Thuật toán dẫn đường cho UAV dựa trên hệ tọa độ Serret-Frenet

Bài viết đề xuất sử dụng hệ tọa độ Serret-Frenet trong dẫn đường bám theo quỹ đạo trơn có độ cong bất kỳ. Nhờ sử dụng hệ tọa độ Serret-Frenet bài toán xác định khoảng cách từ UAV đến đường quỹ đạo được giải phóng, làm giảm sự phức tạp của của thuật toán bám đường quỹ đạo, đồng thời cũng loại bỏ được điểm kỳ dị trong thuật toán bám đường khi UAV nằm trên tâm của cung tròn.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thuật toán dẫn đường cho UAV dựa trên hệ tọa độ Serret-FrenetNghiên cứu khoa học công nghệ THUẬT TOÁN DẪN ĐƯỜNG CHO UAV DỰA TRÊN HỆ TỌA ĐỘ SERRET-FRENET Phạm Thị Phương Anh1*, Nguyễn Vũ2, Phan Tương Lai3 Tóm tắt: Bài báo đề xuất sử dụng hệ tọa độ Serret-Frenet trong dẫn đường bám theo quỹ đạo trơn có độ cong bất kỳ. Nhờ sử dụng hệ tọa độ Serret-Frenet bài toán xác định khoảng cách từ UAV đến đường quỹ đạo được giải phóng, làm giảm sự phức tạp của của thuật toán bám đường quỹ đạo, đồng thời cũng loại bỏ được điểm kỳ dị trong thuật toán bám đường khi UAV nằm trên tâm của cung tròn. Trong bài báo, chế độ trượt với mặt trượt phi tuyến được sử dụng để mang lại chất lượng cao cho hệ thống dẫn.Từ khóa: Điều khiển UAV; Bám đường; Serret-Fernet. 1. MỞ ĐẦU Có rất nhiều thuật toán dẫn đường cho UAV bám theo đường quỹ đạo được xâydựng trước, thuật toán dẫn đường phi tuyến[1], thuật toán dẫn đường trên cơ sởtrường véc tơ [2], thuật toán bám đường trên cơ sở bộ điều chỉnh toàn phươngtuyến tính [3], thuật toán bám đuổi và thuật toán bám theo đường ngắm [4], dẫnđường áp dụng chế độ trượt [5]. Chế độ trượt mang lại hiệu quả cao, nhất là khi sửdụng trượt phi tuyến. Tuy nhiên, trong mọi bài toán dẫn đường cần xác định đượckhoảng cách từ UAV đến đường quỹ đạo mà điều này còn khó khăn đối với quỹđạo là đường cong có bán kính thay đổi. Ngoài ra bài toán dẫn đường cũng gặpphải các điểm kỳ dị, khi UAV nằm đúng tâm của đường quỹ đạo. Để khắc phụcnhược điểm này, hệ tọa độ Serret Fernet được áp dụng, bài toán dẫn đường đượcgiải quyết như bài toán bám quỹ đạo với tốc độ trên quỹ đạo được thay đổi với giảthiết UAV bay ở độ cao không đổi. Việc đưa bài toán dẫn đường về hệ tọa độSerret Fernet sẽ được đề cập cụ thể trong bài báo này. 2. BIỂU DIỄN CÁC THÔNG SỐ BÁM QUỸ ĐẠO QUA HỆ TỌA ĐỘ SERRET-FRENET Hệ Serret Frenet (SF) trong không gian hai chiều là hệ tọa độ có điểm gốc tọađộ O chuyển động dọc theo đường cong quỹ đạo l và tốc độ di chuyển là l , trụcOxs tiếp tuyến với đường cong quỹ đạo hướng theo hướng quỹ đạo, trục Oysvuông góc với trục Oxs , hướng của trục Oxs là hướng quỹ đạo  t [6]. ( xE OE yE ) : Hệ tọa độ trái đất; x, y, : Vị trí và hướng của UAV trong hệ tọa độ trái đất; C: tâm của UAV; V: Vận tốc của UAV; ( xS Oys ) : Hệ tọa độ Serret frenet (SF); t : Góc hướng quỹ đạo được tạo bởi Oxs và trục x . O: Gốc tọa độ hệ SF và O là hình chiếu trực giao của C lên đường congquỹ đạo.Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 51 Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa Hình 1. Hệ tọa độ Serret-Fernet và các tọa độ của UAV. Trong mặt phẳng nằm ngang đường quỹ đạo được mô tả là quỹ đạo của điểmgốc tọa độ O của hệ tọa độ FS trượt theo đường quỹ đạo. Giả sử l là độ dài củađường quỹ đạo dọc theo đường mong muốn. Độ dài đường cong quỹ đạo đượchiểu là khoảng cách từ điểm gốc ban đầu l  t0   0 đến vị trí O , để từ đó xác địnhđược vị trí hiện tại mong muốn để UAV bám theo. 3. DẪN ĐƯỜNG TRONG HỆ TỌA ĐỘ SF Tọa độ UAV và hướng của UAV trong hệ tọa độ S-F ký hiệu là ex , ey và  vớiex là tọa độ theo trục x , ey là tọa độ theo trục y và  là hiệu giữa góc hướng củaUAV và góc hướng quỹ đạo.     t (1) Theo [5] mô hình động học của UAV như sau:  x  V .cos   y  V .sin  ψ  u  Trên hệ tọa độ S-F phương trình động học của hệ bám đường như sau: ex  V .cos  l   ey  V .sin  g (2)    u1  t  V   t  k .l Ở đó: l là vận tốc theo cung dài của gốc tọa độ; k là hệ số đường cong; u1  tan  ;  là góc nghiêng của UAV trên hệ tọa độ S-F.52 P. T. P. Anh, N. Vũ, P. T. Lai, Thuật toán dẫn đường cho UAV … tọa độ Serret-Frenet.Nghiên cứu khoa học công nghệ Bài toán dẫn đường trong hệ (2) khác với bài toán dẫn đường sử dụng sai sốkhoảng cách và sai số hướng ở chỗ nó là bài toán bám theo quỹ đạo. Tuy nhiên, vìvấn đề đặt ra là bám theo đường nên sự phụ thuộc vào thời gian cần phải loại bỏ.Điều này giải quyết bằng cách đưa tốc độ của gốc tọa độ trở thành tín hiệu điềukhiển, nhằm mục đích đưa sai số ex  0 , khi đó ey chính là sai số khoảng cách vàk (l ) chính là độ cong của đường quỹ đạo tại điể ...