Phương pháp thiết kế hướng đối tượng trong điều khiển phương tiện bay không người lái

- Tính cấp thiết của đề tài Nghiên cứu và phát triển các hệ thống lái tự động đã được các hãng hàng không trên thế giới triển khai ứng dụng từ rất lâu trên các loại máy bay được sử dụng trong lĩnh vực dân sự và quân sự.
- Tất cả các loại máy bay hiện tại của các hãng hàng không lớn, như: Airbus, Boeing và Locked Martin đều được trang bị hệ thống lái tự động hiện đại và độ tin cậy cao.
- Tương tự như vậy, các hệ thống lái này cũng được phát triển và triển khai cho các sản phẩm là phương tiện bay không người lái (máy bay không người lái - UAV) nhằm phục vụ cho các mục đích khác nhau trong lĩnh vực quân sự cũng như dân sự.
- Đã có một số ứng dụng điều khiển cho UAV dạng nhiều cánh quạt mang được phát triển ở nước ta, tuy nhiên vấn đề điều khiển và ổn định bám quỹ đạo bay một cách tự hành của loại phương tiện bay này cần phải được xem xét, bởi vì mô hình động lực học phi tuyến của nó rất phức tạp và được gắn chặt với các chế độ hoạt động cũng như an toàn của toàn bộ hệ thống.
- Ngoài ra, việc điều khiển UAV hiện tại mới đang được phát triển chủ yếu ở trong nước bởi điều khiển từ xa bằng tay 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 vẫn chưa được triển khai diện rộng ở nước ta.
- Mục đích Trên thế giới và trong nước đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học được thực hiện về thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển cho MUAV tự hành nói chung và Q-UAV nói riêng.
- MUAV có thể hoạt động được một cách tự hành, cấu trúc điều khiển của nó đòi hỏi có ba hệ thống chính: Hệ thống dẫn đường nhằm đưa ra quỹ đạo cho phương tiện chuyển động bám theo.
- hệ thống định vị để xác định các trạng thái hiện tại của phương tiện.
- hệ thống điều khiển nhằm tính toán và áp dụng theo mô hình động lực học tương ứng với các chế độ hoạt động khác nhau của phương tiện.
- Trong luận án này, hệ thống điều khiển MUAV được mô tả bởi các mô hình liên tục, mô hình sự kiện rời rạc và tác động qua lại giữa chúng, như là: các chuyển động theo hướng RPY, cao độ và vị trí mặt ngang khác nhau, các sự kiện và tín hiệu tương tác với hệ thống dẫn đường và định vị, các tác động nhiễu loạn đến từ môi trường xung quanh.
- hệ thống điều khiển có đặc điểm như thế có thể được xem như là hệ thống động lực lai (HDS).
- Các mô hình liên tục/rời rạc và tương tác giữa chúng có thể được mô hình hóa thông qua cụ thể hóa Automate lai và cần phải được thực thi kèm theo các giả thuyết xác nhận tính hợp lệ nhằm kiểm tra về an toàn và hiệu năng của toàn bộ hệ thống tại mọi thời điểm hoạt động.
- Bên cạnh đó, việc sử dụng các chuẩn để phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống điều khiển công nghiệp cần phải được xét đến.
- việc tùy biến và tái sử dụng các mô đun điều khiển MUAV đã phát triển được áp dụng cho ứng dụng UAV mới là quan trọng, nhằm giảm chi phí tài chính và thời gian trong vòng đời phát triển sản phẩm công nghiệp.
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài Để đáp ứng được các mục đích chính trên đây, các phương pháp phát triển hướng mô hình hóa hướng đối tượng đã cho phép tạo ra các bản thiết kế trực quan và có khả năng đáp ứng được các yêu cầu thay đổi của các hệ thống điều khiển.
- Tổ chức hướng đối tượng quốc tế (OMG) đã đưa ra cách tiếp cận kiến trúc hướng mô hình (MDA) kết hợp với ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời 3 gian thực (RealTime UML/MARTE 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, như: tính linh hoạt, di động và xuyên suốt giữa ứng dụng phát triển với các hệ thống tương tác và khả năng dễ dàng tái sử dụng các thành 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 được 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.
- Bên cạnh đó, có những công cụ phần mềm mã nguồn mở hoặc thương mại hỗ trợ cho việc phân tích, thiết kế và thi hành hệ thống một cách nhanh chóng và có kế thừa dựa trên phương pháp luận trên đây, như: OpenModelica, MatLab-Simulink, IBM Rational Rose RealTime và IBM Rational Rhapsody.
- Hiện nay đã có nhiều doanh nghiệp hàng không lớn trên thế giới đã ứng dụng thành công công nghệ hướng đối tượng để phát triển các hệ thống điều khiển phức tạp trên các phương tiện bay, như: Boeing, Lockeed Martin và Airbus.
- Với tính ứng dụng và yêu cầu kỹ thuật như trên, có thể khẳng định rằng việc nghiên cứu và phát triển một phương pháp linh hoạt trong điều khiển các MUAV là rất quan trọng.
- Xuất phát từ các phân tích và đánh giá trên đây, luận án đã được đề xuất nghiên cứu về đề tài: “Phương pháp thiết kế hướng đối tượng trong điều khiển phương tiện bay không người lái”.
- Trong phạm vi của luận án, đối tượng phương tiện bay không người lái là thiết bị bay có bốn chong chóng mang (Q-UAV) được sử dụng nhằm minh họa dễ dàng cách tiếp cận hướng đối tượng trong phát triển hệ thống điều khiển UAV.
- Ngoài ra, các qui tắc tùy biến và tái sử dụng bản thiết kế chi tiết của hệ thống điều khiển đã phát triển này cũng được đưa ra nhằm có thể dễ dàng ứng dụng cho các loại UAV khác nhau.
- Đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao thông qua cụ thể hóa và áp dụng kết hợp các phương thức điều khiển và công nghệ 4 thực thi mới gần đây nhất.
- Các điểm mới của luận án đạt được - Đưa ra cấu trúc điều khiển cho Q-UAV dựa trên việc cụ thể hóa các đặc trưng của hệ thống động lực lai (HDS) có ứng xử điều khiển được mô tả bởi Automate lai (HA.
- Đưa ra qui trình phân tích, thiết kế và thực thi điều khiển hướng đối tượng trong thời gian thực cho MUAV thông qua cụ thể hóa RealTime UML với MDA, nhằm nâng cao hiệu năng thực thi hệ thống điều khiển và triển khai trên một MUAV: Q-UAV tự hành bám theo quỹ đạo mong muốn.
- Thiết kế chi tiết của hệ thống điều khiển có thể dễ dàng tùy biến và tái sử dụng cho các ứng dụng điều khiển các loại Q-UAV hoặc MUAV chong chóng mang và cất cánh/hạ cánh thẳng đứng (VTOL) khác nhau.
- Cấu trúc của luận án Luận án được trình bày theo các nội dung chính sau: Chương 1 trình bày tổng quan về phương tiện bay không người lái và các kỹ thuật điều khiển.
- Chương 2 giới thiệu mô hình hóa và mô phỏng động lực học trong điều khiển cho Q-UAV.
- Quy trình phân tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi hệ thống điều khiển cho Q-UAV bằng công nghệ hướng đối tượng được trình bày trong Chương 3.
- Các phương pháp truyền thống trong phát triển hệ thống điều khiển UAV - Giải thuật PID.
- Một giải thuật thay thế được gọi là điều khiển trượt (SMC.
- Một cách tiếp cận khác ghép giữa SMC và phương thức điều khiển cấp ngược (BS) Bên cạnh các giải thuật PID, SMC và BS còn có nhiều phương thức khác nhau như: tích phân cấp ngược (IB), toàn phương tuyến tính (LQ), tiêu chuẩn Lyapunov và dự đoán mô hình (MPC).
- Phương pháp lai và công nghệ hướng đối tượng trong mô hình hóa hệ thống điều khiển 1.3.1.
- Hệ thống động lực lai và Automate lai 1.3.1.1.
- Hệ thống động lực lai Hệ thống động lực lai (HDS) là hệ thống thời gian thực, nó bao gồm phần liên tục, phần rời rạc, và sự tương tác giữa chúng.
- Automate lai Thông thường để mô hình hệ thống điều khiển, người ta sử dụng biểu đồ diễn tiến chức năng.
- Do đó, luận án đã lựa chọn RealTime UML là ngôn ngữ trực quan để mô hình hóa các pha phân tích và thiết kế cho hệ thống điều khiển UAV kết hợp với HA.
- Kiến trúc hướng theo mô hình Kiến trúc hướng mô hình (MDA) là một cách tiếp cận mô hình hoá trực quan trong suốt quá trình tìm hiểu, phân tích, thiết kế, thực thi một hệ thống phần mềm nói chung, đặc biệt là trong điều khiển công nghiệp.
- Sự phân loại các mô hình chính trong MDA Hình 1.12.
- Lựa chọn ứng dụng Để minh họa cho phương pháp phân tích, thiết kế và thực thi hướng đối tượng cho hệ thống điều khiển MUAV, luận án đã lựa chọn loại máy bay siêu nhỏ không người lái bốn cánh quạt (Q-UAV).
- Hình 1.17 thể hiện mô hình thiết kế tổng quan về hình học của Q-UAV này.
- Tuy nhiên, việc nghiên cứu chuyên sâu về CFD cho Q-UAV không phải là điểm chính của luận án, mà nó chỉ là phần tính toán sơ bộ về mặt khí động lực học nhằm phục vụ việc lựa chọn ban đầu các cơ cấu chấp hành và cấu trúc hệ thống điều khiển cơ bản cho Q-UAV.
- Kết luận chương Trong chương này, luận án đã trình bày tổng quan về UAV và các kỹ thuật điều khiển theo chương trình, bao gồm các nội dung chính sau.
- 8 - Nghiên cứu các phương pháp truyền thống trong điều khiển UAV.
- Tuy nhiên, các phương thức điều khiển truyền thống này cần phải được kết hợp với các ngôn ngữ mô hình hóa và mô phỏng nhằm đưa ra bản phân tích và thiết kế có tính mô đun hóa để có thể trực quan các tham số điều khiển trong thời gian thực, tùy biến và tái sử dụng các thành phần đã phát triển cho các ứng dụng UAV mới khác nhau.
- Giới thiệu về hệ thống động lực lai (HDS) và đề xuất mô hình hóa ứng xử điều khiển của nó bằng Automate lai (HA).
- Tiếp theo, hệ thống điều khiển cho UVA được đề xuất là mang đặc tính của HDS.
- Cập nhật công nghệ hướng đối tượng để phát triển hệ thống điều khiển công nghiệp, như: mô tả ngôn ngữ mô hình hóa trong thời gian thực (RealTime UML) và kiến trúc hướng theo mô hình (MDA), nhằm phân tích và thiết kế một cách có hệ thống cho UAV có ứng xử được mô hình hóa bởi HA.
- Xuất phát từ các phân tích và đánh giá tổng quan về UAV cũng như các phương pháp mô hình hóa, mô phỏng, thực thi hệ thống điều khiển trên đây, mục tiêu và giải pháp nghiên cứu cụ thể của luận án đã được đề xuất như sau sau.
- Để minh họa cho phương pháp thiết kế hướng đối tượng cho hệ thống điều khiển MUAV, luận án đã lựa chọn loại máy bay siêu nhỏ không người lái và tự hành dạng bốn cánh quạt (Q-UAV.
- Đưa ra cấu trúc cho Q-UAV thông qua cụ thể hóa Automate lai (HA) nhằm mô tả ứng xử thực thi của hệ thống điều khiển.
- Đưa ra qui trình công nghệ hướng đối tượng trong thời gian thực với RealTime UML và MDA để phân tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi hệ thống điều khiển cho UAV với sự hỗ trợ của các công cụ phần mềm IBM Rational Rose RealTime/IBM Rational Rhapsody, OpenModelica và MatLab-Simulink.
- Thiết kế của hệ thống điều khiển được thực hiện thông qua các gói, cổng, giao thức và bộ kết nối tổng quát trong RealTime UML và cụ thể hóa mô hình CIM, PIM và PSM của MDA, nhằm có thể dễ dàng tùy biến và tái sử dụng chúng cho các ứng dụng điều khiển các loại UAV khác nhau.
- MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA Q-UAV VỚI AUTOMATE LAI 2.1.
- Mô hình động lực học trong điều khiển Q-UAV 2.1.1.
- Mô hình động lực học tổng quát trong điều khiển UAV Mô hình động lực học 6 bậc tự do tổng quát trong điều khiển phương tiện bay trước hết sẽ được mô tả như phương trình (2.1).
- Mô hình động lực học trong điều khiển Q-UAV Hình 2.1 mô tả khái quát các tham số chuyển động của Q-UAV này.
- Cấu trúc hệ thống điều khiển của Q-UAV 2.2.1.
- Kiến trúc điều khiển Q-UAV tự hành Để cho một Q-UAV có thể hoạt động được một cách tự hành, kiến trúc điều khiển của nó phải có ba hệ thống chính: hệ thống dẫn đường, hệ thống định vị và hệ thống điều khiển.
- Hình 2.3 và Hình 2.4 lần lượt mô tả sơ đồ khối tổng quát và thực thi cho phép thể hiện tương tác giữa các hệ thống này.
- Sơ đồ khối chức năng thực thi của hệ thống điều khiển cho Q-UAV 10 2.2.2.
- Sơ đồ khối chức năng thực thi của hệ thống điều khiển cho Q-UAV Sơ đồ khối chức năng thực thi như trên Hình 2.4, nhằm thực hiện triển khai các chế độ tự hành của Q-UAV.
- Mô hình hệ thống điều khiển phi tuyến lai cho Q-UAV Luận án đã xem xét hệ thống điều khiển của Q-UAV này như là một hệ thống động lực lai (HDS) và ứng xử động của nó được mô hình hóa bởi HA.
- Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển cho Q-UAV 2.3.1.
- Mô phỏng nhân quả Phương pháp mô phỏng này dựa trên các tiếp cận nhân quả trong mô hình hóa hệ thống.
- Mô phỏng phi nhân quả Phương pháp mô phỏng phi nhân quả dựa trên việc mô hình hóa hệ vật lý theo các hệ thống con và xác định hành vi của hệ thống tại những điểm kết nối giữa chúng.
- Sử dụng ngôn ngữ mô phỏng hệ thống MatLab-Simulink và Modelica/OpenModelica sẽ là lựa chọn dùng để mô phỏng và đánh giá các pha phân tích và thiết kế một cách nhanh chóng các kịch bản cho ứng dụng điều khiển Q-UAV.
- Mô phỏng mô hình phân tích hệ thống Hình 2.6 và Hình 2.7 mô tả mô hình HIL trong điều khiển Q-UAV trên phần mềm MatLab-Simulink.
- Sơ đồ khối mô hình HIL cho Q-UAV Hình 2.7.
- Giao diện theo dõi thông số điều khiển của Q-UAV trên phần mềm Matlab-Simulink Dưới đây là một số kết quả mô phỏng cho các kịch bản thử nghiệm cất cánh thẳng đứng nhằm kiểm nghiệm và đánh giá độ tin 11 cậy và an toàn của mô hình phân tích điều khiển hệ thống đã được đề xuất.
- Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ xyz - có kết hợp GPS/INS và EKF Với mô hình điều khiển ở trên và qua các đồ thị đánh giá sai số quỹ đạo cho các kịch bản an toàn và hoạt động khi chỉ có GPS hoặc INS và kết hợp GPS/INS với EKF chỉ ra rằng mô hình mô 12 phỏng của hệ thống điều khiển Q-UAV hoàn toàn đáp ứng được chất lượng hiệu năng và an toàn điều chỉnh, nhằm đảm bảo phù hợp với việc chế tạo, lập trình phần điều khiển và chạy thử trên Q-UAV sau này.
- Kết luận chương Chương này đã trình bày mô hình phân tích và mô phỏng động lực học trong điều khiển cho Q-UAV, bao gồm các nội dung cụ thể như.
- Nghiên cứu mô hình động lực học tổng quát trong điều khiển cho UAV nói chung và cho Q-UAV nói riêng, nhằm đưa ra kiến trúc và cấu trúc điều khiển tổng quát cho Q-UAV có thể hoạt động một cách tự hành.
- Đưa ra cấu trúc điều khiển cho Q-UAV thông qua cụ thể hóa Automate lai (HA) nhằm mô tả ứng xử thực thi của hệ thống điều khiển.
- Minh họa một số kết quả mô phỏng về tính năng điều khiển và an toàn nhằm đánh giá ban đầu về tính khả thi của cấu trúc điều khiển đã được đề xuất.
- Cấu trúc và giải thuật điều khiển này sẽ được sử dụng trong chương tiếp theo nhằm đưa ra qui trình phân tích, thiết kế và thực thi điều khiển hướng đối tượng cho Q-UAV thông qua cụ thể hóa RealTime UML với MDA, nhằm nâng cao hiệu năng thi hành trên thực tế cho hệ thống điều khiển của Q-UAV.
- Các thành phần điều khiển có thể dễ dàng tùy biến và tái sử dụng trong các ứng dụng điều khiển khác nhau cho các MUAV dạng chong chóng mang và cất cánh thẳng đứng (VTOL).
- MÔ HÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ THỰC THI CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO Q-UAV BẰNG CÔNG NGHỆ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG 3.1.
- Mô hình hóa và quy trình phát triển tái lặp trực quan cho hệ thống điều khiển nhúng trong thời gian thực 3.1.1.
- Mô hình cho phép mô tả vấn đề, giao tiếp với con người hoặc các hệ thống có liên quan đến dự án phát triển.
- Mô hình hỗ trợ trực quan hóa hệ thống như là nó vốn có hoặc theo ý tưởng của người thực hiện.
- Mô hình cho phép chỉ ra rõ cấu trúc tĩnh và ứng xử động của hệ thống.
- Mô hình tạo ra một khuôn mẫu nhằm hướng dẫn trong quá trình xây dựng hệ thống.
- Mô hình đưa ra các báo cáo bằng tài liệu về các tác tạo đưa ra trong quá trình phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống.
- Quy trình phát triển tái lặp trực quan cho hệ thống điều khiển nhúng trong thời gian thực Vòng đời phát triển của dự án xây dựng hệ thống điều khiển dựa trên đặc điểm của quy trình tái lặp (ROPES) được mô tả trên Hình 3.1.
- Tổng quan về quy trình MDA trong thời gian thực cho hệ thống điều khiển Q-UAV 3.2.
- Qui trình MDA tổng quát trong phát triển hệ thống điều khiển cho Q-UAV 3.2.1.
- Lựa chọn MDA và RealTime UML Luận án đã lựa chọn như sau: MDA làm kiến trúc nền tảng và RealTime UML là ngôn ngữ trực quan để mô hình hóa các pha phân tích và thiết kế dựa theo ROPES đã được mô tả ở trên đây trong việc phát triển hệ thống điều khiển Q-UAV có ứng xử được mô tả bởi HA.
- Qui trình MDA thực thi cho hệ thống điều khiển Q-UAV Quy trình này được mô tả như trên Hình 3.2.
- Cụ thể hóa qui trình MDA thực thi trong thời gian thực cho hệ thống điều khiển Q-UAV 3.3.1.
- CIM của hệ thống điều khiển Q-UAV 3.3.1.1.
- Lớp Hệ thống dẫn đường có trách nhiệm để tạo ra quỹ đạo mong muốn cho Q-UAV chuyển động theo.
- Lớp Hệ thống định vị được sử dụng để xác định trạng thái hiện thời của Q-UAV, như: cao độ, vị trí, RPY, vận tốc và gia tốc.
- Lớp Hệ thống điều khiển có trách nhiệm cung cấp tín hiệu điều khiển cho phép Q-UAV bám theo quỹ đạo mong muốn.
- Xây dựng CIM cho hệ thống điều khiển Q-UAV Các bước chính để xây dựng CIM cho hệ thống điều khiển Q-UAV bao gồm các hoạt động và tác tạo chính như sau: 15 Luận án đưa ra mô hình trường hợp sử dụng cho hệ thống điều khiển Q-UAV như trên Hình 3.4.
- Mô hình trường hợp sử dụng của Q-UAV Hình 3.5.
- Kịch bản điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn Hình 3.6

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