Xem mẫu
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP DẪN, ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
HẠ CÁNH CHO UAV-MiG-21
Lê Ngọc Lân1*, Nguyễn Vũ2, Hoàng Minh Đắc1
Tóm tắt: Bài báo đề cập đến quá trình tự động hạ cánh cho máy bay MiG-21 khi
thực hiện hoán cải thành UAV-MiG-21. Nội dung nghiên cứu đề xuất một phương
pháp xây dựng quỹ đạo hạ cánh mới cho MiG-21 khi thực hiện hoán cải thành
UAV-MiG-21 trong gian đoạn tiếp cận hạ cánh và hạ cánh trực tiếp trong kênh dọc
và kiểm tra khả năng thực hiện bám quỹ đạo hạ cánh tự động của UAV-MiG-21.
Phương pháp mới đảm bảo máy bay hạ cánh tiếp đất với tốc độ rơi xuống (tốc độ
thẳng đứng) nhỏ mà vẫn đảm bảo không kéo dài quãng đường kéo bằng. Kết quả
mô phỏng cho thấy phương pháp dẫn mới tốt hơn với với phương pháp bám theo
quỹ đạo hàm mũ thường được sử dụng trước đây.
Từ khóa: Hạ cánh trực tiếp; Phương pháp dẫn tự động hạ cánh; MiG-21.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay phương tiện bay không người lái (UAV) đang là xu hướng phát triển
của nhiều nước, chúng được ứng dụng rộng rải trong dân sự đặc biệt là quân sự.
Trong các xu hướng phát triển đó xu hướng hoán cải máy bay chiến đấu thành máy
bay không người lái đã được nhiều nước quan tâm và thực hiện thành công. Trong
các nội dung thực hiện nghiên cứu phương tiện bay không người lái, vấn đề nghiên
cứu tự động quá trình cất/hạ cánh là những nội dung không thể thiếu, đặc biệt là
quá trình hạ cánh.
Quá trình hạ cánh là một quá trình phức tạp ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn
bay và là một trong những quá trình xảy ra nhiều sự cố mất an toàn nhất. Trong
quá trình hạ cánh giai đoạn hạ cánh trực tiếp là giai đoạn phức tạp tiềm ẩn nhiều
nguy cơ mất an toàn. Giai đoạn hạ cánh trực tiếp, bài toán thông thường được phân
ra làm 2 kênh là kênh chuyển động dọc và kênh chuyển động cạnh. Trong chuyển
động cạnh bài toán được quan tâm giải quyết vần đề hạ cánh khi có gió cạnh; bài
toán chuyển động dọc quan tâm đến vị trí, trạng thái và đặc biệt là tốc độ rơi xuống
VzTD của máy bay khi tiếp đất. Tốc độ rơi xuống tiếp đất ảnh hưởng lớn và là tham
số quan trọng ảnh hưởng đến an toàn khi thực hiện hạ cánh trong kênh dọc.
Hiện nay có nhiều nghiên cứu về hạ cánh tự động cho UAV và máy bay trong
gian đoạn hạ cánh trực tiếp trong kênh dọc, các nghiên cứu đã thực hiện bám theo
quỹ đạo hàm mũ [1], [2], [3], [4]. Khi thực hiện theo quỹ đạo hàm mũ để giảm giá
trị tốc độ rơi xuống thì cần tăng quãng đường bay tiếp cận đường băng khi hạ cánh
[1]. Do đó trong bài báo của tác giả sẽ đề xuất một dạng quỹ đạo hạ cánh mới, máy
bay sẽ thực hiện bám theo hai quỹ đạo cong nối tiếp nhau, khi hạ cánh máy bay có
tốc độ rơi xuống nhỏ mà vẫn đảm bảo được quãng đường hạ cánh ngắn.
Trong phần 2 của bài báo trình bày tổng quan các giai đoạn hạ cánh và xây
dựng quỹ đạo hạ cánh cho UAV-MiG-21 trong không gian. Phần 3 đi vào xây
dựng thuật dẫn và điều khiển máy bay hạ cánh trong gian đoạn tiếp cận và hạ cánh
trực tiếp, trong đó tập trung vào bài toán cơ động hạ cánh trong mặt phẳng thẳng
đứng (kênh dọc). Phần 4 là các kết quả mô phỏng khi sử dụng mô hình máy bay
MiG-21 [7] để khảo sát, nhận xét, đánh giá. Phần 5 là kết luận đánh giá những
điểm mới và những điểm cần nghiên cứu trong thời gian tới.
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 143
- Tên lửa & Thiết bị bay
2. CÁC GIAI ĐOẠN VÀ XÂY DỰNG QUỸ ĐẠO CƠ ĐỘNG HẠ CÁNH
2.1. Các giai đoạn hạ cánh
- Giai đoạn 1: Dẫn máy bay đến khu vực cách sân bay khoảng 200250km,
điểm dẫn cho trước là vị trí đài dẫn đường gần.
- Giai đoạn 2: Giai đoạn này được gọi là giai đoạn xuyên mây, được tính từ
khi máy bay nằm trong trong khu vực quét của đài vô tuyến dẫn đường gần, máy
bay hạ độ cao xuống điểm A nằm trên đường hạ cánh chuẩn, cách đầu đường băng
21km; hoặc các điểm lệch phải và lệch trái so với điểm A là 8km.
- Giai đoan 3: là giai đoạn cơ động vào hạ cánh, quỹ đạo cơ động từ cuối quá
trình xuyên mây đến trục của đường băng để tiến hành giai đoạn hạ cánh. Khi độ
cao và cự ly phù hợp khi đến trục của đầu đường băng thì mới thực hiện giai đoạn
4 (nếu không sẽ vòng lại hạ cánh).
- Giai đoạn 4: Giai đoạn hạ cánh, quỹ đạo thực hiện được thiết lập trên cơ sở
đường giao của 2 cánh sóng đài tầm và đài hướng. Mặt phẳng của 2 cánh sóng sẽ
tạo ra đường hạ cánh chuẩn với góc nghiêng quỹ đạo của đường hạ cánh chuẩn là
2.5040, giai đoạn này máy bay sẽ sử dụng các tín hiệu lệch tầm và lệch hướng.
Giai đoạn hạ theo đường hạ cánh chuẩn thường kết thúc ở độ cao khoảng
3060m (đối với các sân bay của ta hiện nay theo chuẩn CAT II, với các sân bay
hiện đại có chuẩn CATIIIA: h
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
đường băng 1145m). Bắt đầu thực hiện quá trình hạ cánh với bám hai quỹ đạo
đường cong tròn thứ nhất để đưa góc nghiêng quỹ đạo từ 30 lên ngóc nghiêng quỹ
đạo mong muốn ở tại điểm H0 có độ cao h0=30m, tại H0 là điểm chuyển tiếp giữa
hai đường cong tròn, máy bay sẽ thực hiện bám theo đường cong tròn thứ hai cho
đến khi tiếp đất. Máy bay tiếp đất với quỹ đạo cong tròn-trượt (bám theo tham số
góc nghiêng quỹ đạo phụ thuộc vào độ cao của máy bay không cần chính xác theo
vị trí của đường cong) đảm bảo máy bay tiếp đất tại vị trí là lân cận với tiếp tuyến
của đường quỹ đạo cong. Tốc độ tiếp đất tính toán Va=290km/h (
- Tên lửa & Thiết bị bay
Trong giai đoạn tiếp theo, xây dựng thuật dẫn bám theo quỹ đạo cong trong
mặt phẳng thẳng đứng từ độ cao HГ đến khi tiếp đất. Từ độ cao HГ máy bay sẽ bám
theo quỹ đạo đường cong tròn thừ nhất (được thể hiện trên hình 2a) nhằm để đưa
góc nghiêng quỹ đạo của máy bay từ γГ về góc nghiêng quỹ đạo γ0; máy bay sẽ từ
điểm H0 tiếp tục bám theo quỹ đạo cong tròn thứ 2 (thể hiện trên hình 2b) đến khi
tiếp đất. Khi bám theo quỹ đạo này chỉ bám theo tham số góc nghiêng quỹ đạo (là
hàm của độ cao máy bay), khi máy bay trượt xuống vì lý do nào đó (nhiễu động,
…) vị trí không nằm với vị trí đường cong tròn ban đầu thì sẽ tiếp tục trượt với
đường cong tròn mới; điều này sẽ giúp máy bay không cố ép tiếp đất tới một điểm
cố định, đảm bảo máy bay hạ cánh có điểm tiếp đất lân cận tiếp điểm của đường
cong với sân bay, giúp máy bay đảm bảo tốc độ thẳng đứng khi tiếp đất nhỏ.
γГ HГ
h γ0- γГ O0 Oi
H0 H0 R Hi R-h0
γ0 I0 P R
γ0
R0 h0 h0
γf0 x1
O1
LF T0 Ti
LГ L0 Đường băng
z1
a) b)
Hình 2. Xây dựng quỹ đạo giai đoạn tiếp cận hạ cánh và hạ cánh trực tiếp.
Xây dựng quỹ đạo cơ động hạ cánh cho giai đoạn này, tiến hành tính toán bắt
đầu cho đường cong tròn trượt (hình 2b). Điểm H0 là điểm bắt đầu giai đoạn bám
quỹ đạo cong tròn (thứ 2), điểm T0 (0, 30330, 0) là điểm tiếp đất chuẩn tuyệt đối
(cách đầu đường băng là 330m), máy bay sẽ bám theo đường cong có tâm O0 bán
kính R, khi máy bay ở vị trí P không nằm trên đường cong tâm O0 thì máy bay sẽ
bám theo đường cong mới tâm Oi bán kính R và điểm tiếp đất là Ti.
Ta có các tham số được xác định như sau:
R 2 L2i ( R hi ) 2 (1)
L2i hi2
R (2)
2.hi
Góc nghiêng quỹ đạo mong muốn:
R hi
com i arccos( ) (3)
R
Bán kính R được xác định trên cơ sở đường hạ cánh chuẩn của máy bay MiG-
21, ở độ cao 10m cách đầu đường băng khoảng 80÷150m bắt đầu tiến hành giai
đoạn hạ cánh trực tiếp (cách điểm tiếp đất chuẩn là khoảng 410÷480m). Từ độ cao
h=10, chọn khoảng hạ cánh ở độ cao này là L=409m, có R=8369m.
R sẽ là bán kính trượt xuống của quỹ đạo hạ cánh trực tiếp. Ta cần xây dựng
146 L. N. Lân, N. Vũ, H. M. Đắc, “Xây dựng phương pháp dẫn … cho UAV-MiG-21.”
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
với độ cao h0 (từ điểm H0). Ta có:
R h0
0 arccos( ) (4)
R
L0 R 2 ( R h0 ) 2 (5)
H 0 ( LF L0 , h0 ) (6)
T0 ( L0 LF ,0) (7)
Với L=409, R=8369m khi h0=30m, ta có L0=708, γ0=4.8530.
Để quỹ đạo được mượt thì cần xây dựng quỹ đạo bay từ quỹ đạo bám đường
tầm hạ cánh đến quỹ đạo đường tròn trượt để hạ cánh trực tiếp, quỹ đạo này sẽ
bám theo một cung tròn bán kính R0; đưa góc nghiêng quỹ đạo bám theo đường
tầm hạ cánh đến góc nghiêng quỹ đạo bắt đầu tiến hành bám theo quỹ đạo đường
tròn trượt. Quỹ đạo được xây dựng trên hình 2a, ta có:
h0
R0 (8)
0 0
2.sin( ).sin( )
2 2
h h h0 (9)
hi hplane h0 (10)
hi
Li (11)
i 0
tan( )
2
hi
com arccos( cos( 0 )) (12)
i
R0
Với h0=30m, γ0=4.8530, γ=30, R0=13550m, LГ=437m.
Từ góc nghiêng quỹ đạo mong muốn ( com ), áp dụng các luật điều khiển góc
nghiêng quỹ đạo thực hiện điều khiển máy bay hạ cánh theo quỹ đạo mong muốn.
Lệnh điều khiển vào cánh lái lên xuống theo góc nghiêng quỹ đạo là:
e K .( com ) K .( com ) y .q KVa .Va K .( desired ) (13)
Khi thực hiện bám theo quỹ đạo đường cong thì từ điểm H (h=60) bám theo
các cung tròn trượt để bay xuống thì điểm tiếp đất sẽ cách H là:
LГ+L0=437+708=1145m. Độ cao H=60m với góc nghiêng quỹ đạo đường hạ cánh
chuẩn là 30 khoảng cách đến điểm hạ cánh chuẩn T0 là: L=60/tan(30)=1145m. Như
vậy với tính toán này thì điểm hạ cánh sẽ tại điểm chuẩn hạ cánh.
4. MÔ PHỎNG, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Trong phần này tiến hành mô phỏng dựa trên mô hình phi tuyến của MiG-21
[7], sử dụng hệ tọa độ mặt đất NED (Bắc-Đông-Hướng Xuống). Điều kiện tiến
hành mô phỏng: máy bay ban đầu tại điểm có tọa độ (x=0m, y=0m, h=1000m), tốc
độ là 500km/h, hướng bay ban đầu là hướng Bắc. Máy bay sử dụng bộ điều khiển
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 147
- Tên lửa & Thiết bị bay
tốc độ PI, với tốc độ đặt khi hạ cánh phụ thuộc vào tham số độ cao. Trong quá
trình bay vào hạ cánh tốc độ đặt là 500km/h.
Bộ điều khiển tay ga (bộ điều khiển tay ga được lựa chọn tham số qua mô
phỏng):
t
t K pt .u K it u ( )d t _ min (14)
0
Trong đó u = Va - Va_desired
Va_desired Vmin KVa .h với h500m (16)
Sân bay được đặt với đầu đường cất hạ cánh có tọa độ (xSB =0, ySB =30000m,
hSB =0); hướng cất/hạ cánh là 900.
Tiến hành mô phỏng quá trình hạ cánh áp dụng theo thuật dẫn mới, được trình
bày ở trên. Kết quả mô phỏng được thể hiện trên hình 3 và hình 4.
a) b)
Hình 3. Quỹ đạo chuyển động của UAV-MiG-21 trong không gian 3D khi thực
hiện tự động hạ cánh và trên mặt phẳng xOz (giai đoạn hạ cánh trực tiếp).
Trên hình 3a đường màu xanh (1) là quỹ đạo chuyển động khi từ điểm tọa độ
(x=0m, y=0m, h=1000m) lượn vòng bám vào đường hạ cánh chuẩn màu nâu (3) và
cơ động hạ cánh xuống đường băng; đường màu vàng (2) là hình chiếu của máy
bay lên mặt đất (mặt phẳng xOy). Hình 3b cho thấy quỹ đạo hạ cánh trong giai
đoạn hạ cánh trực tiếp (kênh dọc). Quỹ đạo hạ cánh của máy bay cho thấy máy bay
đã tự động bám tốt theo đường chuẩn hạ cánh và hạ cánh đúng đầu đường băng với
điểm tiếp đất nằm có tọa độ (0, 30336, 0). Như vậy, điểm tiếp đất lệch so với tính
toán là 6m, đảm bảo nằm trong vùng hạ cánh chuẩn, có quãng đường hạ cánh từ độ
cao h=15 đến khi chạm đất là L15=541m. Đối với máy bay Cessna 402C là
L15=530, tốc độ VzTD 0.8m / s [4].
Trên hình 4 là các tham số của máy bay trong quá trình tự động hạ cánh.
Trong hình 4 theo thứ tự từ trái qua phải, từ trên xuống dưới lần lượt là các tham
số: góc α, góc β, độ cao, độ cao (giai đoạn tiếp cận và hạ cánh trực tiếp), góc
nghiêng, góc chúc ngóc, góc hướng, tốc độ Va, góc cánh lái lên xuống, góc
nghiêng quỹ đạo yêu cầu (giai đoạn tiếp cận và hạ cánh trực tiếp), góc nghiêng quỹ
148 L. N. Lân, N. Vũ, H. M. Đắc, “Xây dựng phương pháp dẫn … cho UAV-MiG-21.”
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
đạo trong quá trình cơ động hạ cánh, góc nghiêng quỹ đạo (giai đoạn tiếp cận và hạ
cánh trực tiếp), tốc độ lên xuống Vz (tốc độ rơi xuống), vị trí máy bay trên trục Oy
(giai đoạn tiếp đất).
Hình 4. Các tham số của UAV-MiG-21 khi thực hiện tự động hạ cánh.
Trên hình 4 tham số góc nghiêng, góc hướng và độ cao thể hiện máy bay bám
quỹ đạo hạ cánh chuẩn tốt và bay ổn định. Tham số góc nghiêng quỹ đạo cho thấy
bộ điều khiển cơ bản đã điều khiển máy bay có tham số góc nghiêng quỹ đạo bám
theo góc nghiêng quỹ đạo mong muốn (trong gian đoạn tiếp cận và hạ cánh trực
tiếp). Kết thúc quá trình hạ cánh máy bay tiếp đất với vận tốc độ hạ cánh
Va=290km/h, tốc độ lên xuống VzTD 0.25m / s , góc alpha 90 , góc chúc ngóc
90 , các tham số này đảm bảo hạ cánh an toàn (đối với MiG-21 hạ cánh với
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 149
- Tên lửa & Thiết bị bay
Va=260320km/h, VzTD 1m / s , góc chúc ngóc và góc tấn trong khoảng (6180) tốt
là (9130)[6]).
Thực hiện mô phỏng đối với mô hình và bộ điều khiển trên, nhưng theo luật
dẫn theo quỹ đạo hàm mũ; kết quả mô phỏng được thể hiện trên hình 5 và hình 6.
Trên hình 5a là quỹ đạo của máy bay trong không gian 3D và hình 5b độ cao
trong gian đoạn hạ cánh trực tiếp; trên hình 6 là tham số tốc độ rơi xuống và vị trí
máy bay trên trục Oy trong gian đoạn cuối quá trình hạ cánh của UAV-MiG-21 khi
thực hiện hạ cánh theo quỹ đạo hàm mũ. Kết quả cho thấy máy bay thực hiện đúng
tâm đường trục dọc đường băng, tọa độ hạ cánh là (0, 30339, 0), tốc độ thẳng đứng
khi hạ cánh là VzTD 0.9m / s .
a) b)
Hình 5. Quỹ đạo chuyển động của UAV-MiG-21 trong không gian 3D khi thực
hiện tự động hạ cánh và trên mặt phẳng xOz (theo hàm mũ).
Hình 6. Tham số tốc độ thẳng đứng và vị trí máy bay trên trục Oy giai đoạn tiếp
đất của UAV-MiG-21 khi thực hiện tự động hạ cánh theo hàm mũ.
Qua kết quả mô phỏng cho thấy UAV-MiG-21 khi thực hiện quỹ đạo hạ cánh
với phương pháp dẫn mới phương tiện bay đảm bảo hạ cánh tốt; có tốc độ rơi
xuống nhỏ (Vz
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
khiển đảm bảo hạ cánh an toàn (với các tham số trong quá trình hạ cánh đảm bảo
tốt), trong đó tốc độ rơi xuống khi tiếp đất nhỏ và quãng đường kéo bằng khi hạ
cánh ngắn. Kết quả nghiên cứu giúp phần đóng góp vào hiện thực hóa biến MiG-
21 thành UAV, ngoài ra thuật dẫn mới có thể áp dụng cho các máy bay và UAV
khác. Vấn đề nghiên cứu đặt ra cần nghiên cứu bổ sung điều khiển hạ cánh theo
kênh ngang khi có gió cạnh và áp dụng các thuật toán hiện đại vào để điều khiển
trong quá trình hạ cánh để có kết quả hạ cánh tốt nhất. Ngoài ra với bài toán hạ
cánh vấn đề điều khiển từ khi tiếp đất đến khi máy bay dừng cũng là bài toán cần
được nghiên cứu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. С. Л. “Белогородский автоматизация управление посадкой самолета”,
Издательство Транспорт, Москва, 1972.
[2]. Hyoung Sik CHOI, Sangjong LEE, Jangho LEE, Eung Tai KIM, Hyunchul
SHIM, “Aircraft Longitudinal Auto-landing Guidance Law Using Time
Delay Control Scheme”, Transactions of the Japan Society for Aeronautical
and Space Sciences, Vol. 53, No. 181, pp. 207–214, 2010.
[3]. Mihai Lungu, Romulus Lungu, “Application Of H2/H∞ Technique To
Aircraft Landing Control”, Volume17, Issue6, Pages 2153-2164, Nov. 2015.
[4]. PIotr MaSłoWSkI, “Longitudinal motion control for flare phase of landing”,
Transaction of the Institute of Aviation, 217, p. 79-93, Warsaw 2011.
[5]. Kỹ thuật lái và dẫn đường máy bay MiG-21Bis, Quân chủng Không quân,
1987.
[6]. MiG-21Bis Pilot’s Flight Operating Instructions.
[7]. Le Ngoc Lan, Nguyen Vu, Hoang Minh Dac, Pham Thi Phuong Anh, Le
Thanh Ngoc, “MiG-21 Modeling and Simulation”, Journal of Military
Science and Technology, Special Issue, No.57A, 11 - 2018.
ABSTRACT
METHOD OF AUTO-LANDING GUIDANCE LAW FOR UAV-MiG-21
The article mentions an automatic landing method for MiG-21 when modifying
into UAV-MiG-21. This work plans the path for UAV-MiG-21 in 3D space, focusing
on providing a method of longitudinal auto-landing guidance law in approach and
flare for UAV-MiG-21. The new method ensures that the aircraft landed at a small
vertical touch-down speed while ensuring no extending flare manoeuvre distance.
The simulation results show that the new method of longitudinal automatic landing
guidance law is better than with the previously used exponential path method.
Keywords: Flare manoeuvre; Longitudinal auto-landing guidance law; UAV-MiG-21.
Nhận bài ngày 07 tháng 02 năm 2019
Hoàn thiện ngày 01 tháng 3 năm 2019
Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 3 năm 2019
Địa chỉ: 1 Viện Khoa học và Công nghệ quân sự;
2
Cục Khoa học quân sự.
*Email: lengoclan12@gmail.com.
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 151
nguon tai.lieu . vn