Đang tải... (xem toàn văn)
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu động gió đến ATB của UAV cỡ nhỏ; tổng hợp thuật toán điều khiển theo quỹ đạo trong chuyển động dọc và chuyển động cạnh; tổng hợp thuật toán ĐKTN theo quá tải đứng và quá tải ngang nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu động gió đến ATB của UAV cỡ nhỏ.
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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018 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: 9.52.02.16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Thanh Phong GS.TSKH Nguyễn Đức Cương HÀ NỘI - 2018 i CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Những nội dung kết trình bày luận án hồn tồn trung thực chưa có tác giả cơng bố cơng trình khác TÁC GIẢ Đặng Công Vụ ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới tập thể cán hướng dẫn khoa học TS Lê Thanh Phong GS TSKH Nguyễn Đức Cương tận tình đạo giúp đỡ suốt trình thực luận án Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo, huy Khoa Kỹ thuật điều khiển, Bộ mơn Tên lửa, Phòng Đào tạo, Phòng SĐH, Thủ trưởng Học viện KTQS, Hội Hàng không vũ trụ Việt Nam cá nhân cán bộ, giáo viên Bộ môn Tên lửa quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận án Xin chân thành cảm ơn thầy giáo, nhà khoa học, đồng nghiệp quan tâm, giúp đỡ, góp ý cổ vũ động viên tác giả hồn thành cơng trình khoa học TÁC GIẢ Đặng Công Vụ iii MỤC LỤC CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .xi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xvi MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG GIÓ, NHIỄU ĐỘNG GIĨ VÀ ẢNH HƯỞNG ĐẾN AN TỒN BAY CỦA UAV CỠ NHỎ 11 1.1 Các hệ tọa độ 11 1.2 Gió nhiễu động gió khí 14 1.2.1 Đặc tính chung nhiễu động khí 14 1.2.2 Mơ tả phân tích động học gió nhiễu động gió khí quyển17 1.2.3 Mơ hình tốn học nhiễu động gió 25 1.3 Ảnh hưởng nhiễu động gió đến động lực học bay UAV 28 1.3.1 Ảnh hưởng nhiễu động gió đến chuyển động UAV 28 1.3.2 Ảnh hưởng nhiễu động gió đến an toàn bay UAV 31 1.4 Giải pháp nâng cao an tồn bay cho UAV có nhiễu động gió 35 1.5 Đặt tốn nghiên cứu 38 Kết luận chương 39 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VỊNG ĐIỀU KHIỂN KÍN CỦA UAV TRONG ĐIỀU KIỆN CĨ NHIỄU ĐỘNG GIĨ 40 2.1 Mơ hình tốn UAV đối tượng điều khiển 42 2.1.1 Các lực mô men tác dụng lên UAV bay 43 2.1.2 Hệ phương trình chuyển động UAV không gian 47 2.1.3 Quá tải tác động lên UAV 49 iv 2.2 Mơ hình tốn chuyển động dọc chuyển động cạnh UAV 50 2.2.1 Mơ hình chuyển động dọc UAV 51 2.2.2 Mơ hình chuyển động cạnh UAV 53 2.3 Thuật toán điều khiển UAV 55 2.4 Mô vòng điều khiển kín UAV 58 2.4.1 Dữ liệu đầu vào mô 58 2.4.2 Mơ hình mơ động lực học vòng điều khiển kín UAV mơi trường Matlab-Simulink 59 2.4.3 Đánh giá ảnh hưởng nhiễu động gió đến an tồn bay UAV sử dụng điều khiển theo quỹ đạo 65 Kết luận chương 70 CHƯƠNG TỔNG HỢP THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO UAV TRONG ĐIỀU KIỆN CÓ NHIỄU ĐỘNG GIÓ .71 3.1 Tổng quan điều khiển thích nghi 71 3.1.1 Khái niệm phân loại hệ điều khiển thích nghi 71 3.1.2 Xây dựng tốn tổng hợp hệ điều khiển thích nghi trực tiếp với mơ hình tham chiếu tường minh 72 3.1.3 Thuật toán điều khiển thích nghi sử dụng phương pháp hiệu chỉnh tham số theo luật MIT 75 3.1.4 Thuật toán điều khiển thích nghi sử dụng phương pháp tốc độ gradient với mơ hình tham chiếu tường minh 76 3.1.5 Điều khiển thích nghi theo tín hiệu đầu sử dụng phương pháp bù nối tiếp 79 3.2 Tổng hợp thuật toán ĐKTN cho kênh chuyển động dọc UAV có nhiễu động gió đứng 83 3.2.1 Thiết lập toán 83 3.2.2 Tổng hợp điều khiển thích nghi theo tải đứng 86 v 3.3 Tổng hợp thuật toán ĐKTN cho kênh chuyển động cạnh UAV có nhiễu động gió cạnh 91 3.3.1 Thiết lập toán 92 3.3.2 Tổng hợp thuật tốn thích nghi theo tín hiệu đầu nz sử dụng phương pháp bù nối tiếp 92 Kết luận chương 96 CHƯƠNG MÔ PHỎNG KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ NÂNG CAO AN TOÀN BAY CHO UAV CỠ NHỎ TRÊN MÁY TÍNH 97 4.1 Mơ khảo sát, đánh giá hiệu nâng cao an toàn bay cho UAV kênh chuyển động dọc có nhiễu động gió đứng 97 4.1.1 Thông số đầu vào sơ đồ mô ĐKTN 97 4.1.2 Kiểm tra độ ổn định chương trình mơ 100 4.1.3 Đánh giá an tồn bay UAV có nhiễu động gió đứng hình sin 102 4.2 Mô khảo sát, đánh giá hiệu nâng cao ATB cho UAV kênh chuyển động cạnh có nhiễu động gió cạnh 106 4.2.1 Thơng số đầu vào mơ hình mơ 106 4.2.2 Kiểm tra độ ổn định chương trình mơ 107 4.2.3 Đánh giá ATB UAV có nhiễu động gió cạnh hình sin 108 4.3 Đánh giá hiệu nâng cao ATB thử nghiệm Monte Carlo 111 Kết luận chương 114 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .116 DANH MỤC NHỮNG CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 PHỤ LỤC 128 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Viết tắt UAV thiết bị bay không người lái TBB thiết bị bay HPTVP hệ phương trình vi phân ĐKTN điều khiển thích nghi ĐTĐK đối tượng điều khiển MHTC mơ hình tham chiếu AT an tồn ATB an toàn bay CHC hệ tự hiệu chỉnh (сaмонастраивающаяся система) OHO đối tượng hiệu chỉnh tổng quát (обобщенный настраиваемый объект) MIT Masachusetts Institute of Technology Ký hiệu Ooxoyozo hệ tọa độ mặt đất Oxgygzg hệ tọa độ mặt đất di động Oxyz hệ tọa độ liên kết Oxryrzr hệ tọa độ tốc độ Oxkykzk hệ tọa độ quỹ đạo góc chúc ngóc góc hướng góc nghiêng (cren, roll), góc trục Oz mặt phẳng nằm ngang Oxgzg góc nghiêng quỹ đạo góc hướng quỹ đạo góc (của véc tơ địa tốc Vk ) vii góc trượt (của véc tơ địa tốc Vk ) r góc khơng tốc (của véc tơ khơng tốc Vr ) r góc trượt khơng tốc (của véc tơ khơng tốc Vr ) w góc gió gây w góc trượt gió gây r góc nghiêng hệ tọa độ tốc độ, góc trục Ozr mặt phẳng nằm ngang Oxgzg x , y ,z tốc độ góc thiết bị bay hệ tọa độ liên kết mx x đạo hàm hệ số mô men cren theo x , với x x l đạo hàm hệ số mô men cren theo góc lệch cánh lái liệng mx ba Vr mx đạo hàm hệ số mô men cren theo góc trượt mx đạo hàm hệ số mơ men cren theo góc lệch cánh lái hướng h y mx my my đạo hàm hệ số mô men cren theo y , với y y ba Vr x đạo hàm hệ số mô men hướng theo x h đạo hàm hệ số mô men hướng theo góc lệch cánh lái hướng my đạo hàm hệ số mơ men hướng theo góc trượt y my mz mz đạo hàm hệ số mô men hướng theo y z đạo hàm hệ số mơ men chúc ngóc theo z , với z z c đạo hàm hệ số mơ men chúc ngóc theo cánh lái độ cao Mx, My, Mz mơ men khí động hệ tọa độ liên kết Jx, Jy, Jz mô men quán tính TBB quanh tâm khối ba Vr viii Yr lực nâng hệ tọa độ tốc độ Xr lực cản hệ tọa độ tốc độ Zr lực dạt sườn hệ tọa độ tốc độ khối lượng riêng khơng khí qa động áp m khối lượng TBB Vr không tốc (tốc độ tương đối TBB so với khơng khí) Vk địa tốc (tốc độ tuyệt đối TBB so với mặt đất) ba dây cung khí động trung bình S diện tích cánh thiết bị bay T lực kéo động Tmax lực kéo lớn Ko hệ số lực kéo cần thiết để UAV bay bằng; KV hệ số hiệu chỉnh lực kéo UAV có sai lệch tốc độ so với tốc độ bay bằng; c góc lệch cánh lái độ cao h góc lệch cánh lái hướng l góc lệch cánh lái liệng T góc lệch cánh tà cbb góc lệch cánh lái độ cao bay ny tải đứng theo hệ tọa độ liên kết nz tải ngang theo hệ tọa độ liên kết nx tải dọc trục theo hệ tọa độ liên kết nyct tải đứng theo chương trình nzct tải ngang theo chương trình x*o tọa độ điểm bắt đầu có gió Wyo, Wzo biên độ gió đứng, biên độ gió ngang 132 Phụ lục Sơ đồ mơ khối vòng điều khiển kín kênh chuyển động dọc chuyển động cạnh UAV cỡ nhỏ giả định cơng cụ Simulink Hình Sơ đồ mơ động lực học vòng điều khiển kín UAV cỡ nhỏ giả định Hình Sơ đồ mơ khối nhiễu động gió đứng hình sin Hình 10 Sơ đồ cấu trúc khối nhiễu động gió cạnh hình sin 133 Hình 11 Sơ đồ mơ khối tính tốn góc khơng tốc có nhiễu động gió Hình 12 Sơ đồ mơ khối tính tốn góc trượt khơng tốc có nhiễu động gió Hình 13 Sơ đồ mơ khối tham số hình học UAV 134 Hình 14 Sơ đồ mơ khối bên chương trình mơ 135 Hình 15 Sơ đồ mơ khối tính tốn tốc độ bay Hình 16 Sơ đồ mơ khối điều khiển cửa ga 136 Hình 17 Sơ đồ mơ khối tính tốn lực khí động Hình 18 Sơ đồ mơ khối tính lực cản 137 Hình 19 Sơ đồ mơ khối tính tốn lực nâng Hình 20 Sơ đồ mơ khối tính tốn lực dạt 138 Hình 21 Sơ đồ mơ khối tính tốn tham số quỹ đạo Hinh 22 Sơ đầu cấu mô khối tính tốn tham số kênh chúc ngóc 139 Hình 23 Sơ đồ mơ khối tính tốn góc chúc ngóc tốc độ góc quay quanh trục Oz Hình 24 Sơ đồ mơ khối tính tốn góc nghiêng quỹ đạo 140 Hình 25 Sơ đồ mơ khối tính tốn tham số kênh hướng Hình 26 Sơ đồ mơ khối tính tốn góc hướng quỹ đạo 141 Hình 27 Sơ đồ mơ khối tính tốn góc hướng tốc độ góc quay quanh trục Oy Hình 28 Sơ đồ mơ khối tạo lực điều khiển kênh ngang Hình 29 Sơ đồ mơ khối tính tốn góc lệch cánh lái bay 142 Hình 30 Sơ đồ mơ khối điều khiển theo quỹ đạo chuyển động cạnh Hình 31 Sơ đồ mô khối điều khiển theo quỹ đạo chuyển động dọc 143 Phụ lục Thí nghiệm đo độ trễ tuyến lái Nội dung thí nghiệm trích “Báo cáo tổng hợp kết nghiên cứu thực nhiệm vụ hợp tác quốc tế khoa học công nghệ theo nghị định thư” Hội Hàng khơng – Vũ trụ Việt Nam Thí nghiệm đo độ trễ tuyến lái thực Hội Hàng không – Vũ trụ Việt Nam Để xác định thời gian trễ tuyến lái, tiến hành thí nghiệm: xác định thời gian Δt từ Máy tính khoang (MTTK) (từ thời điểm lệnh) khối điều chế độ rộng xung (PWM) Servo cánh lái Giả thiết: thời gian vẽ đồ thị/hiển thị số VC++ máy tính khoang với tốc độ 1.2 GHz không đáng kể a Sơ đồ lắp đặt Hình Sơ đồ cấu trúc thí nghiệm xác định độ trễ tuyến lái - Máy tính khoang (MTTK): MTTK sử dụng thí nghiệm đặt UAV-70V, có cấu sau: + Tên gọi: Máy tính nhúng (embedded) fitlet-iA10Win7 + CPU: AMD A10 Micro-6700T SoC + Tốc độ 1.2 GHz MTTK sử dụng hệ điều hành Win7, 32 bit, có cài đặt chương trình điều khiển servo theo hàm thời gian (dạnh hình sin) với tần số tăng giảm Để đảm bảo thời gian xử lý nhanh, chương trình viết ngơn ngữ VC++ hiển thị hình số góc lệch cánh lái (tính theo độ) Vì 144 MTTK khơng có hình riêng cần có máy tính (máy tính mặt đất - MTMĐ) để truy cập bật tắt MTTK qua mạng Wifi Hình Máy tính khoang fitlet-iA10Win7 - Khối điều chế độ rộng xung (PWM): Hình Khối điều chế độ rộng xung Đảm bảo biến đổi tín hiệu số từ MTTK thành chuỗi xung với độ rộng tương ứng tần số lặp định - Servo SV-0235MG Hình Servo SAVOX SV-0235MG - Bộ phận truyền động + cánh lái: Bộ phận truyền động có đầu gắn vào động servo thông qua tai gắn vào bánh răng, đầu gắn vào cánh lái đảm bảo servo quay cánh lái quay góc theo tỉ số truyền 1:1 Bộ phận truyền động phải đảm bảo hoạt động trơn tru, có độ xác cao 145 - Màn hình hiển thị MTMĐ: Hiển thị q trình điều khiển máy tính khoang Các giá trị hình điều khiển kết hợp với hoạt động chuyển động cánh lái sở để xác định đáp ứng nhanh, chậm từ phần mềm điều khiển đến cấu chấp hành - Camera: quay lại trình hoạt động cánh lái thay đổi tham số phần mềm điều khiển hình Camera có tốc độ ghi 29 hình/s (34 ms/ khung hình) b Tiến hành thí nghiệm kết Tiến hành lắp đặt thiết bị hình Sử dụng Wifi kết nối máy tính mặt đất với máy tính khoang Bật phần mềm điều khiển tiến hành điều khiển cánh lái chế độ Đồng thời tiến hành quay Camera đảm bảo quay đồng thời cánh lái hình máy tính mặt đất Sử dụng phần mềm Free Video to JGP Converter v.5.0.77 để chuyển video thành dạng ảnh theo tốc độ video 29 hình/s Các bước thực hiện: Ấn nút Add files lựa chọn File video cần chuyển sang dạng ảnh rời Chọn chế độ chuyển Every frame sau ấn nút Convert, lưu ý File ghi lại theo đường dẫn nằm phía Tiến hành đếm số khung hình tương ứng với góc lệch cánh lái đặt sẵn Hình Phần mềm chuyển đổi từ dạng video sang dạng ảnh Trên hình khung hình liên tiếp ứng với thời điểm máy tính điều khiển 6, 10 độ (đổi chiều quay) Ta thấy máy tính số độ 146 tăng lên 10 độ giảm xuống độ (đổi chiều quay) cánh lái đổi chiều quay Khơng phát độ trễ Hình Một số hình ảnh thử nghiệm xác định độ trễ tuyến lái Kết luận: khẳng định độ trễ khơng q khung hình/s (34ms) ... mơ hình động lực học vòng điều khiển kín UAV cỡ nhỏ có nhiễu động gió; - Xây dựng điều khiển thích nghi điều khiển UAV cỡ nhỏ điều kiện có nhiễu động gió Bố cục luận án Luận án gồm 146 trang in...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... điều khiển thích nghi ứng dụng để điều khiển UAV điều kiện có nhiễu động gió - Mơ cơng cụ Simulink thử nghi m máy tính, đánh giá hiệu thuật toán điều khiển đề xuất để đảm bảo ATB cho UAV có nhiễu