Tổng hợp thuật toán điều khiển chuyển động cạnh của thiết bị bay không người lái cỡ nhỏ khi có nhiễu động gió

Bài viết đã đề xuất giải pháp nâng cao an toàn bay cho thiết bị bay không người lái (TBBKNL) cỡ nhỏ khi có nhiễu động gió cạnh theo tốc độ bay. Trong trường hợp tốc độ bay lớn nhất, TBBKNL sử dụng thuật toán điều khiển theo quỹ đạo.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tổng hợp thuật toán điều khiển chuyển động cạnh của thiết bị bay không người lái cỡ nhỏ khi có nhiễu động gió Nghiên cứu khoa học công nghệ TỔNG HỢP THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CẠNH CỦA THIẾT BỊ BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI CỠ NHỎ KHI CÓ NHIỄU ĐỘNG GIÓ Đặng Công Vụ1,*, Nguyễn Đức Cương2, Lê Thanh Phong1, Đặng Võ Công3, Nguyễn Thành Chung4 Tóm tắt: Trong bài báo này, tác giả đã đề xuất giải pháp nâng cao an toàn bay cho thiết bị bay không người lái (TBBKNL) cỡ nhỏ khi có nhiễu động gió cạnh theo tốc độ bay. Trong trường hợp tốc độ bay lớn nhất, TBBKNL sử dụng thuật toán điều khiển theo quỹ đạo. Trong trường hợp tốc độ bay hành trình, TBBKNL sử dụng thuật toán điều khiển thích nghi theo tín hiệu đầu ra quá tải ngang nz sử dụng phương pháp bù nối tiếp. Từ khóa: Nhiễu động gió, Máy bay không người lái, Phương pháp bù nối tiếp, Điều khiển thích nghi. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Gió là sự chuyển động tương đối của không khí so với mặt đất. Chuyển động của không khí là do sự chênh lệch áp suất khí quyển gây ra. Nhiễu động gió là gió có biên độ và quy mô nhiễu động (hình 1) thay đổi theo không gian và thời gian. Trong khi bay, nhiễu động gió cạnh có ảnh hưởng lớn đến chuyển động của TBBKNL, khi có nhiễu động gió có thể làm TBBKNL lệch khỏi quỹ đạo bay và có thể làm TBBKNL mất an toàn (Mất an toàn bay - khi góc trượt  vượt quá giá trị cho phép làm cho TBBKNL mất điều khiển dẫn tới TBBKNL bị rơi hoặc bị phá hủy kết cấu). Khi có nhiễu động gió tác động việc duy trì quỹ đạo bay ban đầu của TBBKNL có thể phải từ bỏ, khi đó, đảm bảo an toàn bay được đặt lên hàng đầu. Yêu cầu đặt ra là khi có nhiễu động gió cạnh cần phải duy trì  trong giới hạn cho phép. Trên TBBKNL cỡ nhỏ việc xác định trực tiếp  nhờ các thiết bị đo là rất khó khăn. Tuy nhiên, ta biết rằng góc trượt cạnh  tỷ lệ thuận với quá tải ngang nz. Trong kênh ngang nz tương đối nhỏ, tuy nhiên, các cảm biến vi cơ điện tử hiện nay có độ nhạy cao (ví dụ: MPU-6000 [6]) nên đảm bảo đo được nz nhỏ và đo được trực tiếp bằng gia tốc kế. Trong tài liệu [2], [3] đã đề cập đến việc sử dụng tín hiệu nz để triệt tiêu góc trượt, tuy nhiên trong tài liệu này mới chỉ xét tác động của gió có dạng bậc thang và khảo sát ảnh hưởng của gió bậc thang đến đến quỹ đạo của TBBKNL, chưa xét đến tác động của nhiễu động gió đến an toàn bay. Trong bài báo này, tác giả đã xét các trường hợp: sử dụng bộ điều khiển theo quỹ đạo trong mặt phẳng ngang; sử dụng bộ điều khiển thích nghi theo tín hiệu đầu ra (hê số quá tải ngang nz) khi có nhiễu động gió cạnh. Tiến hành khảo sát trên máy tính ở tốc độ bay lớn nhất và tốc độ bay hành trình, từ đó, lựa chọn thuật toán điều khiển phù hợp để nâng cao an toàn bay cho TBBKNL cỡ nhỏ khi có nhiễu động gió. 2. NHIỄU ĐỘNG GIÓ TÁC ĐỘNG ĐẾN TBBKNL CỠ NHỎ 2.1. Mô hình nhiễu động gió Trong bài báo, xét nhiễu động gió cạnh hình sin có hướng vuông góc với TBBKNL và từ trái qua phải (hình 1). Mô hình nhiễu động gió như sau [5]: Wo 2 ( xo  x*o ) Wzo  .( 1  cos ) (1) 2 L * Trong đó: xo - Tọa độ điểm bắt đầu có gió; Wo - Biên độ nhiễu động gió; ( xo  x*o ) – Quãng đường bay được của TBBKNL từ khi có gió, m; L - Quy mô nhiễu động, m (hình 1). Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 3  Tên lửa & Thiết bị bay Wz Vr Vk w Wzo W0 O x o* xo L Hình 1. Nhiễu động gió hình sin và hướng gió. Theo tài liệu [5], mô hình nhiễu động gió (1) được sử dụng để kiểm bền và đánh giá an toàn bay của thiết bị bay hạng nhẹ trong kênh dọc. Tuy nhiên, nhiễu động gió trong khí quyển ở độ cao khoảng 300m trở lên là đẳng hướng [7], do vậy, ta cũng có thể sử dụng biểu thức nhiễu động gió này cho chuyển động cạnh. Cũng theo tài liệu [5], ở tốc độ bay lớn nhất cần xét Wo=7.62m/s, ở tốc độ bay hành trình cần xét Wo=15.24m/s. Độ an toàn bay của TBBKNL cỡ nhỏ (góc trượt) phụ thuộc vào biên độ gió Wo và quy mô nhiễu động L [4]. 2.2. Ảnh hưởng của nhiễu động gió đến an toàn bay Trong bài báo, xét khi chưa có nhiễu động gió TBBKNL bay với 0  0 nên khi có w , khi đó, góc nhiễu động gió cạnh có hướng như hình 1 góc trượt sẽ tăng lên một lượng trượt khi có nhiễu động gió: r  o  w  w với  w   Wzo Vk . Góc trượt w phụ thuộc vào tốc độ bay, ở tốc độ bay lớn nhất Vk lớn (Vk =50m/s) nên  w nhỏ, ở tốc độ bay hành trình do Vk nhỏ (Vk=40m/s) nên  w tương đối lớn. Đối với các loại TBBKNL cỡ nhỏ làm nhiệm vụ giám sát thường bay ở tốc độ hành trình rất ít khi bay ở tốc độ bay lớn nhất. Cho nên, theo tài liệu [5] cần đánh giá độ an toàn bay (góc trượt và hệ số quá tải ngang) của TBBKNL cỡ nhỏ ở tốc độ bay hành trình khi có nhiễu động gió cạnh. 3. TỔNG HỢP THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO KÊNH ĐIỀU KHIỂN NGANG CỦA TBBKNL CỠ NHỎ Trong bài báo sử dụng giả thiết kênh cren của TBBKNL được ổn định lý tưởng (   0,  x  0 ). Khi đó, trong chuyển động cạnh chỉ cần xét chuyển động trong kênh ngang, hệ phương trình kênh ngang của TBBKNL như sau [1]:  d mVk dt  Z a  T .sin   ...