Luận án Xây dựng thuật toán điều khiển quỹ đạo và bám mục tiêu di động mặt đất cho UAV cánh bằng

Tên luận án:

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO VÀ BÁM MỤC TIÊU DI ĐỘNG MẶT ĐẤT CHO UAV CÁNH BẰNG

Ngành:

Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Mã số: 9 52 02 16

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án tập trung giải quyết bài toán điều khiển máy bay không người lái (UAV) cánh bằng trong các nhiệm vụ bám theo đường quỹ đạo đặt trước và bám sát mục tiêu di động mặt đất. Nhận thấy các nghiên cứu hiện có chưa cung cấp lời giải tường minh, bền vững cho chất lượng điều khiển, đặc biệt khi mục tiêu di động bị ảnh hưởng bởi vận tốc, đề tài đặt ra mục tiêu xây dựng các thuật toán điều khiển bám quỹ đạo cho UAV (tập trung kênh ngang) và thuật toán bám mục tiêu mặt đất di động sử dụng camera pan-tilt.

Nội dung nghiên cứu bao gồm tổng quan về hệ thống điều khiển UAV, mô hình động học, và các phương pháp điều khiển quỹ đạo. Luận án đã phát triển các thuật toán điều khiển quỹ đạo dựa trên chế độ trượt với nhiều dạng mặt trượt khác nhau như tuyến tính, tuyến tính hỗn hợp, phi tuyến theo hàm lượng giác và phi tuyến theo quỹ đạo Dubin, đồng thời tính toán thời gian hội tụ. Ngoài ra, luận án cũng xây dựng thuật toán bám đường cong với độ cong thay đổi dựa trên hệ tọa độ Serret-Frenet và chế độ trượt hỗn hợp. Đặc biệt, để nâng cao khả năng bám sát mục tiêu di động khi phương pháp loitering không còn hiệu quả, một thuật toán thích nghi tạo đường quỹ đạo kép đã được đề xuất và kiểm chứng qua mô phỏng.

Những đóng góp mới của luận án bao gồm việc ứng dụng phương pháp điều khiển trượt với các mặt trượt đa dạng để xây dựng thuật toán dẫn đường cho UAV dựa trên quỹ đạo Dubin và hệ tọa độ Serret-Frenet, cùng với việc xây dựng thành công thuật toán điều khiển quỹ đạo UAV bám mục tiêu di động mặt đất một cách hiệu quả. Các kết quả này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, có thể áp dụng trong nhiều lĩnh vực từ kinh tế xã hội đến an ninh quốc phòng. Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tích hợp các thuật toán điều khiển vòng ngoài với hệ thống Autopilot và tiếp tục phát triển chế độ hộ tống cho mục tiêu di động.

Mục lục chi tiết:

• MỞ ĐẦU

  • 1. Tính cấp thiết của đề tài
  • 2. Mục tiêu nghiên cứu
  • 3. Nội dung nghiên cứu
  • 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
  • 5. Phương pháp nghiên cứu
  • 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
  • 7. Bố cục của luận án

• Chương 1: TỔNG QUAN VỀ UAV VÀ ĐIỀU KHIỂN UAV

  • 1.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển UAV
  • 1.2. Các vòng điều khiển trong hệ thống điều khiển bay
  • 1.3. Phương trình động học điều khiển quỹ đạo của UAV
  • 1.4. Điều khiển quỹ đạo của UAV
    • 1.4.1. Bám theo điểm ngắm ảo
    • 1.4.2. Thuật toán điều khiển quỹ đạo phi tuyến
    • 1.4.3. Thuật toán bám theo đường dựa trên luật ngắm thẳng vào đích đến và dẫn theo đường ngắm của quỹ đạo
    • 1.4.4. Luật điều khiển quỹ đạo tựa theo trường vecto
    • 1.4.5. Luật điều khiển dựa trên bộ điều chỉnh tuyến tính toàn phương LQR
  • 1.5. Hệ thống đo lường trên UAV
    • 1.5.1 Hệ cảm biến đo các trạng thái dịch chuyển
    • 1.5.2 Hệ thống cảm biến đo tư thế UAV
    • 1.5.3 Tích hợp các hệ thống cảm biến
  • 1.6. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
    • 1.6.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
    • 1.6.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

• Chương 2: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO CHO UAV

  • 2.1. Sơ lược về chế độ trượt
  • 2.2. Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt tuyến tính
    • 2.2.1. Thuật toán xác định sai số bám và sai số góc hướng của UAV theo đường quỹ đạo cần bám
      • 2.2.1.1. Đối với đường quỹ đạo thẳng
      • 2.2.1.2. Đối với đường quỹ đạo tròn
    • 2.2.2. Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt tuyến tính
      • 2.2.2.1. Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt tuyến tính theo khoảng cách
      • 2.2.2.2. Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt tuyến tính hỗn hợp
  • 2.3. Thuật toán dẫn đường dựa trên mặt trượt phi tuyến theo hàm lượng giác
    • 2.3.1. Lựa chọn mặt trượt
    • 2.3.2. Luật điều khiển tương đương
  • 2.4 Thuật toán dẫn đường với mặt trượt phi tuyến dựa trên quỹ đạo Dubin
  • 2.5. Thuật toán bám theo đường cong trong hệ tọa độ Serret-Frenet
  • Kết luận chương 2:

• Chương 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DẪN ĐƯỜNG BÁM MỤC TIÊU MẶT ĐẤT DI ĐỘNG CHO UAV

  • 3.1. Xác định tọa độ và các tham số chuyển động của mục tiêu
    • 3.1.1 Mô hình Camera và hệ tọa độ Camera.
    • 3.1.2 Xác định tọa độ mục tiêu từ hệ tọa độ của camera
  • 3.2. Bám sát mục tiêu di động theo chế độ quay quanh mục tiêu (chế độ loitering)
  • 3.3. Chế độ bám theo đường quỹ đạo động kép
    • 3.3.1. Thời gian quá độ trong chế độ điều khiển dẫn đường sử dụng chế độ trượt với mặt trượt phi tuyến theo quỹ đạo Dubin.
    • 3.3.2. Quỹ đạo kép trong bài toán hộ tống mục tiêu
    • 3.3.3. Sai số bám trong chế độ hộ tống sử dụng quỹ đạo kép
  • Kết luận chương 3:

• KẾT LUẬN

• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ