Tài liệu Thiết kế bộ điều khiển cho máy bay không người lái uav.

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn “Thiết kế bộ điều khiển cho máy bay không người lái UAV” này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của TS. Bùi Quý Lực và TS. Lê Giang Nam. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận văn là do tôi phát triển và chưa từng được công bố trong bất kì một tài liệu nào. Hà Nội, Ngày 22 tháng 4 năm 2014 Học viên thực hiện Nguyễn Ngọc Bình 1 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... 1 MỤC LỤC................................................................................................................ 2 KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT................................................................................ 4 DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... 5 DANH MỤC HÌNH ẢNH....................................................................................... 6 MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 8 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ UAV ........................................................................................ 11 1.1. Giới thiệu về UAV .......................................................................................... 11 1.1.1. Khái niệm về UAV ..................................................................................... 11 1.1.2. Các ứng dụng của UAV ............................................................................. 11 1.1.3. Các tính năng chủ yếu của UAV ................................................................ 12 1.2. Lịch sử phát triển của UAV .......................................................................... 12 1.2.1. Lịch sử phát triển của UAV trên thế giới ................................................... 12 1.2.2. Lịch sử phát triển của UAV ở Việt Nam ................................................... 15 1.2.3. Xu hướng phát triển của UAV ................................................................... 18 1.3. Hƣớng tiếp cận của đề tài .............................................................................. 18 1.4. Kết luận chƣơng 1 .......................................................................................... 19 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN VẬT THỂ BAY KHÔNG NGƢỜI LÁI UAV ................................................................................................................ 20 2.1. Các thông số kỹ thuật của UAV ................................................................... 20 2.1.1. Thông số kỹ thuật của vật liệu chế tạo UAV ............................................. 20 2.1.2. Khảo sát lực tác dụng lên các bộ phận UAV ............................................. 22 2.1.3. Tích hợp các hệ thống cơ khí lên UAV...................................................... 23 2.2. Khảo sát động học và động lực học cho UAV ............................................. 27 2.2.1. Xây dựng hệ tọa độ để khảo sát UAV........................................................ 27 2.2.2.Khảo sát động học cho UAV....................................................................... 31 2.2.3. Khảo sát động lực học cho UAV ............................................................... 33 2.3. Giải phƣơng trình động học và động lực học .............................................. 35 2.3.1. Tuyến tính hóa phương trình động học và động lực học ........................... 35 2 2.3.2. Phân chia chuyển động của UAV .............................................................. 40 2.3.3. Phương trình động học, động lực học cho trạng thái bay cân bằng và ổn định ....................................................................................................................... 44 2.4. Kết luận chƣơng 2 .......................................................................................... 48 CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO UAV ......................................................... 49 3.1. Tổng quan hệ điều khiển UAV ..................................................................... 49 3.1.1. Định vị, dẫn đường bằng hệ thống vệ tinh GPS và định vị quán tính INS 49 3.1.2. Truyền dẫn dữ liệu điều khiển và hình ảnh bằng sóng vô tuyến RF.......... 49 3.1.3. Hệ thống truyền động trên UAV ................................................................ 61 3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển UAV ............................................................... 61 3.2.1. Thuật toán điều khiển ................................................................................. 62 3.2.2. Sơ đồ mạch điện của hệ thống điều khiển .................................................. 66 3.2.3. Mô phỏng hệ thống điều khiển................................................................... 71 3.3. Thiết kế phần mềm điều khiển và giám sát mặt đất ................................... 73 3.3.1. Phần mềm điều khiển mặt đất .................................................................... 73 3.3.2. Xây dựng hệ thống chỉ thị mục tiêu ........................................................... 74 3.4. Tích hợp các hệ thống điện tử ....................................................................... 75 3.5. Kết luận chƣơng 3 .......................................................................................... 80 CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN.................................................................................. 81 4.1. Kết quả thử nghiệm của hệ thống GPS, IMU, RF ...................................... 81 4.1.1. Kết quả thử nghiệm khả năng định vị GPS ................................................ 81 4.1.2. Kết quả thử nghiệm chất lượng bộ thu phát sóng RF ................................ 83 4.1.3. Kết quả thử nghiệm chất lượng cảm biến IMU.......................................... 85 4.2. Đánh giá chất lƣợng UAV ở chế độ bay bằng tay và tự động ................... 87 4.2.1. Đánh giá chất lượng UAV ở chế độ bay bằng tay ..................................... 87 4.2.2. Đánh giá chất lượng UAV ở chế độ bay tự động ....................................... 88 4.3. Kết luận chƣơng 4 .......................................................................................... 89 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 92 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 93 3 KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT + GPS - Global Positioning System( Hệ thống định vị toàn cầu). + GCS - Group Control Station (Trạm điều khiển mặt đất). + IMU - Inertial measurement units(Hệ thống đo lường quán tính). + INS - Intertial Mavigation System(Hệ thống định vị quán tính). + PP PTHH - Phương pháp phần tử hữu hạn. + PID - A proportional integral derivative controller. + RF - Radio Frequency (Tần số vô tuyến). + UAV - Unmanned Aerial Vehicle( Phương tiện bay không người lái). 4 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Thông số cơ học sợi composit (E glass fiber) .................................... 20 Bảng 2.2: Thông số cơ học thép Cacbon thƣờng ............................................... 21 Bảng 2.3: Thông số cơ học nhựa polyurêtan ...................................................... 21 Bảng 2.4: Thông số cơ học cao su tổng hợp ........................................................ 22 Bảng 2.5: Bảng phân loại các mức tốc độ máy bay ........................................... 30 Bảng 3.1: Thông số vi xử lý ATMEGA2560 ....................................................... 67 Bảng 3.2: Thông số cảm biến MPU 6050 ............................................................ 68 Bảng 3.3: Thông số cảm biến khí áp MS5611 .................................................... 68 Bảng 3.4: Thông số la bàn số HMC5883L .......................................................... 69 Bảng 3.5: Thông số IC nhớ AT45DB161D ......................................................... 70 Bảng 4.1: Thử nghiệm độ chính xác đo khoảng cách của GPS (Khu vực dân cƣ) ........................................................................................................................... 81 Bảng 4.2: Thử nghiệm độ chính xác đo khoảng cách của GPS (Khu vực đất trống) ...................................................................................................................... 83 Bảng 4.3: Bảng đánh giá chất lƣợng sóng của bộ thu phát sóng RF ............... 84 5 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Máy bay trinh sát pháo binh "Tipchak" Nga ................................... 15 Hình 1.2: UAV Việt Nam, sản phẩm của HTI.................................................... 17 Hình 2.1: Sản phẩm máy bay hoàn thiện............................................................ 23 Hình 2.2: Thân máy bay ....................................................................................... 24 Hình 2.3: Cánh máy bay (Bên trái) ..................................................................... 24 Hình 2.4: Cánh lái đứng và cánh lái ngang ........................................................ 25 Hình 2.5: Càng trƣớc và càng sau máy bay ....................................................... 25 Hình 2.6: Hệ thống truyền chuyển động ............................................................. 26 Hình 2.7: Động cơ và cánh quạt .......................................................................... 26 Hình 2.8: Các trục tọa độ trên máy bay, các vec tơ vận tốc, lực, momen và các góc RPY trên máy bay .......................................................................................... 27 Hình 2.9: Định nghĩa các hệ trục tọa độ trên máy bay ..................................... 29 Hình 2.10: Các vectơ vận tốc góc trong hệ tọa độ liên kết. ............................... 32 Hình 2.11: Sơ đồ khối các phƣơng trình chuyển động của máy bay ............... 48 Hình 3.1: Các thành phần cấu tạo của hệ thống ................................................ 50 Hình 3.2: Vệ tinh không gian ............................................................................... 50 Hình 3.3: Các trạm điều khiển GPS trên thế giới .............................................. 51 Hình 3.4: Các g c Yaw, Pitch và Roll ................................................................. 53 Hình 3.5: Sự thay đổi trạng thái của máy bay ứng với các g c Yaw, Pitch và Roll.......................................................................................................................... 54 Hình 3.6: Các g c Yaw, Pitch và Roll trong hệ thống định vị quán tính ........ 56 Hình 3.7: Bộ thu phát sóng RF ............................................................................ 58 Hình 3.8: Cấu tạo RC Servo ................................................................................ 61 Hình 3.9: Điều khiển góc quay RC Servo ........................................................... 62 Hình 3.10: Mạch vi xử lý trung tâm ATMEGA2560 ......................................... 67 Hình 3.11: Khối truyền nhận dữ liệu với máy tính thông qua chip ATMEGA32U ........................................................................................................ 67 Hình 3.12: Cảm biến MPU 6050 (Inertial measurement unit)6 trục ............... 68 Hình 3.13: Cảm biến khí áp MS5611 .................................................................. 69 Hình 3.14: La bàn số HMC5883L ....................................................................... 70 Hình 3.15: Bộ nhớ Data AT45DB161D lƣu trữ 1 Mb dữ liệu ........................... 70 6 Hình 3.16: Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng phần cứng ...................................... 71 Hình 3.17: Sơ đồ khối hệ thống mô phỏng phần cứng ...................................... 71 Hình 3.18: Thiết lập tham số truyền nhận trong Xplane .................................. 72 Hình 3.19: Thiết lập cổng UDP truyền nhận dữ liệu trên XPlane ................... 72 Hình 3.20: Mẫu thử nghiệm chế độ bay tự động: máy bay PT60 .................... 73 Hình 3.21: Phần mềm điều khiển ........................................................................ 74 Hình 3.22: Thử nghiệm chế độ ch thị mục tiêu ................................................. 75 Hình 3.23: Kích thƣớc mạch in sau khi thiết kế ................................................ 76 Hình 3.24: Sơ đồ kết nối vơi bộ Recever Fysky.................................................. 76 Hình 3.25: Sơ đồ chân kết nối tín hiệu điều khiển ............................................. 77 Hình 3.26: Sơ đồ kết nối tín hiệu cảm biến......................................................... 77 Hình 3.27: Sơ đồ kết nối đầu ra tín hiệu APM ................................................... 78 Hình 3.28: Tín hiệu ra cấp servo camera............................................................ 78 Hình 3.29: Tín hiệu ra cấp servo camera............................................................ 79 Hình 3.30: Module LEA-6H U-blox .................................................................... 79 Hình 3.31: Bộ điều khiển thực tế ......................................................................... 80 Hình 4.1: Vị trí của máy bay so với Home (Khu vực dân cƣ) .......................... 81 Hình 4.2: Đồ thị biểu diễn sai số khoảng cách của GPS (Khu vực dân cƣ)..... 82 Hình 4.3: Vị trí của máy bay so với Home (Khu vực đất trống) ...................... 82 Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn sai số khoảng cách của GPS (Khu vực đất trống) 83 Hình 4.5: Màn hình số liệu biểu diễn chất lƣợng sóng của bộ thu phát sóng RF ................................................................................................................................. 84 Hình 4.6: Đồ thị biểu diễn chất lƣợng sóng với các khoảng cách khác nhau .. 85 Hình 4.7: Máy bay ở trạng thái cân bằng ........................................................... 85 Hình 4.8: Máy bay ở trạng thái nghiêng bên phải ............................................. 86 Hình 4.9: Máy bay ở trạng thái ngóc lên ............................................................ 86 Hình 4.10: Máy bay ở trạng thái chúc xuống ..................................................... 86 Hình 4.11: Máy bay ở trạng thái lật ngửa .......................................................... 87 Hình 4.12: Quỹ đạo bay thực tế của máy bay khi điều khiển bằng tay ........... 88 Hình 4.13: So sánh quỹ đạo bay thực tế và quỹ đạo bay lập trình của máy bay trong chế độ bay tự động ...................................................................................... 89 7 MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Ngày nay nhờ những tiến bộ công nghệ khoa học kỹ thuật được áp dụng vào đời sống ngày càng nhiều, nên các thiết bị có khả năng tự động hóa đang là xu hướng được quan tâm và nghiên cứu rộng rãi trên toàn thế giới. Các công nghệ này được ứng dụng trong rất nhiều ngành và lĩnh vực đặc biệt nhằm giải phóng con người khỏi nặng nhọc, nhàm chán của công việc (do lặp đi lặp lại các thao tác của một công việc giản đơn nào đó), nguy hiểm của môi trường lao động, lây lan của các bệnh hiểm nghèo tại các cơ sở y tế, ô nhiễm do bụi bặm của các hầm mỏ, nguy hiểm ở duới đáy đại dương và trên không gian vũ trụ… Một trong những công nghệ đang được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ đó là máy bay không người lái (UAV – Unmanned Aerial Vehicle). Đây là tên gọi chỉ chung cho các loại máy bay mà không có người điều khiển ở buồng lái, hoạt động tự động và có thể điều khiển, giám sát từ xa. Với việc sử dụng UAV người ta có thể thay thế con người trong rất nhiều lĩnh vực như dân dụng, quân sự, hàng không vũ trụ. Trên thế giới, các nước như: Hoa kỳ, Đức, Nhật… đã và đang ứng dụng máy bay UAV vào nhiều lĩnh vực như do thám, y tế, quan trắc.... đặc biệt ngành quân sự. Tuy nhiên việc triển khai ứng dụng ở Việt Nam còn hạn chế. Xuất phát từ thực tế trên, tôi đã tiến hành nghiên cứu về hệ thống điều khiển trên máy bay không người lái (UAV). Qua đó đề tài: ―Thiết kế bộ điều khiển cho máy bay không người lái UAV‖ đã được triển khai với mục đích từng bước nắm bắt lý thuyết và công nghệ nhằm áp dụng vào thực tiễn. Lịch sử nghiên cứu Trên thế giới UAV không chỉ là mục tiêu quân sự của mỗi quốc gia (đặc biệt là các nước chuyên sản xuất máy bay không người lái như Mỹ và Israel), mà còn là đề tài nghiên cứu của các trường đại học trên thế giới và đã đạt được những thành tựu đáng khích lệ. Việc nghiên cứu và chế tạo UAV gặp nhiều khó khăn và thử thách. Đầu tiên đó là khó khăn vì tài chính. Tiếp đó là công nghệ đi kèm trong việc chế tạo máy bay, như là: công nghệ định vị chính xác, công nghệ xử lý ảnh,…Tuy nhiên, với những thành tựu đã đạt được thì một ngày không xa nó sẽ được ứng rộng rãi trong đời sống và quân sự. 8 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu Việc chế tạo bộ điều khiển cho UAV hiện đang được phát triển mạnh mẽ trên thế giới. Nó không chỉ phục vụ trong quân sự mà cả dân sự cũng được ưu tiên phát triển. Nhưng tại Việt Nam thì còn hạn chế và rất ít được đầu tư do nguồn kinh phí lớn. Nước ta mới chỉ sử dụng UAV trong quân sự mà chưa có sản phẩm phục vụ trong dân sự. Vì vậy, nhiệm vụ của đề tài giúp tiếp cận, làm chủ công nghệ nhằm đưa sản phẩm ứng dụng trong mục tiêu dân sự. Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm thiết bị điều khiển máy bay không người lái UAV, hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh GPS, hệ thống truyền dẫn dữ liệu điều khiển và thu thập hình ảnh bằng sóng RF. Việc nghiên cứu đề tài cần đảm bảo những công việc sau: xây dựng mô hình máy bay không người lái UAV dẫn đường bằng tín hiệu vệ tinh GPS; tích hợp hệ thống điều khiển, cơ khí, truyền động và lập trình; thử nghiệm đánh giá chất lượng thiết bị ở chế độ điều khiển bằng tay và chế độ tự động. Thu thập các dữ liệu về chuyến bay để kiểm tra tính chính xác của các phương trình khí động học và cân bằng máy bay. Các luận điểm cơ bản và đ ng g p mới Nội dung luận văn gồm 4 chương: - Chương 1 trình bày tổng quan về UAV. - Chương 2 đưa ra cơ sở lý thuyết điều khiển vật thể bay không người lái UAV. - Chương 3 thiết kế bộ điều khiển UAV. - Chương 4 cho UAV chạy thử và kiểm tra chất lượng. Phƣơng pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) là một phương pháp số để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều kiện biên cụ thể. Xây dựng các phương trình khí động lực học, sử dụng các phương pháp toán học để giải các phương trình vi phân, trình bày về thuyết cân bằng và ổn định máy bay... Tích hợp hệ thống bao gồm các cảm biến, mạch điều khiển, cơ cấu chấp hành, phát triển phần mềm điều khiển dựa trên phần mềm mã nguồn mở, xây dựng thuật toán xử lý ảnh... 9 Tiến hành bay thử nghiệm, kiểm tra các chế độ bay, bay theo quỹ đạo, kiểm tra thu thập các dữ liệu trong quá trình bay. Kết quả đề tài cần đạt đƣợc + Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển vật thể bay không người lái UAV từ đó đưa ra hệ phương trình động học và động lực học. + Giải các hệ phương trình trên bằng phương pháp tuyến tính hóa và đưa ra các phương trình trạng thái bay cân bằng và ổn định. + Thiết kế hệ thống điều khiển với khả năng bay linh hoạt, ổn định và tầm hoạt động 2-4 km trong 30 phút. + Tích hợp các hệ thống cơ khí, điện tử, phần mềm cho một mô hình máy bay cánh bằng cụ thể. + Thử nghiệm bay thật và đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển. Tuy đã rất nỗ lực hoàn thành và kiểm tra các tính toán nhưng luận văn chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót và hạn chế. Rất mong nhận được sự đánh giá, đóng góp của quý thầy cô và bạn bè để có thể giúp đỡ tôi hoàn thiện hơn trong các nghiên cứu sau này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô và các bạn đồng môn đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này, đặc biệt là sự tận tình chỉ dạy, giúp đỡ của TS. Bùi Quý Lực và TS. Lê Giang Nam. Tôi xin chân thành cảm ơn. TÁC GIẢ Nguyễn Ngọc Bình 10 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ UAV 1.1. Giới thiệu về UAV 1.1.1. Khái niệm về UAV UAV là viết tắt của "Unmanned Aerial Vehicle" ("Phương tiện hàng không không người lái", hay thường gọi là "Máy bay không người lái"). Theo đúng như tên gọi của mình, trên UAV hoàn toàn không có người điều khiển ngồi ở khoang lái. UAV có thể được điều khiển từ xa (bởi một người điều khiển ngồi tại một trạm điều khiển trên mặt đất) hoặc cũng có thể tự bay theo các lịch trình đã được lập trình từ sẵn, hoặc theo sự điều khiển của các hệ thống máy tính phức tạp. Để phân biệt rõ ràng giữa UAV và các loại tên lửa, chúng ta có thể định nghĩa UAV là một loại máy bay có khả năng bay theo sự điều khiển cố định và được trang bị các động cơ phản lực, động cơ điện… Còn tên lửa hành trình có thể được coi là một loại UAV, song cần chỉ ra rõ ràng rằng chúng được sử dụng làm vũ khí, trong khi UAV thông thường đóng vai trò phương tiện di chuyển. UAV đôi khi cũng được dùng để chỉ các hệ thống UAVS (Unmanned Aerial Vehicle System- Hệ thống phương tiện bay không người lái) hoặc UAS (Unmanned Aerial System- Hệ thống máy bay không người lái). Ủy ban Quản lý Hàng không Liên bang Hoa Kỳ (FAA) đang sử dụng cụm từ UAS để nhấn mạnh rằng các hệ thống này không chỉ bao gồm máy bay mà còn bao gồm cả trạm kiểm soát trên mặt đất và một số thiết bị khác. Trong các văn bản chính thức, cụm từ "Unmanned Aerial Vehicle" (UAV) đã được thay đổi thành "Unmmaned Aircraft System" để làm rõ tính hệ thống của UAS như đã nói ở trên. Tuy vậy, trong ngôn ngữ nói hàng ngày chúng ta vẫn sử dụng cụm từ UAV nhiều hơn. 1.1.2. Các ứng dụng của UAV -Bia ngắm bắn: đóng vai trò bia ngắm bắn cho các hệ thống vũ khí trên mặt đất và trên không. -Do thám: tìm kiếm thông tin chiến thuật trên chiến trường. -Tấn công: đảm nhiệm vai trò tấn công trong các nhiệm vụ mang tính rủi ro cao. 11 -Nghiên cứu và phát triển: đảm nhiệm vai trò vật thí nghiệm với các công nghệ UAV mới. -UAV dân dụng và thƣơng mại: các mẫu UAV được thiết kế nhằm áp dụng vào các mục đích dân dụng và thương mại. 1.1.3. Các tính năng chủ yếu của UAV Một vài mẫu UAV đầu tiên được gọi là drone – một loại UAV rất đơn giản: có thể coi drone là một loại máy bay lúc nào cũng cần được điều khiển từ xa bởi người lái (hay còn gọi là người điều khiển). Các phiên bản UAV tinh vi hơn có thể có tính năng điều khiển được tích hợp và các hệ thống tìm đường đóng vai trò điều khiển ở mức độ thấp (ví dụ như điều khiển tốc độ hoặc cân bằng máy bay), hoặc các tính năng định tuyến đơn giản như bay theo một tuyến đường đã được định sẵn. Nếu nhìn từ cách này thì có thể nói phần lớn các mẫu UAV đầu tiên đều không hề mang tính độc lập. Thực tế, lĩnh vực nghiên cứu phát triển khả năng tự điều khiển (Autonomy) là một lĩnh vực nghiên cứu khá mới mẻ, được tài trợ chủ yếu bởi quân đội với mục đích tìm ra các công nghệ mới sẵn sàng cho chiến tranh. Các lĩnh vực công nghệ Autonomy đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển của UAV. -Kết hợp cảm biến: Kết hợp thông tin từ nhiều cảm biến được sử dụng trên thiết bị. -Liên lạc: đảm nhiệm quá trình liên lạc và phối hợp giữa các thành phần khác nhau của hệ thống, trong trường hợp thông tin không đủ và không hoàn hảo. -Lên lịch trình: tìm ra tuyến đường tối ưu trong khi phải đảm bảo đạt được một số mục tiêu, tránh các vật cản. -Phân bổ nhiệm vụ và lên kế hoạch: tìm ra cách phân bổ nhiệm vụ tối ưu tới các thành phần của hệ thống, trong điều kiện thời gian và phần cứng bị giới hạn. -Chiến lƣợc phối hợp: tạo ra kế hoạch và cách phân bổ hoạt động tối ưu giữa các thành phần của hệ thống nhằm đạt được khả năng thành công lớn nhất trong mỗi nhiệm vụ. 1.2. Lịch sử phát triển của UAV 1.2.1. Lịch sử phát triển của UAV trên thế giới Năm 1915, nhà sáng chế Nikola Tesla (1856 - 1943), người Mỹ được sinh ra ở Croatia, đã đề ra khái niệm đầu tiên để nghiên cứu UAV. Lúc ấy, Tesla tin rằng đây sẽ là một phương tiện đem lại ưu thế trên chiến trường trong tương lai. Đến năm 1919, nhà sáng chế Elmer Ambrose Sperry thử nghiệm thành công việc dùng thiết 12 bị dạng máy bay không người lái đánh chìm một tàu chiến. Bước ngoặt tiếp theo diễn ra vào thập niên 1950 khi Lầu Năm Góc chính thức thử nghiệm UAV để tiến hành các phi vụ do thám từ xa ở trần bay có thể lên đến 18 km. Loại UAV này là Ryan Firebee, được phát triển dựa trên hợp đồng giữa Lầu Năm Góc với Công ty hàng không Ryan. Ryan Firebee có nhiều phiên bản khác nhau, trong đó phiên bản tiêu chuẩn có chiều dài khoảng 7 m, sải cánh 3.9 m, trần bay 18 km, tốc độ tối đa khoảng 1.100 km/giờ, đủ sức hoạt động liên tục trong 75 phút. Nó có thể được phóng đi từ máy bay mẹ, thường là loại phi cơ vận tải C-130. Dòng Ryan Lightning Bug là một biến thể của loại Ryan Firebee [1]. Năm 1964, Ryan Lightning Bug được triển khai tại căn cứ không quân ở Biên Hòa (Việt Nam) và U-Tapao (Thái Lan) để tiến hành do thám miền Bắc Việt Nam, Trung Quốc, Lào và Campuchia. Lúc bấy giờ, loại UAV này mang nhiệm vụ trinh sát dò tìm các địa điểm tập trung chiến đấu cơ, tên lửa đối không, chụp hình, quay phim và cả định vị mục tiêu để máy bay Mỹ tiến hành tấn công. Tiếp đo trong các cuộc chiến tranh của Mỹ UAV càng ngày xuất hiện thường xuyên và nắm giữ vị trí quan trọng hơn. Trong giai đoạn từ năm 2000—2010 số lượng UAV trong biên chế của lực lượng vũ trang Mỹ tăng vọt 136 lần, từ 50 đến 6800 chiếc. Dự báo, khoảng 30 năm tới số lượng các UAV quân sự của Mỹ sẽ tăng thêm 4 lần. Đến năm 2005, số lượng UAV của các nước khối quân sự NATO là 75310 chiếc, trong đó 60 nghìn UAV đến năm 2006 đã có trong biên chế của lực lượng quân sự liên minh NATO. Đến năm 2008 Mỹ và NATO đã tích cực triển khai khoảng 300 chương trình nghiên cứu, chế tạo các UAV [2]. Những mẫu UAV nổi tiếng trên thị trường quân sự thế giới do có những tính năng kỹ thuật nổi bật như khối lượng hữu ích lớn, tầm bay xa và thời gian bay dài là [3]: Euro Hawk (Mỹ), RQ-4 Global Hawk (Mỹ), RQ-7A Shadow 200/400/600 (Mỹ), Chacal-2 (Pháp), Dasault Neuron (Pháp), Eagle Eye(CIIIA), RQ-8A/MQ-8 FireScout (Mỹ), A160 Hummingbird (Mỹ), ElbitHermes 180/450/900/1500 (Mỹ), MQ-1 Predatỏ (Mỹ), IAI Searcher II (Israel),MQ-9 Reaper (Mỹ), Sperwer MkII (Pháp), Patroller (Pháp), Barracuda-2 2 (Liên bang Đức), X-47B Pegasus (Mỹ), Aerostar (Israel), Zephyr (Anh), Avenger (Mỹ) và Falco (Ý). 13 Trong đó, MQ-1 Predator đạt tốc độ tối đa 217 km/giờ, tầm bay 1.100 km và trần bay 7.6 km, có thể hoạt động liên tục trong 24 giờ mà không cần tiếp thêm nhiên liệu, mang theo các loại tên lửa đối đất AGM-114 Hellfire và AGM-175 Griffin, tên lửa đối không AIM-92 Stinger. Còn MQ-9 Reaper đạt tốc độ tối đa xấp xỉ 900 km/giờ, tầm hoạt động 1.850 km, trần bay 15 km, có thể hoạt động suốt 18 giờ, tích hợp 7 gá treo vũ khí để mang theo 14 tên lửa đối đất AGM-114 Hellfire hoặc 2 quả bom GBU-12 Paveway II. Theo chương trình Long-Range Strike triển khai năm 2012, Mỹ đang nỗ lực phát triển UAV tốc độ siêu thanh, tương lai sẽ trở thành máy bay ném bom chiến lược không người lái thế hệ mới. Song song cùng với chương trình nay, các nhà khoa học Mỹ đang nghiên cứu thiết kế nguyên mẫu UAV cơ bản, từ đó phát triển các UAV có những tính năng kỹ chiến thuật khác nhau như tiêm kích đánh chặn, cường kích, trinh sát, AWACS, vận tải, tác chiến điện tử, thông tin liên lạc và tiếp dầu trên không. Sự phát triển UAV của Nga có phần chậm hơn so với Trung Quốc và Mỹ. Năm 2007, Bộ quốc phòng Nga đã chi 5 tỷ rúp phát triển UAV, nhưng đến tháng 4/2009 các dự án phát triển UAV vẫn đang nằm ở dạng model và văn bản thiết kế. Bộ Quốc phòng Nga ký hợp đồng mua và lắp ráp bản địa 12 chiếc UAV Israel BirdEye-400, I-View Mk150 và Searcher II với tổng chi phí 53 triệu đô la. Năm 2010, hợp đồng với Israel Aerospace Industries được mở rộng đến 400 triệu đô la. Các UAV Israel sẽ lắp đặt tại nhà máy trực thăng Kazal. Cùng thời gian này, Nga cũng đưa vào biên chế UAV trinh sát và chỉ thị mục tiêu, điều khiển hỏa lực pháo binh Tipchak, phát triển bởi Trung tâm Thiết kế Luch. 14 Hình 1.1: Máy bay trinh sát pháo binh "Tipchak" Nga 1.2.2. Lịch sử phát triển của UAV ở Việt Nam Mục tiêu bay là phương tiện bay không người lái (điều khiển từ xa hoặc bay tự động) dùng trong các hoạt động huấn luyện bắn đạn thật của lực lượng tên lửa và pháo phòng không. Phương tiện này này giúp cho các đơn vị pháo, tên lửa huấn luyện chiến đấu sát với thực tế hơn. Nhằm đáp ứng yêu cầu huấn luyện, Viện Kỹ thuật Quân sự (Quân chủng Phòng không – Không quân) đã tự nghiên cứu cải tiến thành công tên lửa không đối không có điều khiển K-5 thành mục tiêu bay, mang tên gọi BB-3R, BB-13M và M5. Bên cạnh việc cải tiến, quân đội ta chủ trương nghiên cứu chế tạo mục tiêu bay có tầm bay xa, độ cao lớn hơn, có thể điều khiển. Theo báo Thể thao & Văn hóa, năm 1996, Quân chủng Phòng không – Không quân đã mua tổ hợp thiết bị bay DF-16 của Israel và giao cho Ban Giáo dục Quốc phòng (Bộ Tham mưu Phòng không – Không quân) phối hợp Nhà máy A40 nghiên cứu chế tạo. Tới cuối năm 1999, các đơn vị này đã hoàn thành 2 mẫu mục tiêu bay thử nghiệm M-96 (bay ngày) và M-96D (bay đêm). Những mục tiêu bay này có sự hỗ trợ của kính ngắm quang học TZK, điều khiển bằng tay và bay bằng trong tầm quan sát mắt thường. Sau thời gian thử nghiệm, M-96 và M-96D được quân chủng cho phép sản xuất hàng loạt phục vụ huấn luyện bắn đạn thật của các đơn vị pháo– tên lửa. Tuy nhiên, 15 mục tiêu bay này sớm lộ một số nhược điểm như: tầm bay ngắn, trần bay thấp, tốc độ chậm. Do đó, quân chủng đã tiếp tục giao cho các kỹ sư từng tham gia chế tạo M-96 nghiên cứu cải tiến. Tháng 7/2004, Viện Kỹ thuật Phòng không – Không quân đã bay thử thành công mục tiêu bay M-100CT thế hệ mới, đáp ứng nhiều yêu cầu đề ra (tầm bay xa hơn, trần bay cao và tốc độ cải thiện). Việc nghiên cứu, chế tạo, cải tiến các mục tiêu bay thành công là ―nền móng‖ vững chắc để các nhà khoa học quân sự nước ta tiến tới việc phát triển máy bay trinh sát không người lái. Trước khi mẫu M-100CT bay thử nghiệm, ngay từ năm 2001, Viện Kỹ thuật Phòng không – Không quân đã khởi động đề tài: ―Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy bay không người lái điều khiển chương trình mang tên M400-CT‖. Ngày 15/9/2005, 2 mẫu M400-CT cất cánh thử nghiệm thành công tại sân bay Kép (Bắc Giang) với trần bay đạt được 2.000m, bán kính hoạt động 15km. Tiếp đó, Viện Kỹ thuật Phòng không – Không quân tiếp tục cải tiến và nâng cấp M400-CT đạt trần bay 3.000m, tốc độ 250-280km/h, bán kính hoạt động 30km. M400-CT có thể dùng cho mục đích do thám, trinh sát, theo dõi mục tiêu trên chiến trường, khu vực hiểm trở, nguy hiểm. Ngoài ra, nó có thể tham gia vai trò quay phim, chụp ảnh địa hình, tìm kiếm cứu nạn. Sự ra đời của máy bay không người lái M400-CT đã đưa Việt Nam trở thành một trong số ít các nước Đông Nam Á tự chế tạo được loại máy bay này. Cùng với các nhà khoa học quân sự, các cơ quan dân sự Việt Nam cũng xúc tiến thực hiện chương trình chế tạo máy bay không người lái phục vụ mục đích khoa học, đi đầu là Viện Công nghệ Không gian (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam). Ngay từ năm 2008, Viện Công nghệ Không gian đã bắt đầu triển khai đề tài ―Nghiên cứu chế tạo tổ hợp máy bay không người lái phục vụ nghiên cứu khoa học‖. Sau nhiều năm miệt mài nghiên cứu, các nhà khoa học, kỹ sư, công nhân kỹ thuật trong nhóm đề tài đã hoàn thành 5 mẫu máy bay không người lái và 16 thực hiện cuộc bay thử thành công 2 mẫu vào ngày 3/5/2013. Sự kiện này đánh dấu bước tiến lớn trong sự phát triển máy bay không người lái tại Việt Nam. Các mẫu máy bay được thiết kế chế độ điều khiển tự động bay theo chương trình lập sẵn trên nền bản đồ số. Trên các máy bay đều có khả năng mang camera máy ảnh tác nghiệp trong điều kiện ngày và đêm. Chúng có thể cất cánh từ đường bay, nóc ô tô, bệ phóng hoặc trên tay người. Trong số 5 mẫu máy bay không người lái (gồm AV.UAV.MS1, AV.UAV.S1, AV.UAV.S2, AV.UAV.S3, AV.UAV.S4), loại to lớn nhất là AV.USV.S4 có trọng lượng tối đa tới 170kg, dài 4,2m, sải cánh 5m, tải trọng có ích 50kg. Máy bay trang bị động cơ cánh quạt cho phép đạt tốc độ lớn nhất 180km/h, trần bay 3.000m, bán kính hoạt động tới 100km. Hình 1.2: UAV Việt Nam, sản phẩm của HTI Viện Nghiên cứu và Phát triển Viettel, Trung tâm khí cụ bay đã phát triển mẫu VT-Patrol sải cánh 3,3m, trọng lượng cất cánh 26kg, UAV VT-Patrol bay với vận tốc từ 100 đến 150km/giờ, cự ly hoạt động 50km, trinh sát bằng camera quang hồng ngoại full HD nhận dạng và phân biệt mục tiêu binh lính trên cự ly 600m. Định hướng sản phẩm của Viettel là chế tạo những máy bay không người lái tầm trung có thời gian bay 15-24 giờ phục vụ cho trinh sát cấp chiến dịch, chiến lược... Hơn nữa là các thiết bị bay tối tân khác có trần bay cao để tăng cường khả năng phòng vệ cho đất nước [4]. 17 1.2.3. Xu hƣớng phát triển của UAV Khả năng tự điều khiển (Autonomy) có thể được định nghĩa là khả năng đưa ra quyết định mà không cần tới sự can thiệp của con người. Do đó, để thiết bị có thể đạt được khả năng tự điều khiển, con người cần dạy cho máy móc trở nên "thông minh" và có khả năng suy nghĩ giống với chúng ta hơn nữa. Những người theo dõi sát sao thế giới khoa học công nghệ có thể so sánh lĩnh vực Autonomy với các thành tự của lĩnh vực trí thông minh nhân tạo (Artificial Intelligence – AI) vào thập niên 1980 và 1990, với thành quả là những hệ thống chuyên gia, các mạng suy nghĩ, khả năng tự học hỏi của máy móc, khả năng phân tích ngôn ngữ tự nhiên. Tuy vậy, lĩnh vực Autonomy hiện đang phát triển chủ yếu theo hướng từ dưới đi lên, và các thành tựu mới đều đến từ khoa học điều khiển (Control science), thay vì khoa học máy tính (Computer Science). Do đó, khả năng tự điều khiển của UAV đã và sẽ tiếp tục là một nhánh con của khoa học điều khiển. Trong tương lai gần, 2 lĩnh vực này (khoa học điều khiển và khoa học máy tính) sẽ sớm kết hợp mạnh mẽ hơn nữa, và các nhà khoa học của cả 2 lĩnh vực sẽ phối hợp hoạt động để tạo ra những thành tựu vượt trội. Có thể nói, đến một mức độ nhất định, mục đích cuối cùng của lĩnh vực Autonomy là thay thế hoàn toàn con người ở vị trí điều khiển UAV. Tuy vậy, cho tới giờ chúng ta vẫn chưa thể trả lời được liệu sự phát triển của lĩnh vực Autonomy, cách con người nhìn nhận về lĩnh vực này, quan trọng nhất là các phản ứng về mặt chính trị đối với lĩnh vực này có cản trở sự phát triển và ứng dụng của UAV hay không. Theo chính sách 4568 của NATO, tất cả các UAV của liên minh quân sự này đều phải được điều khiển sử dụng hệ thống TCS (Tactical Control System – Hệ thống điều khiển chiến lược), một hệ thống được phát triển bởi công ty phần mềm Raytheon [5]. 1.3. Hƣớng tiếp cận của đề tài Theo phân tích ở trên chúng ta có thể thấy xu hướng phát triển mạnh mẽ của UAV trên thế giới. Tuy nhiên ở nước ta việc nghiên cứu cũng như chế tạo hệ thống điều khiển cho UAV giá thành cao, chưa sản xuất đại trà cũng chưa có thể phục vụ 18 các mục tiêu ngoài ngành quân sự và nghiên cứu. Từ đó đặt yêu cầu cấp thiết cho việc tiếp cận cũng như làm chủ công nghệ này trong tương lai gần nhằm đảm bảo an ninh quốc gia cũng như sự phát triển của các ngành khoa học trong nước. Đề tài đã xây dựng mô hình toán học dựa vào một máy bay cánh bằng cụ thể. Sau đó gắn cho máy bay một hệ tọa độ rồi đưa ra các hệ phương trình động học và động lực học của máy bay. Tiếp đó giải chúng bằng phương pháp tuyến tính hóa rồi đưa ra các phương trình trạng thái bay cân bằng và ổn định. Từ đó xây dựng thuật toán và hệ thống điều khiển cho UAV bao gồm các thành phần: định vị; cảm biến; truyền dẫn dữ liệu; thành phần truyền động và thành phần xử lý trung tâm. Thiết kế phần mềm cho phép điều khiển và giám sát ở mặt đất. Cuối cùng tích hợp tất cả các hệ thống bao gồm cơ khí, điện tử và phần mềm điều khiển vào UAV rồi cho chạy thử để kiểm nghiệm. Nội dung kiểm nghiệm cho phép đánh giá tính chính xác của thiết bị định vị bằng vệ tinh GPS; cảm biến đo lường quán tính IMU; bộ thu phát sóng RF và các chế độ bay tự động, bằng tay. 1.4. Kết luận chƣơng 1 Trong chương 1 trình bày các khái niệm, ứng dụng cũng như các tính năng chủ yếu của UAV. Từ đó cho thấy tổng quan về các lĩnh vực ứng dụng và các chức năng mà một UAV có khả năng thực hiện. Luận văn cũng đã trình bày lịch sử phát triển của UAV ở trong và ngoài nước, những bước tiến phát triển mạnh mẽ của nó. Qua đó dự đoán được xu hướng phát triển của UAV trong tương lai và đưa ra mục tiêu tác giả tiếp cận trong đề tài. 19 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN VẬT THỂ BAY KHÔNG NGƢỜI LÁI UAV 2.1. Các thông số kỹ thuật của UAV 2.1.1. Thông số kỹ thuật của vật liệu chế tạo UAV Các bộ phận của máy bay (UAV) đảm bảo các yêu cầu sau: Sải cánh (m) 1-2 Chiều dài thân (m) 0,8-1 Tải trọng (kg) 1,5-2 Hoạt động trong cấp gió 0- 6 Tầm cao(m) 150 Vận tốc (m/s) 10 Chọn máy bay mô hình skysurfer, số hiệu 7703AD, thương hiệu edomodel, do công ty Zhejiang, Trung Quốc sản xuất . Máy bay skysurfer có các thông số kỹ thuật như sau: +Hệ thống cánh, đuôi đứng, đuôi ngang và thân máy bay được làm từ vật liệu composit, riêng cánh được gia cố thêm bằng 1 thanh thép cacbon cường cứng chịu kéo nén cao. Do đó có thể coi như chất liệu của các phần trên là composit. Thông số kỹ thuật của loại composit và thép này như sau: Bảng 2.1: Thông số cơ học sợi composit (E glass fiber) Đặc tính Giá trị Đơn vị Độ bền kéo 3445 Mpa Cường độ nén 1080 Mpa Khối lượng riêng 2770 kg/m3 Độ nở vì nhiệt 5.4 mm/(moC) Nhiệt nóng chảy 846 20 o C