Tối ưu quỹ đạo hạ cánh của UAV trong điều kiện vị trí hạ cánh đang chuyển động

Bài viết trình bày điều khiển tối ưu quỹ đạo hạ cánh của UAV trong điều kiện vị trí hạ cánh đang chuyển động. Bằng việc áp dụng nguyên lý cực đại Pontryagin cho phép chuyển bài toán điều khiển tối ưu sang bài toán biên. Để giải bài toán biên, sử dụng phương pháp liên tục giải theo tham số.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tối ưu quỹ đạo hạ cánh của UAV trong điều kiện vị trí hạ cánh đang chuyển độngNghiên cứu khoa học công nghệ TỐI ƯU QUỸ ĐẠO HẠ CÁNH CỦA UAV TRONG ĐIỀU KIỆN VỊ TRÍ HẠ CÁNH ĐANG CHUYỂN ĐỘNG Ngô Văn Toàn1*, Lê Thanh Phong2, Nguyễn Ngọc Điển3,Nguyễn Hữu Đạt4 Tóm tắt: Bài báo trình bày điều khiển tối ưu quỹ đạo hạ cánh của UAV trong điều kiện vị trí hạ cánh đang chuyển động. Bằng việc áp dụng nguyên lý cực đại Pontryagin cho phép chuyển bài toán điều khiển tối ưu sang bài toán biên. Để giải bài toán biên, sử dụng phương pháp liên tục giải theo tham số. Tín hiệu điều khiển được sử dụng là quá tải tiếp tuyến, quá tải pháp tuyến vận tốc và quá tải cạnh. Mục đích là tìm ra chương trình điều khiển tối ưu chuyển động của UAV. Kết quả là có thể dẫn UAV đến điểm cuối của quỹ đạo trong điều kiện vị trí hạ cánh đang chuyển động.Từ khóa: Tối ưu quỹ đạo; Hạ cánh UAV; Vị trí hạ cánh di động; Phương pháp liên tục giải theo tham số. 1. MỞ ĐẦU Để nâng cao khả năng cơ động, tính linh hoạt trong sử dụng máy bay không người lái(UAV- Unmanned aerial vehicle), người ta luôn mong muốn UAV có thể cất hạ cánh antoàn trên nhiều loại đường băng khác nhau, trong đó có đường băng được lắp đặt trên cácthiết bị di động (tàu sân bay, xà lan, ô tô…). Tuy nhiên, giai đoạn vào hạ cánh và chuẩn bịtiếp đất của UAV là giai đoạn phức tạp, chịu tác động của nhiều yếu tố, phần lớn các tai nạnxảy ra đối với UAV đều nằm trong giai đoạn này. Để đáp ứng được mong muốn trên, việctối ưu quỹ đạo hạ cánh của UAV trong không gian luôn có vai trò quan trọng và cấp thiết. Đến nay, đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề này [5…9]. Phần lớn trong số đó đi sâu giảiquyết việc sử dụng nguyên lý cực đại Pontryagin để chuyển đổi bài toán tối ưu sang bàitoán biên với mong muốn giải bài toán biên này sẽ tìm ra được quỹ đạo hạ cánh tối ưu đốivới các thiết bị bay nói chung và UAV nói riêng. Tuy nhiên, việc giải bài toán biên sẽ gặpnhiều khó khăn bởi sự liên quan đến thời gian tính toán, sự lựa chọn các thông số gần đúngban đầu và sự hội tụ của phương pháp. Một số nghiên cứu đã gợi ý sử dụng phương phápNewton [5,7]. Song, khi bị hạn chế bởi các tín hiệu điều khiển, sử dụng phương phápNewton sẽ rất phức tạp. Các nghiên cứu khác đã đề xuất phương pháp liên tục giải theo thamsố [3, 10]. Phương pháp này đã thể hiện được tính ưu việt vượt trội. Tuy nhiên, các tác giảchưa áp dụng kết quả để tối ưu quỹ đạo hạ cánh đối với một đối tượng cụ thể như UAV vàtrong trường hợp cụ thể là vị trí hạ cánh đang chuyển động. Trong bài báo này, tác giả đềxuất việc áp dụng phương pháp liên tục giải theo tham số cho bài toán tối ưu quỹ đạo hạcánh của UAV khi vị trí hạ cánh đang chuyển động. Tiêu chí tối ưu lựa chọn là Bolza [11,12], có độ chính xác cao trong dẫn UAV đến điểm cuối của quỹ đạo hạ cánh và mức tiêuthụ năng lượng tối thiểu. 2. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN2.1. Tối ưu quỹ đạo hạ cánh Hệ phương trình chuyển động của UAV trong không gian bao gồm các phương trình viphân như sau [4, 6, 8]: V  g .( nx  sin  ); (1) g   .( n y  cos  ); (2) VTạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 3 Tên lửa & Thiết bị bay g nz    . ; (3) V cos  x  V .cos  .cos  ; (4) y  V .sin  ; (5) z  V .cos  .sin  . (6) Trong đó: V- Vận tốc của UAV;  - Góc nghiêng quỹ đạo;  - Góc xoay quỹ đạo; x - Cự ly; y - Độ cao; z - Lệch cạnh; g - Gia tốc trọng trường (g = 9,80665 m/s²); T X  V , ,, x, y, z - Véc tơ trạng thái của UAV; nx , n y , nz - Quá tải tiếp tuyến, quá tải pháp tuyến vận tốc, quá tải cạnh. Chọn tín hiệu điều khiển u  [ nx , n y , nz ]T . Hàm chỉ tiêu theo tiêu chí Bolza có dạng: J  0,5.1.(x(t f )  x f )2  0,5.2 .( y (t f )  y f )2  0,5.3 .( z (t f )  z f )2  0,5. 4 .(V (t f )  V f )2  0,5.5 .( (t f )   f )2  0,5.6 .( (t f )   f )2 ...