Về thuật toán bám đường cho UAV

Bám theo đường là một nhiệm vụ cơ bản của UAV. Một vài thuật toán đã được phát triển nhằm đảm bảo chất lượng bám theo đường cho UAV. Bài viết này sẽ trình bày một số thuật toán bám theo đường, đồng thời tiến hành so sánh các thuật toán đó thông qua công cụ mô phỏng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Về thuật toán bám đường cho UAVNghiên cứu khoa học công nghệ VỀ THUẬT TOÁN BÁM ĐƯỜNG CHO UAV Phạm Thị Phương Anh1*, Nguyễn Vũ2, Phan Tương Lai3 Tóm tắt: Bám theo đường là một nhiệm vụ cơ bản của UAV. Một vài thuật toán đã được phát triển nhằm đảm bảo chất lượng bám theo đường cho UAV. Bài báo này sẽ trình bày một số thuật toán bám theo đường, đồng thời tiến hành so sánh các thuật toán đó thông qua công cụ mô phỏng.Từ khóa: UAV; Dẫn đường; Điều khiển trượt. 1. MỞ ĐẦU Hiện nay, UAV được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kinh tế xã hội cũng nhưquốc phòng an ninh. Để thực hiện nhiệm vụ của mình, bài toán bám theo đường trên mộtđộ cao ổn định là một trong những bài toán cơ bản trong điều khiển UAV, kể cả trongnhiệm vụ quét theo vùng được xác định bằng các điểm là đỉnh của đa giác. Đường phảitheo thường là những đường thẳng hoặc những cung tròn. Nhiệm vụ chung đặt ra cho bàitoán bám theo đường là đảm bảo độ chính xác trong quá trình bám theo đường, đồng thờibảo đảm tính bền vững dưới tác động của nhiễu bên ngoài. Các thuật toán bám theo đường được phát triển dựa trên giả thiết tốc độ UAV khôngđổi, được phát triển cơ bản theo các hướng thuật toán carrot, thuật toán dẫn đường phituyến [1], thuật toán dẫn đường trên cơ sở trường vecto [2], thuật toán bám đường trên cơsở bộ điều chỉnh toàn phương tuyến tính [3], thuật toán bám đuổi và thuật toán bám theođường ngắm [4]. Trong bài báo này, bằng cách sử dụng mô hình động hình học và công cụmô phỏng, các ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp này sẽ được xem xét và phântích, đặc biệt là sự ảnh hưởng của tham số biến đổi. Trước tiên bài toán được xây dựng như sau: Cho đường quỹ đạo, với vị trí của UAV là M x  x, y  và góc hướng quỹ đạo của nó là bài toán bám theo đường là cần xác định góc hướng mong muốn của UAV  d sao chokhi bám theo góc hướng này, UAV sẽ tiến dần tới và bám theo đường quỹ đạo đã cho.Đường quỹ đạo thông thường là các đường thẳng và các cung tròn. Các đường thẳngthường được xác định bởi chuỗi điểm dấu, góc của đường thắng nối hai điểm dấu liên tiếplà góc đường ngắm  . Đối với quỹ đạo là cung tròn, các tham số của nó được xác địnhbởi tọa độ tâm O và bán kính r của nó. Khoảng cách từ UAV đến đường quỹ đạo là sai sốngang. Đối với quỹ đạo cung tròn, góc  được xác định là góc của tiếp tuyến với cungtròn tại điểm giao của đường thẳng nối tọa độ UAV với tâm đường tròn O gần với UAVnhất. Nhiệm vụ của thuật toán bám theo đường là làm cho sai số d  0 cũng như sai sốgóc     0 trong suốt thời gian thực hiện nhiệm vụ t   . 2. CÁC THUẬT TOÁN BÁM THEO ĐƯỜNG 2.1. Đặt vấn đề Giả thiết đường quỹ đạo cần bám của UAV nằm trên mặt phẳng ngang, đồng thời vậntốc của UAV không đổi. Mặt phẳng nằm ngang được thể hiện bẳng tọa độ 2 chiều Oxy.Khi đó mô hình động hình học của UAV được xây dựng như sau:  x  v a cos  v ω cosψ ω  v g cos   y  v a sin  v ω sinψ ω  v g sin (1)  φ  u Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 35 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Trong đó, va : Vận tốc của UAV;  : Góc hướng của UAV;  : Tốc độ góc hướng; v :Vận tốc gió;   : Hướng gió; u : Tập lệnh điều khiển. Mô hình động học ở đây tương đương với mô hình xe trên mặt phẳng nằm ngang [5]. Trong trường hợp không có gió mô hình động học của UAV có dạng sau:  x  v a cos   y  v a sin (2)  ψ  u  Trước tiên xem xét mô hình trong điều kiện không có gió và áp dụng các thuật toánbám theo đường để đánh giá hiệu quả của từng thuật toán. Để đánh giá thuật toán sử dụngmô hình với các tham số sau: v a  50m / s ; tốc độ góc tối đa ω max  300 / s ; bán kínhcung tròn r  400m ;2.2. Thuật toán bám theo đường ngắm ảo Để xây dựng thuật toán bám theo đường ngắm ảo, xem xét các ký hiệu trong hình 1 Hình 1. Sơ đồ UAV bám theo đường thẳng (a) và đường tròn (b) theo thuật toán bám điểm ảo. Đối với trường hợp bám theo đường thẳng như hình 1a, các tham số cần quan tâm làkhoảng cách đến đường và vị trí của điểm ngắm ảo. Giả sử chọn điểm ngắm ảo là điểm Tnằm trên đường thẳng quỹ đạo, có khoảng cách đến hình chiếu của UAV lên đường nàyđiểm P( xP , yP ) là  về hướng chuyển động theo quỹ đạo, còn khoảng cách từ UAV đếnquỹ đạo là d , góc đường ngắm từ UAV (M) đến điểm T( xt , yt ) là  d vị trí ...