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

MỞ ĐẦU 1. 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, như: + Lĩnh vực quân sự: UAV được sử dụng làm các mục tiêu di động trên không, quan sát vùng lãnh thổ, biên giới và do thám. + Lĩnh vực dân sự: - Giao thông: UAV tham gia vào quá trình giám sát các phương tiên giao thông đang lưu hành trên đường bộ và đường thủy. - Địa chính: UAV dùng để quan sát, xác định địa giới giữa các vùng và thiết lập bản đồ. - Các ngành khác: UAV tham gia vào việc quan sát tại các địa hình khó và phức tạp mà con người khó có thể có mặt trực tiếp, như: quan sát các vùng cháy rừng, địa điểm có độc tố và phóng xạ. Trong những năm gần đây, loại phương tiện bay không người lái siêu nhỏ (MUAV) đã được phát triển nhanh chóng ở nước ta nhằm có thể mang lại nhiều ứng dụng trong lĩnh vực dân sự và quân sự, như là giám sát và phân luồng giao thông trong đô thị, tuần tra biển đảo, cảnh báo và cứu hộ trong lâm nghiệp. Nó cũng có thể mở ra các hướng nghiên cứu mới nhằm triển khai các ứng dụng khác nhau; đặc biệt, các nghiên cứu này có thể cho phép phát triển các dạng rô bốt bay tự hành không người lái lớn hơn nhằm ứng dụng cho các nhiệm vụ trong lĩnh vực quân sự. Trong đó, loại UAV dạng nhiều cánh quạt mang (ví dụ: QUAV) được quan tâm và phát triển mạnh bởi vì nó có chế độ cất cánh, hạ cánh thẳng đứng, vận hành đơn giản và an toàn hơn. Ngoài ra, lực đẩy được tạo ra bởi các cánh quạt có thể dễ dàng xác lập ra trạng thái ổn định lơ lửng trên không để phục vụ cho mục đích thu phát dữ liệu và quan sát mục tiêu tại vị trí xác định đặt trước. Đã có một số ứng dụng điều khiển cho UAV dạng nhiều cánh quạt mang 1 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; nhưng các UAV loại này lại đang được rất nhiều các tổ chức trong nước quan tâm, như là: Bộ quốc phòng, Cảnh sát biển và Biên phòng, Bộ Tài nguyên và Môi trường. 2. 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 2 quan trọng, nhằm giảm chi phí tài chính và thời gian trong vòng đời phát triển sản phẩm công nghiệp. 3. 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 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. MDA cho phép tách các đặc tả chức năng của một hệ thống độc lập với các đặc tả thực thi chức năng trên một nền công nghệ cụ thể. 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 [59], MatLab-Simulink [47], 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; nó không những góp phần rất lớn cho các mục đích dân sự mà xa hơn nữa còn góp phần vào mục đích quân sự. Đặc biệt, đối với địa hình của nước ta có bờ biển dài và nhiểu rừng núi thì việc ứng dụng sản phẩm này cho cả mục đích dân sự và quân sự lại càng cấp thiết. 3 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. 4. 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. 5. 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; Chương 4 trình bày kết quả thực nghiệm và đánh giá. Cuối cùng là kết luận chung và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo. 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN 1.1. Sơ lược quá trình phát triển và ứng dụng phương tiện bay không người lái 1.2. 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). 1.3. 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. 1.3.1.2. Automate lai Thông thường để mô hình hệ thống điều khiển, người ta sử dụng biểu đồ diễn tiến chức năng. Các đặc trưng trong HA của hệ thống được biểu diễn bởi:   H = (Q, X, , A, Inv, F, qo, xo) 1.3.2. Sử dụng công nghệ hướng đối tượng 1.3.2.1. Lập trình hướng đối tượng Lập trình hướng đối tượng được coi là phương pháp lập trình chuẩn hiện nay bởi nó có nhiều ưu điểm lớn so với các phương pháp cấu trúc. 1.3.2.2. Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực Để phục vụ cho công việc mô hình hóa vốn là cốt lõi của phân tích, thiết kế phần mềm công nghiệp, ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất (UML) đã được OMG chuẩn hóa và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. 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. 5 1.3.3. 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. Hình 1.10 mô tả một cách tổng quan về sự phân loại các mô hình chính của MDA theo trật tự từ mức độ trừu tượng hóa đến cụ thể hoá. Hình 1.11. Sự phân loại các mô hình chính trong MDA Hình 1.12. Ví dụ về phát triển hướng theo mô hình Mô hình độc lập với thao tác tính toán (CIM): Hình 1.13 sử dụng sơ đồ lớp của UML nhằm đưa ra một ví dụ cụ thể của CIM. Trong mô hình này không có thông tin nào chỉ ra giải pháp dựa trên thao tác tính toán. Mô hình độc lập với nền công nghệ (PIM): Hình 1.14 sử dụng sơ đồ lớp của UML nhằm giới thiệu ví dụ về PIM xuất phát từ ví dụ về CIM được mô tả trên Hình 1.13. Hình 1.13. Ví dụ về CIM Hình 1.14. Ví dụ về PIM dựa theo Hình 1.13 1.4. 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 (QUAV). Nguyên lý hoạt động cơ bản của Q-UAV được mô tả như sau như trên Hình 1.16. Hình 1.17 thể hiện mô hình thiết kế tổng quan về hình học của Q-UAV này. 6 Hình 1.16. Mô tả phương và hướng di chuyển của Q-UAV Hình 1.17. Mô hình thiết kế tổng quan về hình học của Q-UAV Trong ứng dụng này, phần mềm Ansys-Fluent được sử dụng để hỗ trợ trong việc thực hiện các quy trình tính toán. Một ví dụ minh họa các kết quả mô phỏng CFD về phân bố áp suất và vận tốc trên một cánh quạt được biểu diễn như trên Hình 1.18. Hình 1.18. Ví dụ về phân bố áp suất và phân bố vận tốc cánh quạt Tất cả các kết quả từ mô phỏng CFD cho phép suy ra về mặt lý thuyết các giá trị khí động lực học, như: lực nâng, lực cản và mô men quay tương ứng với tốc độ khác nhau của cánh quạt cho động cơ. 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 QUAV. 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: - Cập nhật về quá trình hình thành, phát triển và ứng dụng UAV. 7 - 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; bởi nó bao gồm phần liên tục, phần rời rạc và phần tương tác giữa liên tục và rời rạc. - 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. 8 CHƯƠNG 2. 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). (2.1) 2.1.2. Mô hình động lực học trong điều khiển Q-UAV Hình 2.1 mô tả khái quát các tham số chuyển động của QUAV này. Hình 2.1. Các tham số chuyển động của Q-UAV 2.2. 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. Hình 2.3. Sơ đồ khối điều khiển, định vị và dẫn đường của Q-UAV Hình 2.4. Sơ đồ khối chức năng thực thi của hệ thống điều khiển cho QUAV 9 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. 2.2.3. 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. 2.3. 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. 2.3.2. 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. 2.3.3. 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. 2.3.4. 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; nó dựa trên nguyên tắc mô phỏng nhân quả nhằm kiểm nghiệm 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 Hình 2.6. Sơ đồ khối mô hình HIL cho Q-UAV 10 cậy và an toàn của mô hình phân tích điều khiển hệ thống đã được đề xuất. - Kịch bản 1: Quỹ đạo cất cánh thẳng đứng khi chỉ có tín hiệu GPS được chiếu lên các hệ trục tọa độ tương ứng xyz được biểu diễn trên các Hình 2.13. - Kịch bản 2: Quỹ đạo cất cánh thẳng đứng khi chỉ có tín hiệu INS được chiếu lên các hệ trục toạ độ tương ứng xyz được thể hiện trong các Hình 2.17. - Kịch bản 3: Quỹ đạo cất cánh thẳng đứng khi kết hợp INS và GPS kèm theo sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) được chiếu lên các hệ trục toạ độ tương ứng xyz được thể hiện trong các Hình 2.21. Hình 2.17. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ xyz - chỉ có INS Hình 2.13. Đánh giá sai số quỹ đạo theo hệ trục toạ độ xyz - chỉ có GPS Hình 2.21. 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 11 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; hơn nữa nó cho phép lựa chọn các cơ cấu chấp hành cho Q-UAV trong các pha sau. 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). 12 CHƯƠNG 3. 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 hóa trực quan Mô hình hoá trực quan là một phương thức tư duy về vấn đề sử dụng các mô hình được tổ chức xoay quanh các hiện tượng trên thực tế. 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. Bốn mục tiêu cơ bản sau khi xây dựng mô hình trực quan có thể đạt được, như: - 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. Mô hình hoá trực quan tuân theo bốn nguyên tắc cơ bản như sau: Nguyên tắc 1: Các mô hình được tạo ra chi phối trực tiếp đến cách tiếp cận và định hướng giải quyết một vấn đề. Nguyên tắc 2: Mỗi mô hình được thể hiện ở mức độ chi tiết khác nhau. Nguyên tắc 3: Các mô hình chính xác nhất là các mô hình được liên hệ trong thực tế. Nguyên tắc 4: Không có một mô hình đơn lẻ nào là đầy đủ; một mô hình tối ưu phải được tiếp cận thông qua một tập các mô hình độc lập tương đối với nhau. 3.1.2. 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; nó bao gồm các pha: phân tích, thiết kế, thực thi, kiểm định và đánh giá. 13 Hình 3.2. 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. 3.2.2. Qui trình MDA thực thi cho hệ thống điều khiển Q-UAV Quy trình này được mô tả như trên Hình 3.2. 3.3. 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. Mô hình UML về yêu cầu chức năng chính của Q-UAV Để nắm bắt các yêu cầu hướng đối tượng chung, luận án trình bày ở đây một mô hình bao gồm các lớp trừu tượng thông qua việc sử dụng kiểu mở rộng trong mô hình hóa và sơ đồ lớp của UML, nhằm mô tả các thành phần chức năng chính cho Q-UAV được thể hiện trên Hình 3.3. 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. 3.3.1.2. 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: Hình 3.1. Qui trình phát triển tái lặp ROPES 14 Luận án đưa ra mô hình trường hợp sử dụng cho hệ thống điều khiển Q-UAV như trên Hình 3.4. Hình 3.3. Sơ đồ lớp UML thể hiện các chức năng chính của Q-UAV Hình 3.5 và 3.6 lần lượt thể hiện kịch bản bám theo quỹ đạo mong muốn khi có một sự kiện tác động được phát hiện và máy trạng thái song song của trường hợp sử dụng “Bám quỹ đạo”. Mô hình này sử dụng thuật toán dẫn đường LOS hướng dẫn bởi vì luận án quan tâm đến việc kiểm soát bám theo quỹ đạo mong muốn của Q-UAV. Hình 3.4. Mô hình trường hợp sử dụng của Q-UAV Hình 3.6. Máy trạng thái cục bộ của trường hợp sử dụng “Bám quỹ đạo” Hình 3.5. Kịch bản điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn Hình 3.7. áy trạng thái toàn cục của Q-UAV 15 Hình 3.7 mô tả máy trạng thái toàn cục của Q-UAV. Trong luận án chỉ quan tâm chi tiết đến phần máy trạng thái cục bộ của trường hợp sử dụng hướng theo chế độ điều khiển “Bám quỹ đạo”, bởi vì các máy trạng thái cục bộ khác có thể được kế thừa từ các ứng dụng điều khiển phổ biến khác đã được phát triển, như: cấu hình và an toàn cho hệ thống điều khiển nói chung. 3.3.2. PIM của hệ thống điều khiển Q-UAV Để xây dựng cấu trúc tổng quát của PIM, luận án đưa ra 5 gói điều khiển chính: phần liên tục (Continous Part), phần rời rạc (Discrete Part), ứng xử liên tục toàn cục tức thời (IGCB: Instantaneous Global Continuous Behavior), giao diện bên trong (Interal Interface) và giao diện bên ngoài (External Interface) để dễ dàng tổ chức, quản lý theo vết và tái sử dụng các tác tạo được sinh ra trong quá trình thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển Q-UAV. Mẫu kết nối truyền đạt giữa các gói điều khiển chính bởi các cổng, giao thức và bộ kết nối được mô tả trong sơ đồ cấu trúc gói như trên Hình 3.8. Hình 3.8. Mẫu kết nối truyền đạt giữa các gói điều khiển chính của Q-UAV 3.3.3. PSM của hệ thống điều khiển Q-UAV 3.3.3.1. Sự chuyển đổi mô hình PIM-PSM Hình 3.14 mô tả tổng quan quá trình chuyển đổi một mô hình PIM-PSM. Hình 3.15 mô tả phác thảo của chuyển đổi mô hình PIMPSM cho hệ thống điều khiển Q-UAV. 16 Hình 3.15. Chuyển đổi mô hình PIM-PSM cho hệ thống điều khiển Q-UAV Hình 3.14. Chuyển đổi mô hình PIM-PSM trong MDA 3.3.3.2. Mô hình thực thi mô phỏng hướng đối tượng Chương trình mô phỏng ứng dụng với OpenModelica có thể tùy biến và tái sử dụng trong pha triển khai hệ thống điều khiển với các bộ vi điều khiển thích ứng với công nghệ hướng đối tượng trên thực tế. 3.3.3.3. Mô hình thi hành triển khai Hình 3.19 minh họa một vài hình hình ảnh tích hợp và chạy thử nghiệm mô hình triển khai hệ thống điều khiển Q-UAV bám theo quỹ đạo mong muốn. Hình 3.19. Tích hợp và chạy thử nghiệm mô hình triển khai hệ thống điều khiển Q-UAV bám theo quỹ đạo mong muốn 17 Kết luận chương Chương này đã trình bày mô hình phân tích, thiết kế và thực thi hướng đối tượng để phát triển hệ thống điều khiển cho Q-UAV. Mô hình này dựa trên việc cụ thể hóa kiến trúc hướng theo mô hình (MDA) và ngôn ngữ mô hình hóa trong thời gian thực (RealTime UML); nó kèm theo mô hình cấu trúc và ứng xử điều khiển phi tuyến lai đã được đề xuất và đánh giá chất lượng sơ bộ trong Chương 2. Từ đó, xây dựng qui trình cụ thể hóa MDA với RealTime UML và ROPES để phát triển theo hướng đối tượng cho hệ thống điều khiển thông qua các thành phần CIM, PIM và PSM, cụ thể là: trong CIM, việc cụ thể hóa mô hình trường hợp sử dụng và đặc trưng của HA cho phép phân tích chi tiết cấu trúc và ứng xử của hệ thống điều khiển Q-UAV; PIM đưa ra mô hình thiết kế chi tiết với RealTime UML của hệ thống điều khiển; mô hình hệ thống con và cơ chế hướng đối tượng được sử dụng để xây dựng PSM của hệ thống này nhằm thực hiện giai đoạn thực thi mô phỏng và triển khai hệ thống; các qui tắc chuyển đổi mô hình đã được đưa ra và áp dụng, nó cho phép các CIM được xác định chuyển đổi thành PIM và tiếp theo chuyển đổi các PIM tới một PSM cụ thể. Các qui tắc tùy biến và tái sử dụng các thành phần thiết kế của PIM được đưa ra nhằm ứng dụng trong điều khiển Q-UAV hoặc MUAV dạng chong chóng mang và cất cánh/hạ cánh thẳng đứng (VTOL) khác nhau. Dựa theo mô hình này, ứng dụng của luận án đã được mô phỏng và thực thi dựa trên các nền công nghệ mã nguồn mở OpenModelica và Arduino cho hệ thống điều khiển Q-UAV bám theo quĩ đạo đặt trước. Chương tiếp theo sẽ trình bày về chạy thử nghiệm và đánh giá mô hình thi hành triển khai cho hệ thống điều khiển này. 18 CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Q-UAV 4.1. Các tình huống thử nghiệm và đánh giá kết quả + Kịch bản 1: Thử nghiệm khả năng cất cánh tự động và bay treo cân bằng tại một điểm trong điều kiện ngoài trời và đánh giá khả năng giữ cân bằng và ổn định tại một điểm bay treo đó. Thử nghiệm khả năng hạ cánh tự động nhằm đánh giá khả năng tự quay về điểm xuất phát trong các trường hợp khẩn cấp, như: nguồn điện cung cấp sắp cạn kiệt và mất tín hiệu điều khiển. + Kịch bản 2: Thử nghiệm khả năng bay tự động bám theo các quỹ đạo mong muốn được đặt trước thông qua máy tính điều khiển, nhằm đánh giá khả năng bám quỹ đạo cũng như khả năng tự cân bằng ổn định của Q-UAV. 4.2. Tích hợp thiết bị và quy trình khởi động hệ thống thử nghiệm 4.2.1. Tích hợp các thiết bị thử nghiệm + Sử dụng GPS/IMU cho mô hình thử nghiệm Q-UAV NCS đã lựa chọn thiết bị IMU có chứa các cảm biến tích hợp MPU6000 (Hình 4.2) được sử dụng trong việc xác định vị trí và trạng thái của Q-UAV. (a) (b) Hình 4.2. Thiết bị GPS và IMU được tích hợp trong thử nghiệm (a) và vi mạch MCU-STM32-Cortex M4 lập trình được (b) + Sử dụng thiết bị lập trình được 19 Trong luận án này, bộ vi điều khiển STM32F427 Cortex M4 được sử dụng để nạp chương trình điều khiển Q-UAV. + Tích hợp các thiết bị khác Hình 4.3 mô tả tích hợp vi mạch trên Q-UAV, thiết bị điều khiển bằng tay Futaba T8FG, bộ thu nhận tín hiệu trạng thái của QUAV, màn hình hiển thị video thu được tại mặt đất và hiển thị thông số, pin và mạch sạc điện Cellpro và động cơ T-motor kèm theo các thông số kỹ thuật, tham gia vào thử nghiệm và đánh giá hệ thống điều khiển Q-UAV. Hình 4.3. Tích hợp vi mạch trên Q-UAV 4.2.2. Quy trình khởi động hệ thống thử nghiệm 4.3. Tiến hành thử nghiệm và đánh giá hệ thống điều khiển QUAV 4.3.1. Thử nghiệm và đánh giá các chế độ cất cánh, bay treo và hạ cánh tự động Hình 4.11 minh họa hình ảnh thử nghiệm khả năng cất cánh tự động và bay treo cân bằng tại một điểm trong điều kiện ngoài trời Hình 4.12 mô tả giao diện cài đặt các chế bộ an toàn cho Q-UAV. Hình 4.11. Hình ảnh thử nghiệm và đánh giá các chế độ cất cánh, bay treo và hạ cánh tự động 20