CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
1.2. Các phương pháp truyền thống trong phát triển hệ thống điều khiển
Hiện tại đã có nhiều phương thức điều khiển truyền thống khác nhau kết hợp với các kỹ thuật tính toán mềm nhằm tối ưu hệ thống điều khiển của UAV và đảm bảo cho UAV hoạt theo các nhiệm vụ được xác định trong kế hoạch tác vụ. Giải thuật PID [41] đã được sử dụng thành công để điều khiển các loại hệ thống và thiết bị khác nhau bao gồm cả các phương tiện tự hành, như: sử dụng bộ điều khiển PID để khảo sát việc ổn định và cân bằng tải trọng vật mang cho các máy bay siêu nhỏ không người lái từ đó xác định các giới hạn về tải trọng và sự mất căn bằng trọng tâm đối với các máy bay siêu nhỏ không người lái [60]; hoặc sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển cho Q-UAV [62] ổn định cân bằng các trạng thái RPY. Trong [11] đã giới thiệu bộ điều chỉnh PID truyền thống trong điều khiển Q-UAV tự hạ cánh bám theo xe đẩy di động; các thí nghiệm trên mô hình cho thấy rằng hệ thống điều khiển được triển khai một cách đơn giản và chi phí thấp.
Tuy nhiên, PID không phải có hiệu quả tốt trong việc xử lý các tình huống khi mà UAV có mô hình động lực phi tuyến; do đó, nó thường được sử dụng cho UAV đơn giản và hoạt động trong môi trường mà không có hoặc ít nhiễu loạn bên ngoài. Một giải thuật thay thế được gọi là điều khiển trượt (SMC) [41], [81] đã được chứng minh hiệu quả hơn khi xử lý mô hình động lực học phi tuyến với nhiễu loạn phi tuyến. SMC là một cách tiếp cận điều khiển phi tuyến, mà ở đó sử dụng các giải thuật chuyển đổi phi tuyến để có được một đáp ứng quá độ nhanh nhằm giữ trạng thái ổn định cho hệ thống.
Một phương pháp dựa trên SMC bậc hai [82] đã được đề xuất để thiết kế bộ điều khiển cho Q-UAV, nhằm giải quyết các chuyển mạch trượt thiết kế đa dạng và việc lựa chọn các hệ số phi tuyến của chúng thông qua việc sử dụng các hệ thống con có kết hợp với tiêu chuẩn ổn định Hurwitz. Trên thực tế có hai biến thể SMC tách cặp và ghép cặp, chúng được sử dụng tùy theo mức độ phức tạp của mô hình động lực học điều khiển của UAV.
26
Một cách tiếp cận khác ghép giữa SMC và phương thức điều khiển cấp ngược (BS) [41] được sử dụng để đưa ra hiệu năng kiểm soát cao, nhằm thực thi các hàm chức năng của chế độ trượt cùng với đạo hàm của nó bằng không tại thời điểm chặn. Độ chính xác của phương pháp kết hợp giữa SMC và BS đã được giới thiệu trong [81] dựa trên các kịch bản dẫn đường trên mặt ngang cho Q-UAV có xét đến các đặc tính khí động lực học.
Bên cạnh các giải thuật PID, SMC và BS còn có nhiều phương thức khác nhau cũng được áp dụng trong thiết kế hệ thống điều khiển cho UAV, như: tích phân cấp ngược (IB), toàn phương tuyến tính (LQ), tiêu chuẩn Lyapunov và dự đoán mô hình (MPC).
Bằng việc kết hợp giữa phương thức tích phân cấp ngược với lý thuyết Frenet-Serret áp dụng cho UAV nhằm cân bằng trạng thái của nó; hiệu năng điều khiển cân bằng trạng thái này tăng khoảng 2,5 lần so với việc sử dụng giải thuật điều khiển PID [14], [19], [31]. Phương thức IB cũng được áp dụng trong điều khiển kiểm soát vị trí và hướng cho các MUAV khi không xác định được rõ ảnh hưởng của khí động học, như: bằng việc thiết kế một bộ điều khiển thích nghi dựa trên phương thức IB đã cho phép theo dõi đường bay, hướng bay và độ ổn định vị trí của loại MUAV được khởi động thông qua cơ cấu kích hoạt dạng súng (hoặc tên lửa đẩy nhỏ) đã được mô tả chi tiết trong [23].
Ngoài ra, việc phát triển hệ thống điều khiển thích nghi mờ dẫn đường cho tên lửa cũng dựa trên phương thức IB và SMC khi mà các tham số nhiễu và mô hình cấu trúc tức thời của toàn bộ hệ thống chưa được xác định trước [46]. Trong khi đó, phương thức điều khiển LQ có thể được sử dụng để giải quyết vấn đề điều khiển theo toàn phương tuyến tính các hệ phi tuyến dựa trên hàm bậc hai và triển khai Magnus để đưa giải thuật điều khiển tối ưu có kết hợp với hệ phương trình vi phân Riccati. Một trong những ứng dụng cụ thể của phương thức này cho Q-UAV đã được phát triển bởi [8] hoặc điều
27
khiển phối hợp giữa hai vật thể bay được mô hình hóa và mô phỏng trong [44].
Bên cạnh đó, tiêu chuẩn Lyapunov cũng được sử dụng để phát triển thuật toán điều khiển và dẫn đường cho UAV theo không gian véc tơ xác lập đặt trước [18] và để đánh giá độ ổn định cho việc thiết kế điều khiển phi tuyến cho các UAV này [13]. Hơn thế nữa, phương thức điều khiển MPC [4], [43], [67] đã được sử dụng để dự đoán quỹ đạo điều khiển cho các UAV dưới sự tác động của các rối loạn từ môi trường. Có thể kết hợp phương thức MPC và giải thuật điều khiển phản hồi tuyến tính [80] để điều khiển thiết bị bay tránh vật cản; trong đó phương thức MPC sẽ dự đoán tạo ra quỹ đạo tránh va chạm tham chiếu nhằm tối ưu thỏa mãn các tham số liên quan đầu vào, còn giải thuật điều khiển phản hồi tuyến tính sẽ kiểm soát các tham số tham chiếu và ngăn chặn các lỗi phát sinh bất kỳ trong khoảng thời gian cập nhật cho mô hình MPC. Phương thức MPC còn được sử dụng để xây dựng mô hình dự báo điều khiển cho UAV trường hợp hạ cánh tự động bằng việc xác định vị trí bản đồ địa hình tham chiếu thông qua camera [69].
Tuy nhiên, các mô hình điều khiển truyền thống trên đây đã được phát triển theo hướng thủ tục; do đó chúng sẽ rất khó khăn trong việc được tùy biến và tái sử dụng các thành phần điều khiển đã được thiết kế để ứng dụng cho các UAV khác nhau. Do vậy, các phương thức điều khiển truyền thống trên đây cần được kết hợp với các ngôn ngữ mô hình hóa, mô phỏng và thực thi theo hướng hệ thống [37], [56], [58] nhằm đưa ra bản phân tích và thiết kế có tính mô đun hóa để có thể trực quan các tham số điều khiển trong thời gian thực, tùy biến và tái sử dụng các thành phần đã phát triển cho các UAV mới.
Xuất phát từ các phân tích và đánh giá trên đây, mục tiêu và giải pháp nghiên cứu của luận án đã được đề xuất như sau: Đưa ra cấu trúc điều khiển phi tuyến lai chi tiết cho Q-UAV; Xây dựng qui trình phân tích, thiết kế và thực thi điều khiển hướng đối tượng trong thời gian thực cho Q-UAV nhằm nâng cao hiệu năng hoạt động và triển khai trên một Q-UAV cụ thể tự hành
28
bám theo quỹ đạo mong muốn; Thực thi phần mềm điều khiển được thiết kế và thực thi theo công nghệ hướng đối tượng trong thời gian thực cho phép dễ dàng tích hợp các giao thức và đồng bộ thời gian xử lý thông tin giữa các mô đun điều khiển khi thêm hoặc bớt tác vụ của Q-UAV; Thiết kế chi tiết của hệ thống điều khiển có thể dễ dàng tùy biến và tái sử dụng cho các ứng dụng điều khiển các loại Q-UAV khác nhau.