MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................ viii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 14
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG TIỆN BAY KHÔNG NGƯỜI
LÁI VÀ CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ..................................................... 19
1.1. Sơ lược quá trình phát triển và ứng dụng phương tiện bay không người
lái.................................................................................................................. 19
1.2. Các phương pháp truyền thống trong phát triển hệ thống điều khiển
UAV ............................................................................................................. 25
1.3. Phương pháp lai và công nghệ hướng đối tượng trong mô hình hóa hệ
thống điều khiển........................................................................................... 28
1.3.1. Hệ thống động lực lai và Automate lai .......................................... 28
1.3.2. Sử dụng công nghệ hướng đối tượng ............................................. 31
1.3.3. Kiến trúc hướng theo mô hình ....................................................... 33
1.4. Lựa chọn ứng dụng ............................................................................... 37
Kết luận chương ........................................................................................... 40
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN CỦA Q-UAV VỚI AUTOMATE LAI ................................... 42
2.1. Mô hình động lực học trong điều khiển Q-UAV.................................. 42
2.1.1. Mô hình động lực học tổng quát trong điều khiển UAV ............... 42
2.1.2. Mô hình động lực học trong điều khiển Q-UAV ........................... 44
2.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển của Q-UAV ........................................... 49
2.2.1. Kiến trúc điều khiển Q-UAV tự hành ............................................ 49

i


2.2.2. Sơ đồ khối chức năng thực thi của hệ thống điều khiển cho Q-UAV
.................................................................................................................. 50

2.2.3. Mô hình hệ thống điều khiển phi tuyến lai cho Q-UAV................ 52
2.3. Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển cho Q-UAV .......................... 54
2.3.1. Mô phỏng nhân quả ........................................................................ 55
2.3.2. Mô phỏng phi nhân quả .................................................................. 56
2.3.3. Sử dụng ngôn ngữ mô phỏng hệ thống .......................................... 57
2.3.4. Mô phỏng mô hình phân tích hệ thống .......................................... 58
Kết luận chương ........................................................................................... 69
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 ........................................................................................................... 71
3.1. Mô hình hóa và quy trình phát triển tái lặp trực quan cho hệ thống điều
khiển nhúng trong thời gian thực ................................................................. 71
3.1.1. Mô hình hóa trực quan ................................................................... 71
3.1.2. Quy trình phát triển tái lặp trực quan cho hệ thống điều khiển
nhúng trong thời gian thực ....................................................................... 74
3.2. Qui trình MDA tổng quát trong phát triển hệ thống điều khiển cho QUAV ............................................................................................................. 77
3.2.1. Lựa chọn MDA và RealTime UML ............................................... 77
3.2.2. Qui trình MDA thực thi cho hệ thống điều khiển Q-UAV ............ 78
3.3. Cụ thể hóa qui trình MDA thực thi trong thời gian thực cho hệ thống
điều khiển Q-UAV ....................................................................................... 80
3.3.1. CIM của hệ thống điều khiển Q-UAV ........................................... 80
3.3.2. PIM của hệ thống điều khiển Q-UAV............................................ 86
3.3.3. PSM của hệ thống điều khiển Q-UAV ........................................... 95
Kết luận chương ......................................................................................... 103
ii


CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Q-UAV .......................................................................................................... 104
4.1. Các tình huống thử nghiệm và đánh giá kết quả ................................ 104

4.2. Tích hợp thiết bị và quy trình khởi động hệ thống thử nghiệm.......... 104
4.2.1. Tích hợp các thiết bị thử nghiệm.................................................. 104
4.2.2. Quy trình khởi động hệ thống thử nghiệm ................................... 108
4.3. Tiến hành thử nghiệm và đánh giá hệ thống điều khiển Q-UAV ....... 110
4.3.1. Thử nghiệm và đánh giá các chế độ cất cánh, bay treo và hạ cánh tự
động ........................................................................................................ 110
4.3.2. Thử nghiệm và đánh giá bay tự động bám theo các quỹ đạo mong
muốn ....................................................................................................... 112
Kết luận chương ......................................................................................... 123
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................... 125
1. Kết luận .................................................................................................. 125
2. Kiến nghị................................................................................................ 126
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 127
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........ 134
PHỤ LỤC ...................................................................................................... 136
Phụ lục 1. Các mô hình, hàm chức năng cơ bản trong mô phỏng và thực thi
điều khiển cho ứng dụng Q-AUV .............................................................. 136
Phụ lục 2. Dữ liệu các thông số quỹ đạo và trạng thái của Q-UAV theo các
kịch bản thử nghiệm .................................................................................. 141

iii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Viết đầy đủ (tiếng Anh)

Ý nghĩa


viết tắt
BS

Backstepping

Phương thức điều khiển cấp
ngược

CIM

Computation Independent
Model

Mô hình độc lập với thao tác
tính toán

CFD

Computational Fluid

Động lực học tính toán dòng

Dynamics

DAE

Differential Algebraic
Equation

Phương trình đại số vi phân


DoF

Degree of Freedom

Bậc tự do

EKF

Extended Kalman Filter

Bộ lọc Kalman mở rộng

FB

Function Block

Khối chức năng trong IEC

GPS

Global Positioning

Hệ thống định vị toàn cầu

Systems

GUI

Graphical User Interface


Giao diện người dung đồ họa

HA

Hybrid Automata

Automate lai

HDS

Hybrid Dynamic System

Hệ thống động lực lai

HIL

Hardware-In-the-Loop

Mô phỏng phần cứng vật lý

IB

Integral Backstepping

IDE

Phương thức điều khiển tích
phân cấp ngược


Integrated Development
Environment

Môi trường phát triển tích hợp

IEC

International Electrotechnical Commission

Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế

IGCB

Instantaneous Global
Continuous Behavior

Ứng xử liên tục toàn cục tức thời

INCOSE

International Council on
Systems Engineering

IMU

Inertial Measurement Unit Thiết bị đo quán tính
iv

Hội đồng quốc tế về công nghệ
hệ thống



INS

Inertial Navigation
Systems

Hệ thống dẫn đường quán tính

LOS

Line-Of-Sight

Giải thuật bám đường LOS

LQ

Linear Quadratic

Phương thức điều khiển toàn
phương tuyến tính

MARTE

Modeling and Analysis of
Real Time and Embedded
systems

Mô hình hóa và phân tích các hệ
thống nhúng và thời gian thực


MDA

Model-Driven
Architecture

Kiến trúc hướng theo mô hình

MPC

Model Predictive Control

Điều khiển dự đoán mô hình

MUAV

Micro Unmanned Aerial
Vehicle

Máy bay siêu nhỏ không người
lái

MVC

Model-View-Controller
pattern

Mẫu mô hình-khung nhìn-điều

NED


North-East-Down

Hệ tọa độ gắn với trái đất

ODE

Ordinary Differential
Equation

Phương trình vi phân thường

OO

Object-Oriented

Hướng đối tượng

Proportional – Integral –

Bộ điều chỉnh khuếch đại tỷ lệ-

Derivative regulator

tích phân-vi phân

Platform Independent

Mô hình độc lập với nền công
nghệ


PID
PIM
PLC
PSM
Q-UAV
RealTime
UML

khiển

Model
Programmable Logic

Bộ điều khiển logic lập trình
được

Controller
Platform Specific Model
Quadrotor Unmanned

Mô hình gắn với nền công nghệ
cụ thể

Aerial Vehicle

Thiết bị bay không người lái
dạng 4 cánh quạt

Real Time Unified

Modeling Language

Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất
trong thời gian thực

v


RPY

Roll-Pitch-Yaw

ROPES

Rapid Object-Oriented
Process for Embedded
Systems

SMC

Sliding Mode Control

Điều khiển trượt

UML

Unified Modeling
Language

Ngôn ngữ mô hình hoá hợp nhất


VTOL
WP

Các góc Nghiêng-Chúc-Hướng
Qui trình hướng đối tượng cho
hệ thống nhúng

Vertical Take-Off and

Cất cánh và hạ cánh thẳng đứng

Landing

Điểm đường (điểm lộ trình)

Way-Point

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Các thông số vật lý cơ bản của ứng dụng Q-UAV

39

Bảng 2.1. Các tham số chuyển động của phương tiện bay

43


Bảng 2.2. Các thành phần lực và mô men tác động lên Q-UAV

45

Bảng 2.3. Liên kết HA với IB và PI cho hệ thống điều khiển Q-UAV

53

Bảng 3.1. Nguyên tắc tùy biến và tái sử dụng của các gói điều khiển
chính

94

Bảng PL1.1. Các thông số động lực học cơ bản của ứng dụng Q-UAV

137

Bảng PL2.1. Trường hợp 1- Bay theo quỹ đạo 4 điểm với góc mở lái
lớn nhất tại mỗi điểm là 90 độ với vận tốc là 2,5 m/s

141

Bảng PL2.2. Trường hợp 2 - Bay theo quỹ đạo 4 điểm với góc mở lái
lớn nhất tại mỗi điểm là 60 độ với vận tốc là 2,5 m/s

142

Bảng PL2.3. Trường hợp 3 - Bay theo quỹ đạo 4 điểm với góc mở lái
lớn nhất tại mỗi điểm là 60 độ với vận tốc là 3,5 m/s


143

Bảng PL2.4. Trường hợp 4 - Bay theo quỹ đạo 4 điểm với góc mở lái
lớn nhất tại mỗi điểm là 30 độ với vận tốc là 3,5 m/s

vii

144


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Hình ảnh ghi lại ứng dụng “chim bồ câu” bay vào năm 425
BC (a) và mẫu máy bay của Leonardo Da Vinci vào năm 1483 (b)

19

Hình 1.2. Hệ thống UAV đầu tiên: Aerial Torpedo (a) và Kettering
Bug (b)

20

Hình 1.3. UAV thập niên 1960s: Ryan Firebee (a) và Gyrodyne
DASH (b)

21

Hình 1.4. UAV thập niên 1970s: MBLE Epervier (a) và Westland
Wisp (b)


21

Hình 1.5. UAV thập niên 1980s: "Canadair CL-89" (a), "IAI Scout"
(b), "Tadiran Mastiff" (c) và "Pioneer" (d)

22

Hình 1.6. UAV thập niên 1990s: "Yamaha R50" phục vụ trong nông
nghiệp

22

Hình 1.7. UAV thập niên 2000s: "Predator B" (a) và "Reaper" (b)

23

Hình 1.8. FlyCam UAV “Align M690L” (a) và DJI “Phantom 3 Pro”
(b) sử dụng trong quay phim và truyền hình

24

Hình 1.9. Bộ giới hạn tín hiệu

30

Hình 1.10. Automate lai trong mô hình hóa ứng xử của bộ giới hạn
tín hiệu

30


Hình 1.11. Sự phân loại các mô hình chính trong MDA

34

Hình 1.12. Ví dụ về phát triển hướng theo mô hình

34

Hình 1.13. Ví dụ về CIM

35

Hình 1.14. Ví dụ về PIM dựa theo hình 1.12

35

Hình 1.15. Ví dụ về PSM dựa theo hình 1.13 với công nghệ J2EE

36

Hình 1.16. Mô tả phương và hướng di chuyển của Q-UAV

38

Hình 1.17. Mô hình thiết kế tổng quan về hình học của Q-UAV

39

Hình 1.18. Ví dụ về phân bố áp suất (a) và phân bố vận tốc cánh quạt


viii


(b)

39

Hình 2.1. Các tham số chuyển động của Q-UAV

44

Hình 2.2. Cấu trúc kết nối giữa điều khiển vị trí, độ cao và RPY

48

Hình 2.3. Sơ đồ khối điều khiển, định vị và dẫn đường của Q-UAV

49

Hình 2.4. Sơ đồ khối chức năng thực thi của hệ thống điều khiển cho
Q-UAV

51

Hình 2.5. Ví dụ sơ đồ chức năng thực thi mở rộng

52

Hình 2.6. Sơ đồ khối mô hình HIL cho Q-UAV


60

Hình 2.7. Giao diện theo dõi thông số điều khiển của Q-UAV trên
phần mềm Matlab-Simulink

61

Hình 2.8. Đồ thị đáp ứng góc điều khiển nghiêng

61

Hình 2.9. Đồ thị đáp ứng góc điều khiển chúc

61

Hình 2.10. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ xy - chỉ có
GPS

62

Hình 2.11. Đánh giá sai số quỹ đạo theo hệ trục toạ độ yz - chỉ có
GPS

63

Hình 2.12. Đánh giá sai số quỹ đạo theo hệ trục toạ độ xz - chỉ có
GPS

63


Hình 2.13. Đánh giá sai số quỹ đạo theo hệ trục toạ độ xyz - chỉ có
GPS

64

Hình 2.14. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ xy - chỉ có INS

64

Hình 2.15. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ yz - chỉ có INS

65

Hình 2.16. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ xz - chỉ có INS

65

Hình 2.17. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ xyz - chỉ có
INS

66

Hình 2.18. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ xy - có kết hợp
GPS/INS và EKF

66

ix



Hình 2.19. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ xz - có kết hợp
GPS/INS và EKF

67

Hình 2.20. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ yz - có kết hợp
GPS/INS và EKF

67

Hình 2.21. Đánh giá sai số quĩ đạo theo hệ trục toạ độ xyz - có kết
hợp GPS/INS và EKF

68

Hình 3.1. Qui trình phát triển tái lặp ROPES

75

Hình 3.2. Tổng quan về quy trình MDA trong thời gian thực cho hệ
thống điều khiển Q-UAV

79

Hình 3.3. Sơ đồ lớp UML thể hiện các chức năng chính của Q-UAV

81

Hình 3.4. Mô hình trường hợp sử dụng của Q-UAV


82

Hình 3.5. Kịch bản điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn

83

Hình 3.6. Máy trạng thái cục bộ của trường hợp sử dụng “Bám quỹ
đạo”

83

Hình 3.7. Máy trạng thái toàn cục của Q-UAV

84

Hình 3.8. Mẫu kết nối truyền đạt giữa các gói điều khiển chính của QUAV

88

Hình 3.9. Máy trạng thái của gói phần rời rạc

88

Hình 3.10. Máy trạng thái của gói IGCB

89

Hình 3.11. Sơ đồ tiến trình trong thời gian thực của 5 gói điều khiển
chính nhằm thực thi HA cho Q-UAV


91

Hình 3.12. Cấu trúc tĩnh của các gói điều khiển chính

92

Hình 3.13. Tương tác giữa các gói điều khiển chính cho một chu kỳ
lấy mẫu

93

Hình 3.14. Chuyển đổi mô hình PIM-PSM trong MDA

96

Hình 3.15. Chuyển đổi mô hình PIM-PSM cho hệ thống điều khiển
Q-UAV

97

x


Hình 3.16. Đáp ứng quá độ điều khiển cất cánh theo phương thẳng
đứng

99

Hình 3.17. Đáp ứng quá độ điều khiển di chuyển phương x trên mặt

ngang

100

Hình 3.18. Mẫu thiết kế và thực thi hướng đối tượng của HA cho QUAV

101

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

102

Hình 4.1. Sơ đồ khối tổng quan kết nối phần cứng và các thiết bị
ngoại vi

105

Hình 4.2. Thiết bị GPS và IMU được tích hợp trong thử nghiệm (a)
và bảng vi mạch MCU-STM32-Cortex M4 lập trình được (b)

106

Hình 4.3. Tích hợp vi mạch trên Q-UAV

107

Hình 4.4. Thiết bị điều khiển bằng tay Futaba T8FG

107


Hình 4.5. Bộ thu nhận tín hiệu trạng thái của Q-UAV

107

Hình 4.6. Màn hình hiển thị video thu được tại mặt đất và hiển thị
thông số

108

Hình 4.7. Pin và mạch sạc điện Cellpro

108

Hình 4.8. Động cơ T-motor và các thông số kỹ thuật

108

Hình 4.9. Giao diện phần mềm điều khiển và theo dõi trạng thái trên
máy tính

109

Hình 4.10. Ví dụ: Giao diện kiểm tra các tham số PID cho Q-UAV

110

Hình 4.11. Hình ảnh thử nghiệm và đánh giá các chế độ cất cánh, bay
treo và hạ cánh tự động


111

Hình 4.12. Giao diện cài đặt các chế độ an toàn cho Q-UAV

111

Hình 4.13. Đồ thị theo dõi trạng thái Q-UAV trên máy tính

112

Hình 4.14. Màn hình theo dõi và cài đặt các điểm đường (WP):

xi


trường hợp 1

113

Hình 4.15. Quỹ đạo di chuyển thực tế thu được của Q-UAV: trường
hợp 1

114

Hình 4.16. Quỹ đạo di chuyển mô phỏng của Q-UAV: trường hợp 1

114

Hình 4.17. Khoảng cách và thời gian di chuyển giữa các WP của QUAV: trường hợp 1


115

Hình 4.18. Đồ thị theo dõi giữa góc chúc điều khiển mong muốn và
thực tế: trường hợp 1

115

Hình 4.19. Đồ thị theo dõi giữa góc nghiêng điều khiển mong muốn
và thực tế: trường hợp 1

116

Hình 4.20. Màn hình theo dõi và cài đặt các điểm đường (WP):
trường hợp 2

116

Hình 4.21. Quỹ đạo di chuyển mô phỏng của Q-UAV: trường hợp 2

117

Hình 4.22. Khoảng cách và thời gian di chuyển giữa các WP của QUAV: trường hợp 2

117

Hình 4.23. Đồ thị theo dõi giữa góc chúc điều khiển mong muốn và
thực tế: trường hợp 2

118


Hình 4.24. Đồ thị theo dõi giữa góc nghiêng điều khiển mong muốn
và thực tế: trường hợp 2

118

Hình 4.25. Màn hình theo dõi và cài đặt các điểm đường (WP):
trường hợp 3

119

Hình 4.26. Quỹ đạo di chuyển mô phỏng của Q-UAV: trường hợp 3

119

Hình 4.27. Đồ thị theo dõi giữa góc chúc điều khiển mong muốn và
thực tế: trường hợp 3

120

Hình 4.28. Đồ thị theo dõi giữa góc nghiêng điều khiển mong muốn
và thực tế: trường hợp 3

120

Hình 4.29. Màn hình theo dõi và cài đặt các điểm đường (WP):
trường hợp 4

121

xii



Hình 4.30. Quỹ đạo di chuyển mô phỏng của Q-UAV: trường hợp 4

121

Hình 4.31. Đồ thị theo dõi giữa góc chúc điều khiển mong muốn và
thực tế: trường hợp 4

122

Hình 4.32. Đồ thị theo dõi giữa góc nghiêng điều khiển mong muốn

122

và thực tế: trường hợp 4
Hình PL1.1. Sơ đồ khối tổng quát mô phỏng Q-UAV với MatLabSimulink

136

Hình PL1.2. Các thành phần mô phỏng trong khối điều khiển Q-UAV
với MatLab-Simulink

136

Hình PL1.3. Các thành phần mô phỏng trong khối động lực học cho
điều khiển Q-UAV

137


Hình PL1.4. Kiểm tra mã chương trình chính của tất cả các mô đun
được biên dịch trước khi nạp vào vi xử lý MCU-STM32-Cortex M4

xiii

140


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 [9], [24], [45].
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) [7], [25], [68], [74] 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 [1].
14


Trong đó, loại UAV dạng nhiều cánh quạt mang (ví dụ: Q-UAV) 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 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 [1]. Đặc biệt, đối với địa hình của nước ta có bờ biển dài và nhiểu
rừng núi thì việc ứng dụng sản phẩm trên cho cả mục đích dân sự và quân sự
lại càng cấp thiết.
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 [1], [17], [73]; 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
15


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) [16], [33], [34], [50]. 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 [32], [33] 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
[35], [65].
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) [58] kết hợp với ngôn ngữ mô hình hóa hợp

nhất trong thời gian thực (RealTime UML/MARTE) [15], [21], [40], [56],
[63] 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,

16


đặc biệt các hệ thống điều khiển nhúng trong thời gian thực trong lĩnh vực
điều khiển công nghiệp khác nhau [2], [3], [22], [38], [48], [64].
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 [36]. 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 [57], [71], [75]. 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.
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 thực thi mới gần đây
nhất; có thể ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, như: dân sự, cứu hộ, cứu
nạn, an ninh và quốc phòng.
Cách tiếp cận của luận án dựa trên phương pháp thực thi điều khiển
hiện đại đã được ứng dụng trên nhiều hệ thống và thiết bị Cơ điện tử - Điều
17


khiển; các kết quả nghiên cứu được tính toán theo lý thuyết và mô phỏng trên
máy tính bằng các phần mền chuyên dụng cũng như triển khai kiểm thử thông
qua thực nghiệm. Tuy nhiên, đây là lần đầu tiên được nghiên cứu và ứng dụng
và thử nghiệm trên thiết bị bay tự hành và cho một Q-UAV do NCS tự tính
toán, thiết kế, lắp đặt và chế tạo tại Việt nam.
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.

18


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
Mặc dù có rất nhiều người tin rằng UAV là một phát minh mới trong
hai hoặc ba thập kỷ gần đây, nhưng các thiết bị bay không người lái có một
lịch sử phong phú bắt đầu từ thời cổ đại [73]. Tất nhiên, các hệ thống và thiết
bị bay đầu tiên có thể có đủ điều kiện hội tụ với các khái niệm hiện đại của
UAV gần đây chủ yếu liên quan đến những chiếc máy bay trinh sát được phát
triển và triển khai trong chiến tranh lạnh. Ngày nay, các hệ thống UAV đã
được phát triển và mở rộng sang các dạng thiết kế khác nhau và được ứng
dụng rộng rãi như UAV dạng nhiều cánh quạt, dạng mô phỏng theo sinh học
và khinh khí cầu bên cạnh các dạng có cánh cố định và trực thăng truyền
thống. Chúng cũng đã đóng những vai trò mới ngoài lĩnh vực quân sự, ví dụ:
việc theo dõi thời tiết, kiểm tra cơ sở hạ tầng và tham gia cứu hộ [17], [73].

Hình 1.1. Hình ảnh ghi lại ứng dụng “chim bồ câu” bay [72] vào năm 425 BC
(a) và mẫu máy bay của Leonardo Da Vinci vào năm 1483 [52] (b)

Khoảng từ những năm 425 đến 400 BC tại Hy Lạp và Trung Quốc đã
xuất hiện những ý tưởng chế tạo thiết bị bay không người lái. Hình 1.1a ghi
lại ứng dụng về “chim bồ câu bay” được chế tạo bằng gỗ vào năm 425 BC và
bay được khoảng 200m [72]. Năm 1483, Leonardo Da Vinci đã thiết kế một
19


mẫu thiết bị bay không người lái có khả năng bay lơ lửng trên không (hình
1.1b); nó là một mẫu cội nguồn của các loại máy bay trực thăng sau này.
Nhiều thiết bị bay đã được thiết kế giữa năm 1860 và năm 1909, ban
đầu tập trung vào cất cánh và hạ cánh thẳng đứng do các hạn chế của động cơ
hơi nước được sử dụng vào thời điểm đó. Khi công suất của động cơ được cải
thiện, các thiết bị bay này đã được chuyển sang dạng thiết kế như máy bay
trực thăng và máy bay cánh cố định được sử dụng ngày nay. Các UAV đầu
tiên được phát triển với tầm hoạt động xa và được trang bị vũ khí và được coi
là tiền thân của tên lửa hành trình, như: năm 1917, Hải quân Mỹ đã sử dụng
một loại máy bay ném bom không người lái "Aerial Torpedo" (hình 1.2a), có
hai lớp cánh được làm bằng gỗ, khối lượng 270kg và được trang bị một động
cơ 40 mã lực từ hãng Ford; "Kettering Bug" (hình 1.2b) là một loại phương
tiện bay không người lái cánh kép tương tự "Aerial Torpedo" nhưng nhẹ hơn
và mang tải trọng nổ 82 kg được sử dụng bởi quân đội Mỹ vào năm 1918.

Hình 1.2. Hệ thống UAV đầu tiên: Aerial Torpedo (a) và Kettering Bug (b)
Trong thập niên 1960, UAV bắt đầu được sử dụng cho mục đích do
thám trên lãnh thổ đối phương, ví dụ: "Ryan Firebee" (hình 1.3a) là loại UAV
có trang bị camera dùng để tiến hành theo chụp và theo dõi địa hình; máy bay
trực thăng không người lái "Gyrodyne DASH" (hình 1.3b) đã được thiết kế
đặc biệt mang ngư lôi tấn công tàu ngầm đối phương. Tiếp theo, UAV đã
được phát triển tiên tiến hơn cho các tác vụ trinh sát và giám sát tinh vi vào
thập niên 1970. Ngoài ra, các đặc tính về độ bền, an toàn và thời gian tự hành

đã trở thành nghiên cứu chính khi phát triển UAV bởi áp lực chiến tranh lạnh,
20


như: "MBLE Epervier" (hình 1.4a) được phát triển ở Bỉ, có một động cơ phản
lực loại nhỏ, hệ thống lái tự động được lập trình sẵn, camera ánh sang ban
ngày và quét hồng ngoại. UAV dạng cất cánh và hạ cánh thẳng đứng (VTOL)
cũng được phát triển trong những năm này, nhưng phạm vi hoạt động của
chúng hẹp hơn, như: "Westland Wisp" (hình 1.4b) là máy bay lên thẳng đối
xứng và mang camera để gửi hình ảnh và dữ liệu theo thời gian thực cho các
nhà phân tích và điều hành; nó có lợi thế đặc biệt khi mà lơ lửng để thực hiện
tác vụ giám sát.

Hình 1.3. UAV thập niên 1960s: Ryan Firebee (a) và Gyrodyne DASH (b)

Hình 1.4. UAV thập niên 1970s: MBLE Epervier (a) và Westland Wisp (b)
Trong thập niên 1980, các hệ thống UAV giám sát và định vị càng trở
nên tiên tiến, như: "Canadair CL-89" (hình 1.5a) được sử dụng để cung cấp
thông tin tình báo trực quan không theo thời gian thực của lãnh thổ đối
phương trong bán kính hoạt động của 70 km. Hệ thống dẫn đường và định vị
của UAV này đã được thực thi bằng một chương trình điều khiển cài đặt sẵn
trên thiết bị lái tự động được hỗ trợ bởi cảm biến hướng, tốc độ và độ cao.
Các phiên bản sau của "Canadair CL-89" đã đạt được truyền hình ảnh và dữ
liệu thời gian thực và có hỗ trợ bởi hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Ngành
công nghiệp hàng không Do Thái đã phát triển "IAI Scout" UAV (hình 1.5b);
nó là loại máy bay động cơ-piston với sải cánh dài 4,0m được làm bằng sợi
21


thủy tinh. Scout UAV có thể truyền tải được dữ liệu thời gian thực, giám sát

360o thông qua một máy ảnh đa hướng trong tháp trung tâm của nó. Cùng cấu
hình tương tự với Scout UAV, "Tadiran Mastiff" (hình 1.5c) đã được cải tiến
thành "Pioneer" (hình 1.5d) và đã phục vụ trong quân đội Do Thái và Mỹ cho
đến giữa thập niên 2000.

Hình 1.5. UAV thập niên 1980s: "Canadair CL-89" (a), "IAI Scout" (b),
"Tadiran Mastiff" (c) và "Pioneer" (d)
Trong thập niên 1990, với khả năng định vị chính xác của GPS kết hợp
với kỹ thuật tính toán mềm trên máy vi tính, một thành tựu quan trọng trong
thập kỷ này là sự xuất hiện những sản phẩm tiên phong với quy mô lớn về
UAV dạng cánh quạt "Yamaha R50" và phiên bản cải tiến của nó "R.Max"
(hình 1.6) từ Nhật Bản. Sản phẩm này đã được sử dụng trong lĩnh vực nông
nghiệp và đã thành công trong việc tìm kiếm một thị trường thích hợp mà ở
đó cơ quan quản lý cho phép nó được hoạt động.

Hình 1.6. UAV thập niên 1990s: "Yamaha R50" phục vụ trong nông nghiệp

22


Đầu thập niên 2000, UAV đã được sử dụng nhiều trong lĩnh vực quân
sự, như: "Predator B" (hình 1.7a) có thời gian hoạt động lâu hơn hẳn so với
UAV đã phát triển trong thập kỷ trước đó. Tiếp theo, UAV được trang bị vũ
khí trong khi thực hiện nhiệm vụ do thám quân sự. Đây là một biến thể của
"Predator B" còn được gọi là "Reaper" UAV (hình 1.7b), nếu được kích hoạt
đáp ứng thì nó sẽ chuyển ngay lập tức sang tình trạng tấn công mục tiêu nếu
cần thiết.

Hình 1.7. UAV thập niên 2000s: "Predator B" (a) và "Reaper" (b)
Bắt đầu từ năm 2010, UAV đã được sử dụng tương đối phổ biến cho

các tác vụ dân sự, đặc biệt là "R.Max" UAV vẫn được coi là một trong những
ứng dụng quan trọng nhất. Với sự phát triển công nghệ điện tử và thông tin
hiện nay cho phép nâng cao hiệu quả ứng dụng các hệ thống UAV hiện tại
trong lĩnh vực dân sự, như:
- Ghi hình và quay phim: nhằm thu thập thông tin, khảo sát địa chất,
khảo cổ học và lập bản đồ.
- An ninh: tham gia kiểm tra an ninh đường ống dẫn, đường dây điện,
chống thiên tai, tìm kiếm cứu hộ và cứu nạn, giám sát giao thông và bờ biển,
giám sát đối với hàng nhập khẩu bất hợp pháp và kiểm soát sự cố.
- Môi trường: tham gia phát hiện cháy rừng, giám sát ô nhiễm và kiểm
soát, lấy mẫu và phân tích khí quyển để dự báo và bảo vệ thủy sản.
- Nghiên cứu khoa học: lấy dữ liệu từ vị trí nguy hiểm hoặc từ xa.
- Nông nghiệp: giám sát nông nghiệp, phun thuốc bảo vệ và chăm sóc
thực vật.
23


Hiện nay, loại UAV dạng nhiều cánh quạt mang (ví dụ: Q-UAV) 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. Trên thực tế, nhiều doanh nghiệp trên thế giới (ví dụ: DJI [20],
FlyCam [26], Yamaha [78]) đã phát triển và thương mại hóa UAV dạng nhiều
cánh quạt mang này phục vụ trong các lĩnh vực thuộc dân sự, như: ghi hình và
quay phim, môi trường, nông nghiệp và công nghiệp. Hình 1.8a và Hình1.8b
lần lượt thể hiện sản phẩm loại UAV dạng nhiều cánh quạt mang “Align
M690L” của hãng FlyCam [26] và “Phantom 3 Pro” của hãng DJI [20] được
sử dụng trong quay phim và truyền hình ảnh phục vụ trong ngành công
nghiệp giải trí.


Hình 1.8. FlyCam UAV “Align M690L” (a) và DJI “Phantom 3 Pro” (b) sử
dụng trong quay phim và truyền hình
Hơn thế nữa, các nhà khoa học kết hợp với các doanh nghiệp đã và
đang nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lượng mới như năng lượng mặt
trời hay nạp năng lượng bằng chùm tia Laser nhằm tăng thời gian hoạt động
cho các loại UAV. Lý tưởng nhất là các UAV hoạt động bằng năng lượng mặt
trời có thời gian bay vô hạn (tự tích lũy năng lượng khi có ánh sáng mặt trời
để dùng khi không có ánh sáng mặt trời); nếu điều đó xảy ra, các UAV này có
thể coi như là những vệ tinh hoạt động tầm thấp có chi phí rất thấp so với vệ
tinh hiện nay [73].
24


1.2. Các phương pháp truyền thống trong phát triển hệ thống điều khiển
UAV
Hiện tại đã có nhiều phương thức điều khiển truyền thống khác nhau
kết hợp với các kỹ thuật tính toán mềm nhằm tối ưu hệ thống điều khiển của
UAV và đảm bảo cho UAV hoạt theo các nhiệm vụ được xác định trong kế
hoạch tác vụ. Giải thuật PID [41] đã được sử dụng thành công để điều khiển
các loại hệ thống và thiết bị khác nhau bao gồm cả các phương tiện tự hành,
như: sử dụng bộ điều khiển PID để khảo sát việc ổn định và cân bằng tải
trọng vật mang cho các máy bay siêu nhỏ không người lái từ đó xác định các
giới hạn về tải trọng và sự mất căn bằng trọng tâm đối với các máy bay siêu
nhỏ không người lái [60]; hoặc sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển cho
Q-UAV [62] ổn định cân bằng các trạng thái RPY. Trong [11] đã giới thiệu
bộ điều chỉnh PID truyền thống trong điều khiển Q-UAV tự hạ cánh bám theo
xe đẩy di động; các thí nghiệm trên mô hình cho thấy rằng hệ thống điều
khiển được triển khai một cách đơn giản và chi phí thấp.
Tuy nhiên, PID không phải có hiệu quả tốt trong việc xử lý các tình

huống khi mà UAV có mô hình động lực phi tuyến; do đó, nó thường được sử
dụng cho UAV đơn giản và hoạt động trong môi trường mà không có hoặc ít
nhiễu loạn bên ngoài. Một giải thuật thay thế được gọi là điều khiển trượt
(SMC) [41], [81] đã được chứng minh hiệu quả hơn khi xử lý mô hình động
lực học phi tuyến với nhiễu loạn phi tuyến. SMC là một cách tiếp cận điều
khiển phi tuyến, mà ở đó sử dụng các giải thuật chuyển đổi phi tuyến để có
được một đáp ứng quá độ nhanh nhằm giữ trạng thái ổn định cho hệ thống.
Một phương pháp dựa trên SMC bậc hai [82] đã được đề xuất để thiết kế bộ
điều khiển cho Q-UAV, nhằm giải quyết các chuyển mạch trượt thiết kế đa
dạng và việc lựa chọn các hệ số phi tuyến của chúng thông qua việc sử dụng
các hệ thống con có kết hợp với tiêu chuẩn ổn định Hurwitz. Trên thực tế có
hai biến thể SMC tách cặp và ghép cặp, chúng được sử dụng tùy theo mức độ
phức tạp của mô hình động lực học điều khiển của UAV.
25