Về một thuật toán điều khiển bám mục tiêu di động trên mặt đất sử dụng UAV cánh bằng

Quan sát mục tiêu di động trên mặt đất từ UAV đòi hỏi phải bám sát được mục tiêu và giữ mục tiêu trong một dải khoảng cách nhất định cho phép. Nhiều phương pháp bám đã được đề xuất nhưng mỗi phương pháp chỉ thích hợp cho một dải tốc độ nhất định của mục tiêu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Về một thuật toán điều khiển bám mục tiêu di động trên mặt đất sử dụng UAV cánh bằng Nghiên cứu khoa học công nghệ VỀ MỘT THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM MỤC TIÊU DI ĐỘNG TRÊN MẶT ĐẤT SỬ DỤNG UAV CÁNH BẰNG Phạm Thị Phương Anh1*, Nguyễn Vũ2 Tóm tắt: Quan sát mục tiêu di động trên mặt đất từ UAV đòi hỏi phải bám sát được mục tiêu và giữ mục tiêu trong một dải khoảng cách nhất định cho phép. Nhiều phương pháp bám đã được đề xuất nhưng mỗi phương pháp chỉ thích hợp cho một dải tốc độ nhất định của mục tiêu. Để khắc phục nhược điểm nêu trên, bài báo đề xuất một thuật toán bám mục tiêu di động thích hợp cho mọi dải tốc độ của mục tiêu với điều kiện tốc độ mục tiêu nhỏ hơn tốc độ của UAV. Các kết quả sẽ được kiểm chứng bằng mô phỏng trên phần mềm Matlab. Từ khóa: Bám theo điểm ảo; Bám đường, Bám loitering; Mục tiêu di động mặt đất; UAV cánh bằng. 1. MỞ ĐẦU Hiện nay, việc ứng dụng flycam đã trở thành phổ biến, tuy nhiên, UAV cánh bằng trong một số trường hợp vẫn là một lựa chọn để thực hiện nhiệm vụ bám sát mục tiêu. Đối với bám theo đường quỹ đạo nhiều thuật toán đã được đề xuất như bám theo điểm ảo, theo trường vecto,... [1, 3]. Các thuật toán này khi xây dựng quỹ đạo bám không quan tâm đến tốc độ của UAV. Khác với bám theo đường quỹ đạo, trong bám sát mục tiêu di động trên mặt đất cần quan tâm đến tốc độ của UAV cũng như mục tiêu. Đối với mục tiêu di chuyển chậm phương pháp loitering được áp dụng [2]. Đối với mục tiêu di chuyển nhanh phương pháp hộ tống (convoying) được đề cập [4],… tuy nhiên, cần biết quỹ đạo và hướng của mục tiêu. Phương pháp bám (flollowing) cũng được sử dụng [5] nhưng chỉ phù hợp với mục tiêu có tốc độ lớn hơn tốc độ nhỏ nhất của UAV. Một số nghiên cứu mới đây đề cập tới thuật toán dẫn hiệu quả hơn như tạo ra một chuỗi điểm dấu để UAV bám theo [6]. Các điểm dấu này được tính toán căn cứ vào vị trí tương đối cũng như hướng tương đối giữa UAV và mục tiêu. Để khắc phục các nhược điểm này, loitering kết hợp với đường quỹ đạo sẽ được đề cập dưới đây. 2. SỬ DỤNG CAMERA PAN-TIL ĐỂ XÁC ĐỊNH THAM SỐ CHUYỂN ĐỘNG CỦA MỤC TIÊU 2.1. Xác định tọa độ mục tiêu di động trên mặt đất nhờ pan-til camera đặt trên UAV Để xác định được tọa độ của mục tiêu di động trên mặt đất từ camera pan-til đặt trên UAV, trên UAV cần có hệ thống điều khiển sao cho hình ảnh của mục tiêu nằm trong ống kính của camera. Để đơn giản hóa các phép tính trong bài báo này sử dụng giả thiết rằng, hệ thống tự động bám ảnh đảm bảo sao cho hệ thống pan-til camera luôn giữ hình ảnh mục tiêu trong tâm của trường nhìn. Sử dụng các hệ thọa độ sau: hệ tọa độ địa lý mặt đất G là hệ tọa độ có trục OX g hướng lên phía Bắc, OZ g hướng lên phía Đông và OYg hướng lên trên; hệ trục tọa độ gắn liền B gắn với UAV; hệ tọa độ phương vị A gắn với hệ pan-til là hệ tọa độ có trục OX a và OZa nằm trong mặt phẳng OXb Zb của hệ tọa độ gắn liền, trục Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 77 Kỹ thuật điện tử OYa trùng với trục OYb và mặt phẳng OX aYa chứa trục quang học của camera nhận được từ hệ tọa độ gắn liền bằng cách quay 1 góc 2 theo trục OYb ; Hệ tọa độ tầm E là hệ tọa độ nhận được từ hệ tọa độ phương vị A bằng cách quay xung quanh trục OZa một góc 3 theo trục OZa . Hệ tọa độ gắn liền có các góc Ơle theo thứ tự 2-3-1 so với hệ tọa độ mặt đất địa lý , ,  . Ký hiệu ma trận quay từ hệ tọa độ mặt đất sang hệ tọa độ gắn liền là:  c.c s c.s  CG   c.s.c  s.s c.c c.s.s  s.c  B  (1)  s.s.c  c.s  s.c  s.s.s  c.c  Ma trận quay từ hệ tọa độ gắn liền sang hệ tọa độ phương vị là: c2 0  s2  CBA   0 1 0  (2)  s2 0 c2  Ma trận quay từ hệ tọa độ phương vị sang hệ tọa độ tầm:  c3 s3 0  C    s3 c3 0  E A (3)  0 0 1  Ngoài ra, trên UAV còn có khí áp kế để đo độ cao và tọa độ được xác định bằng hệ thống dẫn đường. Trong bài báo này các hệ thống đo trên được cho là chính xác. Tọa độ của UAV sẽ là  xu , h u , zu  . Khoảng cách từ UAV đến mục tiêu là tham số sẽ được xác định sau. Tuy nhiên khoảng cách này là D, khi đó với những giả thiết trên, tọa độ của UAV được xác định như sau:  xT   D   xu   y   C B  . C A  . C E  .  0   h   T  G  B   A     u (4)  zT   0   zu  Từ (4) xác định được tọa độ mục tiêu với giả thiết khoảng cách từ mục tiêu đến UAV là D. Giả sử dựa vào bản đồ địa hình ta biết được độ cao thực của tọa độ mục tiêu là yT . Khi đó, tọa độ mục tiêu là:  xT   xT   y   T . y  y (5)  T y  T  zT  TD  zT  D 2.2. Xác định các tham số chuyển động của mục tiêu Bằng thuật toán (4) và (5) xác định tọa độ mục tiêu tại hai điểm. Giả sử độ cao ít thay đổi. Khi đó ...