Ứng dụng bộ điều khiển thích nghi theo tốc độ Gradient với mô hình tham chiếu tường minh cho UAV cỡ nhỏ trong điều kiện nhiễu động gió

Trong bài báo này, tác giả xây dựng bộ điều khiển thích nghi theo tốc độ gradient với mô hình tham chiếu tường minh để điều khiển UAV theo tín hiệu quá tải đứng trong điều kiện có nhiễu động gió. Kết quả khảo sát trên máy tính với mô hình UAV giả định cho thấy rằng, khi sử dụng bộ điều khiển này sẽ làm giảm đáng kể đến quá tải đứng, góc tấn của UAV (nâng cao an toàn bay của UAV) và mở rộng được khả năng sử dụng UAV trong điều kiện có nhiễu động gió.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ứng dụng bộ điều khiển thích nghi theo tốc độ Gradient với mô hình tham chiếu tường minh cho UAV cỡ nhỏ trong điều kiện nhiễu động gió Nghiên cứu khoa học công nghệ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO TỐC ĐỘ GRADIENT VỚI MÔ HÌNH THAM CHIẾU TƯỜNG MINH CHO UAV CỠ NHỎ TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỄU ĐỘNG GIÓ Đặng Công Vụ1*, Nguyễn Đức Cương2, Lê Thanh Phong1, Trần Quốc Toàn3, Đỗ Xuân Tuyền3, Đặng Võ Công4 Tóm tắt: Trong bài báo này, tác giả xây dựng bộ điều khiển thích nghi theo tốc độ gradient với mô hình tham chiếu tường minh để điều khiển UAV theo tín hiệu quá tải đứng trong điều kiện có nhiễu động gió. Kết quả khảo sát trên máy tính với mô hình UAV giả định cho thấy rằng, khi sử dụng bộ điều khiển này sẽ làm giảm đáng kể đến quá tải đứng, góc tấn của UAV (nâng cao an toàn bay của UAV) và mở rộng được khả năng sử dụng UAV trong điều kiện có nhiễu động gió. Từ khóa: Nhiễu động gió, Máy bay không người lái, Điều khiển thích nghi, Tốc độ gradient thuật toán. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Các loại UAV cỡ nhỏ thường có kích thước và tốc độ nhỏ nên bay với góc tấn khá lớn. Khi có nhiễu động gió và bay ở độ cao thấp có thể dẫn tới UAV mất an toàn bay (góc tấn gần tới hạn và/hoặc quá tải gần giới hạn chịu tải của kết cấu máy bay) và có thể xảy ra tai nạn [5]. Do đó, trong điều kiện có nhiễu động gió việc bảo đảm an toàn bay của UAV luôn được đặt lên hàng đầu: đảm bảo độ bền kết cấu thân cánh máy bay và không để góc tấn quá lớn (quá tải đứng và góc tấn nằm trong giới hạn cho phép). Trong bài báo [2], [3] đã chỉ ra rằng, trong điều kiện có nhiễu động gió tác động và quy mô nhiễu động (hình 1) nhỏ, nếu tiếp tục sử dụng thuật toán tự động duy trì độ cao sẽ dẫn tới góc tấn, quá tải đứng lớn và ảnh hưởng đến độ an toàn bay của UAV. Đồng thời trong bài báo này cũng đã đưa ra giải pháp để giảm quá tải đứng cho UAV là chuyển từ thuật toán điều khiển ổn định độ cao sang điều khiển theo quá tải đứng. Nghĩa là, khi có nhiễu động gió (tín hiệu từ gia tốc kế vượt quá ngưỡng cho trước) UAV không duy trì độ cao mà duy trì quá tải trong giới hạn cho phép. Tuy nhiên, trong các bài báo này, với quy mô nhiễu động gió cho trước quá tải đứng và góc tấn có giảm nhưng chưa nhiều và chưa đánh giá được độ an toàn của UAV với các quy mô nhiễu động nhỏ hơn. Trong phạm vi bài báo này, tác giả đã sử dụng bộ điều khiển thích nghi theo tốc độ gradient với mô hình tham chiếu tường minh điều khiển theo quá tải đứng để giảm quá tải và góc tấn khi có nhiễu động gió tác động với các quy mô nhiễu động khác nhau. Trong thuận toán tốc độ gradient tốc độ thay đổi tham số của luật điều khiển xảy ra tỷ lệ thuận với gradient của tốc độ thay đổi hàm mục tiêu cục bộ, trong đó hàm mục tiêu thể hiện sai số giữa vecto trạng thái của UAV và vecto trạng thái chuẩn. 2. NHIỄU ĐỘNG GIÓ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU ĐỘNG GIÓ ĐẾN CHUYỂN ĐỘNG DỌC CỦA UAV 2.1. Nhiễu động gió Nhiễu động 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. Có nhiều nguyên nhân gây ra nhiễu động nhiễu động gió [5]: do các dòng đối lưu nhiệt; do dòng thăng dáng gần các đỉnh núi; do các cơn dông; …. Dòng nhiễu động có thể thổi cùng chiều hoặc ngược chiều với chuyển động của máy bay, cũng có thể thổi trong mặt phẳng ngang, tuy nhiên, các dòng nhiễu động thổi vuông góc với chuyển động của máy bay Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 3  Tên lửa & Thiết bị bay và thổi từ dưới lên trong mặt phẳng đứng sẽ có ảnh hưởng nguy hiểm nhất đến an toàn và kết cấu UAV. Vì vậy, trong bài báo chỉ xét chuyển động dọc của UAV và khảo sát các tác động của gió thổi thẳng đứng từ dưới lên trong mặt phẳng đứng xoOyo (hệ tọa độ mặt đất) và nhiễu động gió chỉ phụ thuộc theo tọa độ xo, tức là Wy=f(xo). Xét 2 mô hình gió như sau : Mô hình gió bậc thang. Mô hình bậc thang của trường gió thẳng đứng có thể được biểu diễn như sau [5]: 0 khi xo  x*o Wy   (1) Wyo khi xo  x*o Với x*o là tọa độ điểm bắt đầu có gió, W yo = const là một giá trị khảo sát nào đó của trường gió đứng. Tác giả sẽ sử dụng mô hình gió bậc thang (1) để đánh giá độ tin cậy của chương trình mô phỏng động học vòng điều khiển kín. Mô hình gió theo tiêu chuẩn châu Âu (JAR-VLA). Mô hình gió theo tiêu chuẩn JAR-VLA mô tả tương đối đầy đủ các thành phần của nhiễu động gió. Mô hình toán của gió JAR-VLA như sau [6]: W Wy  0   . 1  cos  2. . xo  x*o   (2) 2  L    Trong đó: x o  x*o  – Quãng đường bay được của máy bay từ khi có gió, m; xo* W0 – Biên độ gió, m/s; L - Quy mô nhiễu động, m. Hình 1. Mô hình gió theo tiêu chuẩn JAR-VLA. Độ an toàn bay của UAV phụ thuộc vào quy mô nhiễu động [2]. Khi có gió JAR- VLA với quy mô nhiễu động L  33m , nếu tiếp tục duy trì độ cao theo thuật toán điều khiển ổn định độ cao (PID) có thể dẫn tới mất an toàn bay cho UAV [3] ...