Phương pháp thiết kế và thực thi mô phỏng hướng đối tượng trong thời gian thực với kiến trúc hướng theo mô hình cho hệ thống điều khiển của Quadrotor UAV

- LƯƠNG QUANG HUÂN KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ THỰC THI MÔ PHỎNG HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG TRONG THỜI GIAN THỰC VỚI KIẾN TRÚC HƯỚNG THEO MÔ HÌNH CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA QUADROTOR UAV LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ CLC2016B Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- LƯƠNG QUANG HUÂN TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ THỰC THI MÔ PHỎNG HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG TRONG THỜI GIAN THỰC VỚI KIẾN TRÚC HƯỚNG THEO MÔ HÌNH CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA QUADROTOR UAV Chuyên ngành : KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT MÁY THỦY KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : 1.
- Lê Thị Thái TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về thiết bị bay không ngƣời lái (UAV) đặc biệt là máy bay Quadrotor UAV, đang ngày càng đƣợc đẩy mạnh.
- Để khai thác có hiệu quả tiềm năng của Quadrotor UAV trong các ứng dụng bao gồm cả dân sự và quân sự, các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc giải quyết bài toán cân bằng sau đó phát triển các tác vụ mới.
- Tuy nhiên, các nghiên cứu vẫn tồn tại những hạn chế khi máy bay hoạt động trong môi trƣờng có nhiều chƣớng ngại vật cũng nhƣ khả năng tùy biến của bộ điều khiển cho các ứng dụng khác nhau là chƣa cao.
- Để giải quyết các vấn đề nêu trên, luận văn nghiên cứu phƣơng pháp thiết kế và thực thi mô phỏng hƣớng đối tƣợng trong thời gian thực với kiến trúc hƣớng theo mô hình cho hệ thống điều khiển của Quadrotor UAV cỡ nhỏ tích hợp khả năng tránh vật cản.
- Kết quả nghiên cứu là bộ điều khiển PID có khả năng tùy biến sử dụng bộ lọc Kalman dành cho Quadrotor UAV trong trƣờng hợp bay treo tránh vật cản.
- However, it makes some issues when a Quadrotor UAV operates in the environment with more obstacles.
- And it is hard to apply these controllers for others Quadrotor UAV.
- In order to figure out these problems, this thesis will study on Real-time object-oriented simulation and design method combined with the model-driven architecture for Quadrotor UAV including obstacle avoidance task.
- The result is a flexible PID controller using Kalman filter for Quadrotor UAV on hover mode and be capable of automatically obstacle avoidance.
- 3 DANH MỤC ĐỒ THỊ.
- 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY TRỰC THĂNG VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN.
- Lịch sử và quá trình phát triển của máy bay trực thăng.
- Các kỹ thuật điều khiển truyền thống.
- Phƣơng pháp lai và công nghệ hƣớng đối tƣợng trong mô hình hóa hệ thống điều khiển.
- Hệ thống động lực lai và Automate lai.
- Kiến trúc hƣớng theo mô hình.
- MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA QUADROTOR UAV.
- Mô hình động lực học trong điều khiển Quadrotor UAV.
- Hệ quy chiếu sử dụng trong nghiên cứu QuadrotorUAV.
- Cấu trúc hệ thống điều khiển của Quadrotor UAV.
- Hệ thống điều khiển ổn định.
- Bộ điều khiển PID.
- Xử lý dữ liệu trạng thái máy bay Quadrotor UAV.
- So sánh các phƣơng pháp đo dữ liệu góc.
- THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG CÔNG NGHỆ HƢỚNG ĐỐI TƢỢNG.
- Qui trình MDA tổng quát trong phát triển hệ thống điều khiển cho Quadrotor UAV 51 3.2.
- CIM của hệ thống điều khiển Quadrotor UAV.
- PIM của hệ thống điều khiển Quadrotor UAV.
- PSM của hệ thống điều khiển Quadrotor UAV.
- Thiết kế mô hình thử nghiệm.
- Kết quả hoạt động bộ điều khiển ổn định.
- Kết quả của bộ điều khiển ổn định kết hợp tránh vật cản.
- 62 3 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Mô hình máy bay trực thăng của Leonardo Da Vinci.
- 8 Hình 2: Mô hình máy bay trực thăng VS-300 của Igor Ivanovich Sikorsky năm 1939.
- 11 Hình 4: Quadrotor điều khiển bởi con ngƣời của nhà khoa học Breguet-Richet 1907 .
- 16 Hình 6: Automate lai trong mô hình hóa ứng xử của bộ giới hạn tín hiệu.
- 17 Hình 7: Sự phân loại các mô hình chính trong MDA.
- 17 Hình 8: Ví dụ về phát triển theo hƣớng mô hình.
- 18 Hình 9: Hệ quy chiếu sử dụng cho Quadrotor UAV.
- 19 Hình 10: Sơ đồ hệ thống điều khiển ổn định của Quadrotor UAV.
- 48 Hình 15: Sơ đồ hệ thống điều khiển của Quadrotor UAV tích hợp mô đun tránh vật cản.
- 49 Hình 16: Chuyển đổi mô hình PIM-PSM trong MDA.
- 54 Hình 17: Mô hình Quadrotor UAV thử nghiệm.
- 55 Hình 18: Thử nghiệm tính năng tránh vật cản trên Quadrotor UAV.
- 59 4 DANH MỤC ĐỒ THỊ Đồ thị 1: Dữ liệu đo góc chỉ sử dụng Gyro.
- 42 Đồ thị 2: Dữ liệu đo góc chỉ sử dụng gia tốc kế.
- 42 Đồ thị 3: Dữ liệu đo góc sử dụng bộ lọc bổ sung.
- 43 Đồ thị 4: Dữ liệu đo góc sử dụng bộ lọc Kalman.
- 43 Đồ thị 5: Dữ liệu đo góc sử dụng phƣơng pháp DMP.
- 44 Đồ thị 6: Dữ liệu góc tại trạng thái ổn định, sử dụng bộ lọc Kalman.
- 44 Đồ thị 7: Dữ liệu góc tại trạng thái ổn định, sử dụng phƣơng pháp DMP.
- 45 Đồ thị 8: So sánh các phƣơng pháp đo góc.
- 45 Đồ thị 9: Vận tốc góc hƣớng trong trạng thái tĩnh.
- 46 Đồ thị 10: So sánh các phƣơng pháp đo góc đối với góc liệng (Roll.
- 47 Đồ thị 11: So sánh các phƣơng pháp đo góc đối với góc chúc (Pitch.
- 49 Đồ thị 13: Góc Nghiêng khi bay thực nghiệm.
- 58 Đồ thị 16: Đáp ứng của Quadrotor UAV khi gặp vật cản.
- 59 5 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Một số loại mô hình phƣơng tiện bay.
- 11 Bảng 2: So sánh các phƣơng pháp đo góc.
- 46 Bảng 3: Các thông số của mô hình Quadrotor UAV.
- 55 Bảng 4: Các thông số điều khiển của mô hình.
- 56 6 LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, loại phƣơng tiện bay không ngƣời lái siêu nhỏ (MUAV – Miniature UAV) đã đƣợc phát triển nhanh chóng ở nƣớc ta nhằm có thể mang lại nhiều ứng dụng trong lĩnh vực quân sự và dân sự, nhƣ giám sát và phân luồng giao thông trong đô thị, tuần tra biển đảo, cảnh báo và cứu hộ trọng lâm nghiệp.
- đặc biệt, các nghiên cứu này có thể cho phép phát triển các dạng rô bốt bay tự hành không ngƣời lái lớn hơn nhằm ứng dụng cho các nhiệm vụ trong lĩnh vực quân sự.
- Trong đó, loại UAV dạng nhiều cánh quạt mang nhƣ Quadrotor UAV đƣợc quan tâm và phát triển mạnh hơn bởi các ƣu điểm vƣợt trội nhƣ cất cánh, hạ cánh thẳng đứng, vận hành đơn giản và an toàn hơn.
- Đã có một số ứng dụng điều khiển cho UAV dạng nhiều cánh quạt mang đƣợc phát triển ở nƣớc ta, tuy nhiên vấn đề điều khiển và ổn định bám quỹ đạo bay một cách tự hành và tránh đƣợc vật cản của loại phƣơng tiện bay này cần phải đƣợc xem xét, bởi vì mô hình động lực học phi tuyến của nó rất phức tạp và đƣợc gắn chặt với các chế độ hoạt động cũng nhƣ an toàn của toàn bộ hệ thống.
- Ngoài ra, việc điều khiển UAV hiện tại mới đang đƣợc phát triển chủ yếu ở trong nƣớc bởi điều khiển từ xa thông qua sóng radio.
- Việc chế tạo hệ thống điều khiển tự động cho phép UAV hoàn toàn có thể tự hành bám theo quỹ đạo mong muốn và tránh đƣợc vật cản vẫn chƣa đƣợc triển khai rộng ở nƣớc ta.
- Để đáp ứng đƣợc các mục đích trên đây, các phƣơng pháp phát triển hƣớng mô hình hóa hƣớng đối tƣợng đã cho phép tạo ra các bản thiết kế trực quan và có khả năng đáp ứng đƣợc các yêu cầu thay đổi của các hệ thống điều khiển.
- Tổ chức các đối tƣợng quốc tế (OMG – Object Management Group) đã đƣa ra cách tiếp cận kiến trúc hƣớng mô hình (MDA – Model-Driven Architecture) kết hợp với ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực (RealTime UML/ MARTE – RealTime Unified Modeling Language/ Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded Systems) nhằm ứng dụng trong việc phát triển các hệ thống thông tin nói chung và các hệ thống điều khiển công nghiệp nói riêng.
- Cách tiếp cận MDA có các đặc điểm chính, nhƣ: tính linh hoạt, di động và xuyên suốt giữa ứng dụng phát triển với các hệ thống tƣơng tác và khả năng dễ dàng tái sử dụng các thành 7 phần đã phát triển nhằm giảm thời gian, chi phí và nhân lực cho các dự án phát triển hệ thống công nghiệp.
- Dựa theo cách tiếp cận này đã có nhiều ứng dụng đƣợc phát triển thành công trên các hệ thống điều khiển công nghiệp, đặc biệt các hệ thống điều khiển nhúng trong thời gian thực trong lĩnh vực điều khiển công nghiệp khác nhau.
- 8 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY TRỰC THĂNG VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN 1.1.
- Lịch sử phát triển máy bay trực thăng gắn liền với lịch sử phát triển Hàng không và lịch sử máy bay có cánh cố định.
- Ý tƣởng về trực thăng còn ra đời trƣớc cả ý tƣởng của máy bay thông thƣờng, ngày nay khi nghiên cứu di sản của họa sỹ vĩ đại ngƣời Ý Leonardo Da Vinci thế kỷ thứ 15, ngƣời ta tìm thấy bản vẽ của thiết bị bay theo nguyên tắc của trực thăng ngày nay, nó có cánh quạt ngang quay bằng dây chun vặn lại.
- Nhƣng cũng nhƣ số phận của máy bay có cánh cố định, các ý tƣởng bay của trực thăng chỉ có ý nghĩa hiện thực ở cuối thế kỷ 19 khi con ngƣời đã có động cơ nhiệt là nguồn năng lƣợng để bay.
- Hình 1: Mô hình máy bay trực thăng của Leonardo Da Vinci Hình 2: Mô hình máy bay trực thăng VS-300 của Igor Ivanovich Sikorsky năm 1939 Song hành cùng các nhà tiên phong của máy bay cánh cố định ngay từ thế kỷ 19 một loạt nhà kỹ thuật hàng không nhƣ Jan Bahyl, Oszkár Asbóth, Louis Breguet, Paul Cornu, Emile Berliner, Ogneslav Kostovic Stepanovic và Igor Ivanovich Sikorsky đã đƣa ra thử nghiệm các mô hình máy bay trực thăng.
- Ngày 24 tháng 8 năm 1907 lần đầu 9 tiên mô hình trực thăng bay lên đƣợc, nó do anh em Louis và Jacque Breguet ngƣời Pháp chế tạo dƣới sự cố vấn kỹ thuật của giáo sƣ Charles Richet.
- Mô hình này hoàn toàn không thể điều khiển nổi và không thể chở nổi ngƣời, chỉ có thể bay lên đƣợc 50 cm.
- Tại nƣớc Nga Igor Ivanovich Sikorsky sau này trở thành nhà tiên phong trực thăng và nhà công nghiệp sản xuất trực thăng nổi tiếng thế giới đã thí nghiệm trực thăng đầu tiên của mình vào năm 1908.
- Ngƣời đầu tiên "bay" lên đƣợc bằng trực thăng là nhà sáng chế ngƣời Pháp nhà sản xuất xe đạp Paul Cornu.
- Ngày 13 tháng 11 năm 1907 ông này tự chế trực thăng của mình, tự lái và bay lên đƣợc 50 cm và ngồi trên không khí đƣợc 20 giây.
- Trực thăng đầu tiên này rất khó, gần nhƣ không điều khiển nổi.
- Chiếc máy bay trực thăng đầu tiên có thể điều khiển đƣợc do Raul Pateras de Pescara chế tạo và biểu diễn vào năm 1916 tại Buenos Aires, Argentina.
- Vào năm 1923 nhà tiên phong của lĩnh vực trực thăng ngƣời Tây Ban Nha Juan de la Cierva phát minh và áp dụng loại trực thăng autogyro hay loại trực thăng theo sơ đồ cánh quạt nâng tự do và nhà phát minh này luôn trung thành với sơ đồ con đẻ của mình, cho đến nay loại này bị các kiểu trực thăng khác chèn ép chỉ còn ứng dụng trong các loại trực thăng thể thao, giải trí và vẫn là sản phẩm chính của hãng Cierva autogiro company.
- Tại nƣớc Nga Xô viết trong thập kỷ 1930 dƣới sự đầu tƣ của nhà nƣớc các kỹ sƣ Boris Yuriev và Alexei Cheremukhin tiến hành các thí nghiệm với máy bay trực thăng TsAGI 1-EA.
- Đây là loại có một cánh quạt nâng và phía đầu và đuôi có hai cánh quạt chống xoay "anti-torque" máy bay này vào ngày 14 tháng 8 năm 1932 đã bay lên đƣợc độ cao 650 m.
- Năm 1934 máy bay Focke-Wulf Fw-61 do giáo sƣ Heinrich Focke và kỹ sƣ Gerd Achgelis thiết kế chế tạo, với máy bay này nữ phi công huyền thoại của đảng Quốc xã Hanna Reitsch đã thƣờng xuyên bay biểu diễn nhƣ các chiến dịch tuyên truyền cho đế 10 chế III.
- Loại máy bay này có một động cơ cùng lúc lai 3 cánh quạt: 2 cánh quạt nâng đặt hai bên phải trái quay ngƣợc chiều nhau và một cánh quạt mũi theo chiều thẳng đứng để tạo lực đẩy ngang.
- Trong thế chiến hai lần đầu tiên Đức đã sử dụng trực thăng trong chiến đấu đó loại máy bay trực thăng khác có kết cấu rất đặc sắc Flettner FL-282 Kolibri nó có 2 bộ cánh quạt nâng đặt cạnh nhau, trục nghiêng góc với nhau theo hình chữ "V", quay đồng bộ ngƣợc chiều nhƣ bánh răng (để không chém vào nhau) với số lƣợng rất nhỏ tham chiến trên chiến trƣờng Địa Trung Hải khi chiến tranh kết thúc, Hạm đội Đức phá hủy hết chỉ còn sót lại 3 chiếc đƣợc đem về Mỹ thử nghiệm.
- Có thể nói loại máy bay này là hoàn thiện nhất đƣơng thời, đã có một số yếu tố của máy bay trực thăng hiện đại.
- Đến đây có thể coi là kết thúc giai đoạn trực thăng sơ khởi và bƣớc vào thời kỳ của trực thăng hiện đại.
- Mà đặc trƣng cơ bản của thời kỳ sơ khởi là trực thăng chƣa có hệ thống biến bƣớc để tạo chênh lệch lực nâng làm nghiêng đĩa cánh quạt nâng.
- Hoàn toàn chƣa có hệ thống thay đổi góc tấn "collective", và hệ thống "ciclic" thì lại càng chƣa có.
- Do không thể nghiêng đƣợc mặt phẳng của cánh quạt nâng nên hầu hết trực thăng của thời kỳ này không thể nghiêng phải – trái, trƣớc – sau, chỉ có thể bay thẳng về phía trƣớc bằng cánh quạt đứng thổi gió ngang nhƣ của máy bay có cánh cố định.
- Chỉ duy nhất máy bay Flettner FL-282 Kolibri của Hải quân Đức Quốc xã là có lực đẩy ngang nhờ cánh quạt nâng nghiêng góc so với mặt phẳng ngang nhƣng độ nghiêng góc này là kết cấu cố định và máy bay cũng chỉ có thể bay thẳng về phía trƣớc và cũng rất vụng về khó xoay trở nhƣ các loại cùng thời khác.
- Vì cơ cấu điều khiển còn mang tính kiểm nghiệm và ít có cơ chế điều khiển nên máy bay rất khó điều khiển, rất vụng về, hay gặp rắc rối về tính không ổn định dẫn đến rơi nhiều vì những lý do khí động học.
- Ƣu điểm của khí cầu là khả năng tự tạo lực nâng và cách thức điều khiển đơn giản, do đó khí cầu trở thành phƣơng tiện vƣợt trội trong các ứng dụng quan sát trên không.
- Bảng 1: Một số loại mô hình phương tiện bay Phân loại Ƣu điểm Nhƣợc điểm Hình minh họa Cánh cố định Cơ cấu đơn giản Ít gây tiếng ồn khi hoạt động -Không có khả năng bay treo 12 Trực thăng 1 cánh quạt Dễ điều khiển và kiểm soát Khí động học phức tạp Trực thăng có cánh lái đối xứng Cơ cấu đơn giản, nhỏ gọn Khí động học phức tạp Hai cánh quạt trƣớc sau Dễ điều khiển Khí động học đơn giản Cơ cấu phức tạp Kích thƣớc lớn Quadrotor Dễ điều khiển Cơ cấu đơn giản Tải trọng có ích lớn Tiêu thụ nhiều năng lƣợng Kích thƣớc lớn Khí cầu có động cơ Công suất nhỏ Thời gian hoạt động dài Tự nâng Kích thƣớc lớn Khó điều khiển Cánh vẫy Dễ điều khiển Nhỏ gọn Cơ cấu phức tạp Điều khiển phức tạp

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt