đến Q-UAV phải nghiêng lớn hơn nhằm di chuyển bám theo quỹ đạo đã được cài đặt.
Hình 4.31. Đồ thị theo dõi giữa góc chúc điều khiển mong muốn và thực tế:
trường hợp 4
Hình 4.32. Đồ thị theo dõi giữa góc nghiêng điều khiển mong muốn và thực tế: trường hợp 4
Như vậy, qua kết quả thử nghiệm với các kịch bản đã được đặt ra, Q- UAV đã thực hiện với các sai số nằm trong khoảng từ 0,5m đến 5,0 m tùy theo điều kiện thời tiết, các thông số cấu hình tinh chỉnh cho Q-UAV và đặc
123
biệt là sai số của GPS. Bảng dữ liệu các thông số của quỹ đạo và trạng thái của Q-UAV thu được trên thực tế cho 4 trường hợp theo kịch bản thử nghiệm khả năng bay tự động bám theo các quỹ đạo trên đây được mô tả trong Phụ lục 2.
Trong ứng dụng trên đây, phương thức điều khiển tích cấp ngược (IB) kết hợp với bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) và Automate lai (HA) đã được sử dụng trong hệ thống điều khiển chính; đa bộ điều chỉnh PI cục bộ được áp dụng cho các động cơ điện. Từ đó, ứng xử liên tục tức thời (IGCB) của toàn bộ hệ thống được xây dựng dựa trên sơ đồ khối chức năng thực thi (hình 2.4) nhằm nâng cao hiệu năng kiểm soát cao độ (z), vị trí theo mặt ngang (x, y) và trạng thái (RPY) trong quá trình hoạt động theo máy trạng thái toàn cục của Q-UAV (hình 3.7). Các kết quả thực hiện điều khiển và kiểm soát an toàn hệ thống đã được cải thiện so với việc sử dụng đơn lẻ một trong các phương thức điều khiển truyền thống [13] (các phương thức điều khiển truyền thống được trình bày trong Mục 1.2 của Chương 1). Ngoài ra, các qui tắc tùy biến và tái sử dụng các gói điều khiển chính, cổng, giao thức và máy trạng thái trong PIM của hệ thống điều khiển Q-UAV (Bảng 3.1) và mẫu kết nối truyền đạt giữa các gói điều khiển (hình 3.8) có thể được áp dụng trong phát triển ứng dụng điều khiển cho các Q-UAV hoặc MUAV mới.
Kết luận chương
Trong chương này, luận án đã trình bày về thử nghiệm và đánh giá hệ thống điều khiển Q-UAV đã được thiết kế bằng công nghệ hướng đối tượng, bao gồm các điểm chính, như:
+ Mô tả tích hợp thiết bị và qui trình khởi động hệ thống thử nghiệm.
+ Đưa ra các kịch bản thử nghiệm.
+ Tiến hành thử nghiệm và đánh giá hệ thống: Thử nghiệm khả năng cất cánh tự động và bay treo cân bằng tại một điểm trong điều kiện ngoài trời và đánh giá khả năng giữ cân bằng và ổn định tại một điểm bay treo đó; Thử
124
nghiệm khả năng hạ cánh tự động nhằm đánh giá khả năng tự quay về điểm xuất phát trong các trường hợp khẩn cấp, như: nguồn điện cung cấp sắp cạn kiệt và mất tín hiệu điều khiển; Thử nghiệm khả năng bay tự động bám theo các quỹ đạo mong muốn được đặt trước thông qua máy tính điều khiển, nhằm đánh giá khả năng bám quỹ đạo cũng như khả năng tự cân bằng ổn định của Q-UAV.
Với các kết quả thử nghiệm và đánh giá các đáp ứng điều khiển trên đây có thể minh chứng cho tính khả thi về hiệu năng và tính năng của hệ thống điều khiển Q-UAV đã được phân tích, thiết kế và thực thi bởi MDA kết hợp với RealTime UML và ROPES.
125