BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ĐẶNG CÔNG VỤ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐẢM BẢO AN TỒN BAY CHO UAV CỠ NHỎ TRONG ĐIỀU KIỆN CÓ NHIỄU ĐỘNG GIÓ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 52 02 16 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018 Công trình hồn thành tại: HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Thanh Phong GS.TSKH Nguyễn Đức Cương Phản biện 1: GS.TS Phan Xuân Minh Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 2: PGS.TS Bùi Xuân Khoa Học viện Phịng khơng – Khơng qn Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn Đại học Bách khoa Hà Nội Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo định số 3783/QĐ-HV, ngày 30 tháng 10 năm 2018 Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp Học viện Kỹ thuật Quân Vào hồi … … ngày … tháng ….năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân - Thư viện Quốc gia MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, UAV cỡ nhỏ sử dụng rộng rãi lĩnh vực dân quân Đặc điểm loại UAV cỡ nhỏ thường bay với tốc độ nhỏ (vài chục m/s) nên có tải trọng riêng m2 cánh (G/S) nhỏ phải bay với góc lớn Vì vậy, nhiễu động gió có ảnh hưởng lớn tới chuyển động UAV cỡ nhỏ Nói cách khác, UAV nhẹ có cánh to dễ bị ảnh hưởng nhiễu động gió Đây nguyên nhân dẫn tới chế độ bay nguy hiểm an tồn bay Gió chuyển động tương đối khơng khí so với mặt đất Chuyển động khơng khí chênh lệch áp suất khí gây Nhiễu động gió (atmospheric turbulence, турбулентность атмосферы) hiểu dịng khơng khí chuyển động hỗn loạn khí Nhiễu động gió có tham số thay đổi theo không gian thời gian hai Vấn đề quan trọng sử dụng UAV cỡ nhỏ điều kiện Việt Nam, điều kiện khí hậu nhiệt đới địa hình nhiều đồi núi bay độ cao thấp thường gặp nhiều nơi có nhiễu động gió mạnh thay đổi phức tạp Điều ảnh hưởng đến an toàn bay (ATB) hạn chế đáng kể đến khả sử dụng an toàn UAV cỡ nhỏ điều kiện có nhiễu động gió Trong phạm vi luận án nghiên cứu vấn đề ATB cho UAV cỡ nhỏ liên quan đến nhiễu động gió khí Khi đó, ATB UAV cỡ nhỏ đánh giá theo tham số: góc khơng tốc  r , góc trượt khơng tốc  r q tải Giới hạn ATB UAV cỡ nhỏ luận án quy định sau: 150   r ,  r  150 , 1  ny  3.5 , 1  nz  Khi góc khơng tốc, góc trượt khơng tốc vượt q giới hạn cho phép dẫn đến UAV điều khiển (bị “thất tốc”), tải vượt giới hạn chịu tải kết cấu máy bay dẫn đến UAV bị phá hủy kết cấu Cho nên, luận án đặt vấn đề bay gặp nhiễu động gió tạm thời khơng trì quỹ đạo bay định, cần ưu tiên trì góc khơng tốc, góc trượt khơng tốc q tải giới hạn cho phép để đảm bảo ATB cho UAV, tránh để UAV điều khiển bị phá hủy kết cấu Nhiễu động gió khí có tham số nhiễu động mang yếu tố ngẫu nhiên Vì vậy, yêu cầu cấp thiết đặt luận án nghiên cứu thuật tốn điều khiển thích nghi (ĐKTN) để trì góc khơng tốc, góc trượt khơng tốc tải giới hạn cho phép giảm thiểu tác động nhiễu động gió đến UAV Xuất phát từ vấn đề nêu trên, toán “Tổng hợp điều khiển thích nghi đảm bảo an tồn bay cho UAV cỡ nhỏ điều kiện có nhiễu động gió” đặt giải luận án Mục đích đề tài - Về lý thuyết: nghiên cứu ảnh hưởng nhiễu động gió đến ATB UAV cỡ nhỏ; tổng hợp thuật toán điều khiển theo quỹ đạo chuyển động dọc chuyển động cạnh; tổng hợp thuật tốn điều khiển thích nghi theo tải đứng tải ngang nhằm giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu động gió đến ATB UAV cỡ nhỏ - Về thực nghiệm: mô phỏng, khảo sát máy tính cơng cụ Simulink; đánh giá hiệu ĐKTN việc đảm bảo ATB giảm thiểu tác động nhiễu động gió đến UAV cỡ nhỏ Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu UAV cỡ nhỏ loại cánh cố định - Nghiên cứu chuyển động UAV kênh chuyển động dọc, chuyển động cạnh có kênh cren ổn định lý tưởng; - Nghiên cứu ATB UAV cỡ nhỏ nhiễu động gió; - Nghiên cứu ảnh hưởng nhiễu động gió đến ATB UAV cỡ nhỏ giai đoạn bay hành trình - Nhiễu động gió lần UAV gặp phải trình dừng Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu chuyển động UAV có nhiễu động gió - Nghiên cứu thuật tốn ĐKTN để điều khiển UAV điều kiện có nhiễu động gió - Mô công cụ Simulink thử nghiệm máy tính, đánh giá hiệu thuật tốn điều khiển đề xuất để đảm bảo ATB cho UAV có nhiễu động gió Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: luận án xây dựng mơ hình động lực học bay UAV cỡ nhỏ điều kiện có nhiễu động gió khảo sát ảnh hưởng tham số nhiễu động gió trường hợp ứng dụng thuật tốn điều khiển khác Trên sở đó, đề xuất thuật toán điều khiển phù hợp để nâng cao ATB cho UAV cỡ nhỏ - Ý nghĩa thực tiễn: đề xuất giải pháp ứng dụng thuật toán điều khiển thích nghi để trì góc khơng tốc, góc trượt không tốc tải UAV cỡ nhỏ phạm vi cho phép có nhiễu động gió Giải pháp làm giảm đáng kể xác suất xảy tai nạn nhiễu động gió mở rộng khả sử dụng UAV cỡ nhỏ Bố cục luận án Luận án gồm: mở đầu, chương, kết luận phụ lục Nội dung luận án trình bày 146 trang in khổ A4 Chương Gió, nhiễu động gió ảnh hưởng đến an toàn bay UAV cỡ nhỏ Chương Xây dựng mơ hình động lực học vịng điều khiển kín UAV điều kiện có nhiễu động gió Chương Tổng hợp thuật toán điều khiển cho UAV điều kiện có nhiễu động gió Chương Mơ khảo sát, đánh giá hiệu nâng cao an toàn bay cho UAV cỡ nhỏ máy tính CHƯƠNG GIĨ, NHIỄU ĐỘNG GIĨ VÀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN AN TỒN BAY CỦA UAV CỠ NHỎ 1.1 Các hệ tọa độ Các hệ tọa độ sử dụng để nghiên cứu chuyển động UAV khí quyển: hệ tọa độ mặt đất cố định Ooxoyozo; hệ tọa độ chuẩn Oxgygzg; hệ tọa độ liên kết Oxyz; hệ tọa độ tốc độ Oxryrzr; hệ tọa độ quỹ đạo Oxkykzk 1.2 Gió nhiễu động gió khí Gió chuyển động tương đối khơng khí so với mặt đất Chuyển động khơng khí chênh lệch áp suất khí gây Khi gió có tham số thay đổi theo không gian thời gian hai gọi nhiễu động gió Do UAV thường bay qua vùng nhiễu động gió thời gian ngắn nhiều (một vài phút) so với thời gian thay đổi nhiễu động gió (vài chục phút) nên phạm vi luận án coi trường nhiễu động trường dừng nhiễu động gió có tham số không thay đổi theo thời gian 1.2.1 Đặc tính chung nhiễu động khí Hình 1.5 Sơ đồ dịng nhiễu động khơng khí bề mặt Trái đất Nguyên nhân gây nhiễu động khí [42]: - Do xạ nhiệt hệ số hấp thụ nhiệt không mặt đất; - Do địa hình mặt đất khơng phẳng; - Do va chạm luồng khí với đám mây; - Khi thiết bị bay (TBB) bay đội hình Nhiễu động gió khí thay đổi theo độ cao thay đổi theo thời gian ngày (Hình 1.6, hình 1.7) y g ,m HL  3km 10 36 400 9 10 1 300  12 10 2 10 3 12  15 200 10 4 100 10 5 10 6 10 7 10 W( m / s ) Hình 1.6 Tần suất xuất dịng nhiễu động gió theo độ cao W0 ,m / s 1- ngày (từ 10 đến 17 giờ); 2- đêm (từ 22 đến giờ); 3- ngày đêm Hình 1.7 Biểu đồ tốc độ gió độ cao thấp 1.2.2 Mơ tả phân tích động học gió nhiễu động gió khí Véc tơ tốc độ gió đầy đủ W biểu diễn sau: W  W0  w (1.6) Khi nghiên cứu nhiễu động gió khí sử dụng phương pháp gió ngẫu nhiên liên tục sử dụng giả thiết [49], [44]: + Trường tốc độ gió đồng đẳng hướng; + Trường tốc độ gió nhiễu động khí coi trường dừng tức khơng thay đổi theo thời gian [42] 1.2.2.1 Thành phần gió khơng đổi Thành phần gió khơng đổi W0 thành phần gió có giá trị tốc độ gió khơng đổi theo thời gian không gian Tuy nhiên, thành phần gió khơng đổi thường khơng phản ánh đầy đủ điều kiện bay thực TBB Thành phần gió khơng đổi sử dụng để đánh giá ảnh hưởng gió đến quỹ đạo chuyển động TBB so với mặt đất không đánh giá ảnh hưởng đến ATB 1.2.2.2 Thành phần gió thay đổi Thành phần thay đổi w thành phần gió có tốc độ thay đổi có quy mơ nhiễu động nhỏ, thành phần đặc trưng cho tính nhiễu động gió Trong thực tế, thành phần thay đổi w hàm ngẫu nhiên không dừng Tuy nhiên, giả thiết trường ngẫu nhiên dừng, nghĩa lần UAV gặp nhiễu động gió coi tham số nhiễu động gió khơng thay đổi theo thời gian 1.2.3 Mơ hình tốn học nhiễu động gió - Mơ hình nhiễu động gió bậc thang: 0 Wy   Wyo 0 Wz   Wzo xo  xo* (1.33a) xo  xo* xo  xo* (1.33b) xo  xo* - Mơ hình nhiễu động gió hình sin: Wy  2  xo  xo*   Wyo    cos    L  (1.35a) Wz  Wzo  2  xo  xo*     cos    L   (1.35b) xo* - tọa độ điểm bắt đầu có nhiễu động gió L - quy mơ nhiễu động, m Trong luận án để đánh giá ảnh hưởng nhiễu động gió đến ATB UAV cỡ nhỏ lựa chọn quy mô nhiễu động L>5m biên độ nhiễu động Wyo, Wzo