Chế độ trượt với mặt trượt phi tuyến trong điều khiển UAV bám theo đường quỹ đạo

Bài viết trình bày việc dẫn đường cho máy bay không người lái (UAV) là một vấn đề quan trọng, hiện đã có nhiều thuật toán được đề xuất để giải quyết, trong đó có sử dụng chế độ trượt.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chế độ trượt với mặt trượt phi tuyến trong điều khiển UAV bám theo đường quỹ đạo Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa CHẾ ĐỘ TRƯỢT VỚI MẶT TRƯỢT PHI TUYẾN TRONG ĐIỀU KHIỂN UAV BÁM THEO ĐƯỜNG QUỸ ĐẠO Phạm Thị Phương Anh1*, Nguyễn Vũ2, Phan Tương Lai3 Tóm tắt: Bài toán dẫn đường cho máy bay không người lái (UAV) là một vấn đề quan trọng, hiện đã có nhiều thuật toán được đề xuất để giải quyết, trong đó có sử dụng chế độ trượt. Trong thực tế chế độ trượt với mặt trượt tuyến tính tuy bảo đảm tính ổn định bền vững của hệ thống, nhưng do hệ số của các biến trạng thái trong mặt trượt bị giới hạn nên khi vào gần gốc tọa độ, khả năng tác động nhanh của hệ thống bị hạn chế. Trong trường hợp sử dụng mặt trượt phi tuyến, hệ thống có chất lượng được cải tiến một cách rõ rệt. Các kết quả về sử dụng mặt trượt phi tuyến trong điều khiển dẫn đường cho UAV bám quỹ đạo được trình bày trong bài báo này. Từ khóa: Điều khiển UAV; Dẫn đường; Trượt phi tuyến. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Với sự phát triển mạnh mẽ của UAV hiện nay, việc áp dụng UAV trong các lĩnh vực kinh tế, xã hội, quốc phòng an ninh ngày càng rộng rãi. Để đảm bảo thực hiện các nhiệm vụ trong quá trình bay, UAV phải duy trì hành trình theo một quỹ đạo nhất định, gọi là bám theo đường. Đường quỹ đạo có thể là đường thẳng, những cung tròn hoặc là đường cong bất kỳ tùy theo yêu cầu chiến thuật. Các thuật toán bám theo đường được xây dựng dựa trên giả thiết UAV bay với vận tốc ổn định đã biết, thường gặp là các thuật toán dẫn đường theo điểm ngắm ảo [4] theo sai lệch vị trí và góc hướng theo đường vectơ [2], thuật toán dẫn đường phi tuyến [1], thuật toán bám đường trên cơ sở bộ toàn phương tuyến tính [3] và thuật toán sử dụng chế độ truợt với mặt trượt tuyến tính [5] các thuật toán trên trong từng trường hợp đều có hiệu quả và có khả năng áp dụng thực tế. Trong bài báo, nhóm tác giả sẽ giải quyết bài toán bằng cách sử dụng mặt trượt phi tuyến. Cơ sở của việc lựa chọn mặt trượt phi tuyến là đường quỹ đạo Dubin đảm bảo cho UAV đi theo đường quỹ đạo ngắn nhất dựa trên các đường thẳng và đường cong tròn có bán kính không đổi với độ dư điều khiển cần thiết để đảm bảo khả năng điều khiển bám theo đường của chế độ trượt. 2. QUỸ ĐẠO DUBIN Dubin sử dụng các cung tròn có bán kính không đổi để điều khiển UAV từ vị trí và hướng ban đầu về vị trí và hướng mong muốn (hình1). Hình 1. Minh họa quỹ đạo Dubin. 42 P. T. P. Anh, N. Vũ, P. T. Lai, Chế độ trượt với mặt trượt phi tuyến … đường quỹ đạo. Nghiên cứu khoa học công nghệ Trên hình 1 là một số hình minh họa quỹ đạo Dubin, trong đó vị trí ban đầu và  hướng ban đầu thứ tự là điểm 1 và hướng vecto V1 . Vị trí mong muốn và hướng mong muốn tiếp theo thứ tự là điểm 2 và vecto V2 . UAV xuất phát từ điểm 1 với  vectơ vận tốc V1 sẽ thực hiện đường cong 11a nằm trên đường tròn C1 có bán  kính r tiếp tuyến với vectơ vận tốc V1 tại điểm 1, đi theo đường thẳng tiếp tuyến với đường tròn C1 và C 2 là đường tròn có bán kính r tiếp tuyến với vectơ vận tốc mong muốn V2 tại điểm 2 đến điểm 1b, sau đó đi theo cung tròn 1b2 đến điểm 2  và tiếp tục bay thẳng tiếp tuyến với đường tròn C 2 theo hướng V2 tại điểm 2. Dễ thấy rằng đây là bài toán quỹ đạo điểm – điểm. Đối với bài toán bám theo  đường thì điểm 2 không xác định trước mà chỉ xác định trước vectơ hướng V2 , điểm 2 là một điểm bất kỳ trên đường quỹ đạo (hình 2). Khi đó, tùy theo vị trí và hướng ban đầu của UAV sẽ có cách tiếp cận theo Dubin (hình 2). Hình 2. Minh họa quỹ đạo Dubin tiếp cận đường quỹ đạo. Thuật toán dẫn đường theo Dubin được phát biểu như sau: Quỹ đạo UAV tiếp cận đường quỹ đạo sẽ vuông góc với đường quỹ đạo khi khoảng cách từ UAV tới đường quỹ đạo lớn hơn r và sẽ bám theo đường tròn bán kính r tiếp tuyến với đường quỹ đạo khi khoảng cách từ UAV từ đường quỹ đạo không lớn hơn r [6]. Với định nghĩa này hướng ban đầu của UAV sẽ không ảnh hưởng đến đường quỹ đạo. UAV sẽ chuyển động theo đường tròn cho tới khi nó vuông góc với đường quỹ đạo (khi khoảng cách từ UAV tới đường quỹ đạo lớn hơn r ) và cho tới khi nó tiếp tuyến với cung tròn nào đó bán kính r tiếp tuyến với đường quỹ đạo (khi khoảng cách từ UAV tới đường quỹ đạo nhỏ hơn r). 3. CHẾ ĐỘ TRƯỢT TRONG DẪN ĐƯỜNG CHO UAV Sơ đồ UAV bám theo quỹ đạo được mô tả hình 3, trong đó: d: khoảng cách từ UAV đến đường quỹ đạo bay (khoảng cách UP); V : vận tốc của UAV; : góc hướng của UAV; d : góc hướng mong muốn; Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 43  Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa t : góc hướng đường quỹ đạo; r : bán kính đường tròn Dubin. Hình 3. Sơ đồ UAV bám theo quỹ đạo. Mô hình động học của UAV theo các biến trạng thái d và  được biều diễn như sau [2]: d  V .sin(  t )  (1)    k.u với: u  tan  ;  là góc nghiêng của UAV. Như vậy tín hiệu điều khiển sẽ là tan  . Theo quỹ đạo Dubin, mối quan hệ giữa  d và d được xác định như sau:     d   sgn d   t khi d  r 2  (2)   (   arcsin(1  d )) sgn d+ khi d r ...