CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA Q-UAV VỚI AUTOMATE LAI
2.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển của Q-UAV
Để cho một Q-UAV có thể hoạt động được một cách tự hành, kiến trúc điều khiển của nó phải có ba hệ thống chính: hệ thống dẫn đường, hệ thống định vị và hệ thống điều khiển. Tất cả ba hệ thống này có nhiệm vụ riêng lẻ, nhưng chúng cũng phải hoạt động kết hợp với nhau nhằm cho Q-UAV hoàn thành các tác vụ tự hành của nó. Hình 2.3 trình bày sơ đồ khối tổng quát cho phép thể hiện tương tác giữa các hệ thống này.
Hình 2.3. Sơ đồ khối điều khiển, định vị và dẫn đường của Q-UAV Hệ thống dẫn đường có trách nhiệm để tạo ra quỹ đạo mong muốn cho Q-UAV chuyển động theo. Nhiệm vụ này được hoàn thành bằng cách lấy các điểm đường (WP) mong muốn xác định trước có kết hợp với sự ảnh hưởng của nhiễu loạn môi trường bên ngoài để tạo ra điểm đường đi tiếp theo lân cận. Thông tin về trạng thái hiện thời của Q-UAV cũng có thể được sử dụng để cung cấp dữ liệu của quỹ đạo thực tế. Quỹ đạo này sau đó hình thành nên trạng thái mong muốn của Q-UAV, như: vị trí, hướng đi, vận tốc và gia tốc.
Hệ thống định vị được sử dụng để xác định trạng thái hiện thời của Q- UAV. Đối với các phương tiện bay, hệ thống định vị toàn cầu (GPS) là có sẵn và thường được sử dụng để cung cấp thông tin định vị chính xác liên tục cho hệ thống định vị. Ngoài ra, bộ lọc EKF tích hợp với GPS/IMU [61] cũng được sử dụng nhằm có được một dự báo với độ tin cậy tốt về trạng thái hoạt động hiện thời và đưa ra cơ chế điều chỉnh cho hệ thống tổng thể. Nói chung,
50
nhiệm vụ của hệ thống định vị là để cung cấp một ước tính tốt nhất về trạng thái hiện thời của Q-UAV dựa trên các thông tin từ cảm biến.
Hệ thống điều khiển có trách nhiệm cung cấp tín hiệu điều khiển tức thời cho phép Q-UAV di chuyển theo quỹ đạo mong muốn. Điều này đạt được bằng cách nhận trạng thái mong muốn của Q-UAV từ hệ thống dẫn đường và trạng thái hiện thời từ hệ thống định vị. Sau đó, hệ thống điều khiển tính toán và đưa ra lực điều khiển thông qua việc sử dụng các cơ cấu truyền động khác nhau trên Q-UAV nhằm giảm thiểu sai số giữa trạng thái mong muốn và hiện thời thực tế. Cách này cho phép Q-UAV di chuyển bám theo quỹ đạo mong muốn ngay cả khi có nhiễu loạn không rõ. Hệ thống điều khiển này sẽ được mô tả chi tiết trong mục tiếp theo của luận án. Mặc dù, các hệ thống nói trên có tác vụ riêng của nó, nhưng chúng cũng phải hoạt động kết hợp chặt chẽ để đạt được đầy đủ tính tự hành của Q-UAV.
2.2.2. Sơ đồ khối chức năng thực thi của hệ thống điều khiển cho Q-UAV Từ mô hình động lực học của ứng dụng Q-UAV (2.5), (2.6) và (2.7) kết hợp với kiến trúc điều khiển tổng quát đã được mô tả trên hình 2.2 và các tính năng điều khiển, như là điều khiển hướng, cao độ và vị trí, luận án đã đề xuất áp dụng sơ đồ khối chức năng thực thi như trên hình 2.4, nhằm thực hiện triển khai các chế độ tự hành của Q-UAV.
Ở đây, ý tưởng sử dụng giải thuật tích phân trong phương thức cấp ngược (IB) đã được đề xuất và áp dụng trong [40]; hiện nay, phương thức thiết kế điều khiển này đã được phát triển nâng cấp và áp dụng rộng rãi. Nhờ kỹ thuật này, Q-UAV có thể thực hiện các chế độ lơ lửng với kiểm soát độ cao, cất cánh, hạ cánh và di chuyển tự hành với hiệu năng cao hơn so với các phương thức khác, như: PID, SMC và MPC [42], [54].
Hệ thống điều khiển Q-UAV bao gồm ba hệ thống con khác nhau: Bộ điều khiển độ cao bao hàm kiểm soát cất cánh, hạ cánh và độ cao mong muốn,
51
đầu ra của bộ điều khiển này là lực đẩy tổng thể mong muốn (Td) dựa trên hệ thống dẫn đường.
Bộ điều khiển vị trí nhận vị trí (x, y) và lực đẩy mong muốn, kết quả đầu ra là các góc liệng (d) và góc chúc (d) mong muốn khi mà nhận được góc lái mong muốn (d) đến từ hệ thống dẫn đường.
Bộ điều khiển hướng có kết quả đầu ra là các tín hiệu điều khiển tốc độ động cơ mong muốn d1, d2, d3, d4 (di trên hình 2.4). Phương thức điều khiển IB được áp dụng cho cả ba hệ thống con này. Trong luận án này, tác giả không đi chi tiết vào các bước mô tả IB cho các hệ thống con này; nó đã được trình bày chi tiết trong nhiều công trình hoặc ấn phẩm khoa học đã công bố khác nhau, như trong [10], [30], [36], [54].
Hình 2.4. Sơ đồ khối chức năng thực thi của hệ thống điều khiển cho Q-UAV Ngoài ra, các bộ điều khiển PI cục bộ có thể được áp dụng cho khối điều khiển mô tơ: đầu vào của các bộ điều khiển PI cục bộ là các tín hiệu điều khiển tốc độ động cơ mong muốn (d1, d2, d3, d4); đầu ra của bộ điều khiển mô tơ là tổ hợp các lực đẩy (T) thích ứng với tổ hợp các hằng số thời gian quán tính khác nhau.
52
2.2.3. Mô hình hệ thống điều khiển phi tuyến lai cho Q-UAV
Xuất phát từ mô hình động lực học điều khiển của ứng dụng Q-UAV (2.5), (2.6) và (2.7) và các đặc tả chi tiết về hệ thống động lực lai với HA (1.1), luận án đã xem xét hệ thống điều khiển của Q-UAV này như là một hệ thống động lực lai (HDS) và ứng xử động của nó được mô hình hóa bởi HA;
bởi vì trong hệ thống này có các phần liên tục/rời rạc và tác động qua lại giữa các phần đó, như là: các chuyển động theo hướng RPY, cao độ và vị trí khác nhau, và các tác động nhiễu loạn đến từ môi trường xung quanh.
Tuy nhiên, trong ngữ cảnh phát triển hệ thống điều khiển công nghiệp cho UAV, HA cần phải được bổ sung thêm các điều kiện ràng buộc, như:
- Các sự kiện σ trong HA được xem như là sự kiện của đầu vào/đầu ra của hệ thống.
- X bao gồm tín hiệu đầu vào/đầu ra.
- Dòng liên tục toàn cục F xuất phát từ sơ đồ khối chức năng thực thi mở rộng. Hình 2.5 đưa ra ví dụ về sơ đồ chức năng thực thi mở rộng dưới dạng tổng quát; nó bao gồm các khối chức năng của các phần tử tham gia trong hệ thống và các sự kiện đến từ bên ngoài. Mỗi khối chức năng có thể có một hoặc nhiều các ứng xử liên tục được kích hoạt bởi các sự kiện bên ngoài.
Ở đây, E và S lần lượt là các tín hiệu đầu vào và đầu ra của hệ thống; Vei, Vsi
là các đại lượng biến thiên vào và ra của khối chức năng thứ i; Khối 1, Khối 2, Khối 3 là các khối chức năng của hệ thống.
Hình 2.5. Ví dụ sơ đồ chức năng thực thi mở rộng
Để có một cấu trúc điều khiển linh hoạt và độ tin cậy cao hơn, luận án này đề xuất giải pháp kết hợp giữa phương thức điều khiển IB đã được đề
53
xuất trong sơ đồ khối chức năng thực thi (hình 2.4) với HA được mô tả bởi phương trình (1.1) trong Chương 1, bởi vì:
- Chỉ có duy nhất một ứng xử liên tục tại một thời điểm được xác định trong HA nhằm thống nhất giữa chế độ hoạt động và phương trình trạng thái điều khiển cụ thể.
- Đặc biệt, có đại lượng bất biến Inv để kiểm tra lại tiến trình của các dòng liên tục Fi (ứng xử liên tục toàn cục).
- HA được bắt nguồn từ Automate nên mô hình ứng xử động của hệ thống đang phát triển được tương thích với các ứng dụng điều khiển công nghiệp đã được phát triển.
- Có thể sử dụng được các phần mềm sẵn có để mô phỏng và kiểm định mô hình phân tích và thiết kế điều khiển [16], [33].
Bảng 2.3 mô tả sự kết hợp giữa HA với phương thức IB và đa bộ điều khiển PI cục bộ của các động cơ điện cánh quạt cho hệ thống điều khiển Q- UAV.
Bảng 2.3. Liên kết HA với IB và PI cho hệ thống điều khiển Q-UAV Các tham số của
Automate lai (HA) Mô tả
Q
Các chế độ hoạt động của Q-UAV, bao gồm: chuyển động hướng RPY, di chuyển vị trí và cao độ, trạng thái cất cánh, hạ cánh và lơ lửng, và các chế độ an toàn khi tự hành.
X Các phần tử véc tơ trạng thái (2.5), (2.6), (2.7) và đa bộ điều chỉnh PI cục bộ của các động cơ điện cánh quạt.
- Sự kiện quĩ đạo mong muốn, cất cánh, hạ cánh, lơ lửng xuất hiện từ hệ thống dẫn đường.
- Sự kiện sai lệch vị trí và vận tốc từ hệ thống định vị; Sự kiện bên trong khi thực hiện IB hoặc PI.
54
A Dịch chuyển giữa các qQ tương ứng với .
inv Đại lượng bất biến inv kiểm tra xinv(q), nhằm đảm bảo độ tin cậy của toàn bộ hệ thống.
F
Phương trình tổng thể bao hàm IB và đa PI cục bộ được thành lập dựa theo sơ đồ khối chức năng thực thi mở rộng đã được xác định trên hình 2.4 và phép hoán vị giữa các phần tử điều khiển với giá trị cụ thể trong chúng, fF tương ứng với qQ và xinv(q).
qo, xo
Chế độ của hệ thống và trạng thái liên tục của các phần tử điều khiển ngay trước khi Q-UAV cất cánh lần đầu tiên trong một chu trình vận hành.