عنوان تحقیق: طراحی خلبان خودکار با استفاده از سیستم موقعیت یاب و حذف سیستم وضعیت سنج برای هواپیماهای بدون سرنشین

فرمت فایل: word

تعداد صفحات: 140

توضیح مختصر:

سيستم خلبان خودکار کامل عبارت است از مجموعه سخت افزاري و نرم افزاري که ضمن کنترل پرنده امکان مشاهده موقعيت، سرعت و وضعيت پرنده و همچنين گذر از نقاط راه را فراهم مي آورد. سيستم هاي متداول به طور معمول شامل سنسور اندازه گيري وضعيت (AHRS[1]) و سنسور نشانگر موقعيت ([2]GPS) هستند که حضور سنسور اندازه گيري وضعيت در اين مجموعه سبب افزايش قيمت کل مجموعه به میزان قابل ملاحظه ای خواهد شد. ضمن اينکه عدم امکان دسترسي سريع به آن نيز سبب افزايش زمان ساخت مجموعه خواهد شد. با استفاده از داده هاي موجود GPS و يک سري روابط رياضي مي توان به محاسبه وضعيت پرنده ، یا به عبارتی زوایای غلت[3] ، اوج[4] ، سمت[5] آن پرداخت .

وجود سیستم ناوبری که تنها با استفاده از سامانه GPS بتواند تمامی نیازهای یک پرنده را به جهت کنترل فراهم نماید این امکان را برای افراد فراهم می سازد تا از این پس بتواند از دغدغه های تهیه سنسورهای مکانیکی و الکترومکانیکی که تا به امروز یکی از گلوگاه های بزرگ صنعت هوافضا محسوب می شود بکاهد و در عوض محصولی تهیه کند که طبق استاندارد های GPS که سال هاست از فرایند طراحی و اصلاح آن می گذرد ، به آن قابلیت ناوبری و هدایت پرنده را بدهد . این سيستم ناوبری ارزان قيمت[6] مي تواند به عنوان سيستم پايدارساز و خلبان خودکار در پرنده هاي بدون سرنشين ارزان قيمت نظير پرنده هاي آموزشی، دست پرتاب، هدف و ... مورد استفاده قرار گيرد.

 

[1]Attitude and Heading Refrence System

[2] Global Position System

[3] Roll

[4] Pitch

[5]Heading

[6] Low cost Navigation System

فهرست مطالب

1 فصل اول : نمای کلی از طرح. 14

1-1 بیان مسئله. 14

1-2 هدف از طراحی سیستم خلبان خودکار با جی پی اس.... 15

1-3 دلایل اهمیت حذف سیستم های وضعیت سنج.. 15

1-4 سوالات کلیدی.. 16

1-5 مدل شبیه سازی شده17

1-6 تعاریف عمومی متغیرها و واژه های کلیدی.. 18

1-7 اطلاعات مورد نیاز در خلبان خودکار19

1-8 موارد کاربرد خلبان خودکار19

1-9 نحوه اعتبارسنجی.. 20

1-10 محدودیت ها و مشکلات... 21

2 فصل دوم : اصول و مبانی تئوریک... 22

2-1 منابع خطاي سنسور‌های ناوبری اینرسی.. 22

2-1-1 خطاي باياس... 24

2-1-2 ضریب مقياس... 24

2-1-3 عدم توازن.. 25

2-1-4 نويز 25

2-2 سیستم موقعیت یاب جهانی و تشریح خطاهای GPS.. 27

2-2-1 تشريح سيستم تعيين موقعيت جهاني.. 28

2-2-2 اصول تعیین موقعیت با جی.پی.اس... 31

2-2-3 شبیه سازی حرکت مداری ماهوارهها33

2-2-4 عوامل و پارامترهاي خطا در سيستم تعيين موقعيت جهاني.. 34

2-3 مروري بر تئوري‌‌هاي تخمين و تلفيق.. 37

2-3-1 ديناميك فيلتر كالمن.. 37

2-3-2 الگوريتم فيلتر كالمن.. 38

2-3-3 محدوديت‌هاي الگوريتم فيلتر كالمن.. 39

2-3-4 فيلتر كالمن توسعه يافته. 39

• الگوريتم فيلتر كالمن توسعه يافته. 39
• محدوديت‌هاي الگوريتم فيلتر كالمن توسعه يافته. 41

2-3-5 فيلتر كالمن خنثي.. 42

• انتخاب مجموعه نقاط سيگما44
• الگوريتم فيلتر كالمن خنثي.. 45
• مزاياي فيلتر كالمن خنثي.. 49
• محدوديت‌هاي فيلتر كالمن خنثي.. 49

2-3-6 فيلتر كالمن ذره‌اي.. 50

• الگوريتم فيلتر كالمن ذره‌ای.. 51

2-3-7 فیلتر کالمن مکعب CKF. 54

• الگوريتم فيلتر كالمن مكعبي.. 54

2-3-8 جمع بندي و نتيجه گيري.. 56

2-4 کنترل کننده های تناسبی- انتگرالی- مشتقی(PID)57

2-4-1 اساس حلقه کنترلی.. 58

2-4-2 تئوری کنترل کننده های PID.. 60

• عبارت تناسبی.. 60
• عبارت انتگرالی.. 62
• عبارت مشتقی.. 63
• خلاصه. 65

2-4-3 تنظیم کردن حلقه. 65

• تنظیم دستی.. 67
• روش زیگلر- نیکلس.... 68

2-4-4 نرم افزار تنظیم PID.. 69

2-4-5 اصلاحات الگوریتم PID.. 69

2-4-6 محدودیت های کنترل PID.. 70

2-4-7 کنترل اتصال سری.. 71

2-4-8 انجام کنترل PID فیزیکی.. 72

2-4-9 پیاده سازی روش PID با زبان برنامه نویسی.. 73

3 فصل سوم : استخراج معادلات ناوبری.. 74

3-1 مقدمه 74

3-2 کاربرد فیلتر کالمن در گردآوری اطلاعات شتاب... 75

3-2-1 فیلتر کالمن داخلی جی پی اس... 75

3-2-2 فیلتر کالمن خارجی جی پی اس... 78

3-2-3 محاسبه تابع انتقال شتاب.. 80

3-3 محاسبه زوایای شبه وضعیت... 83

3-4 پیاده سازی با زبان برنامه نویسی C.. 87

4 فصل چهارم : شبیه ســازی.. 88

4-1 مقدمه 88

4-2 شبیه سازی هواپیما در نرم افزار Aerosim... 90

4-2-1 بلوک ارتباط با دسته فرمان.. 93

4-2-2 مجموعه هواپیمای کامل.. 94

• مجموعه شتاب کل ( Total Acceleration ).. 97
• مجموعه نیروها (Forces ).. 98
• مجموعه سینماتیک (Kinematics ).. 99
• مجموعه ناوبری (Navigation ).. 100

4-2-3 مجموعه ارتباط بصری.. 101

• بلوک رابط FS. 101
• بلوک رابطFlight Gear103

4-3 شبیه سازی سفت افزار خلبان خودکار در متلب... 105

4-3-1 تعیین مشخصات خلبان خودکار111

• مشخصات کنترل کننده حرکت سمتی.. 111
• مشخصات کنترل‌‌کننده ارتفاع. 115

4-4 شبیه سازی سیستم وضعیت سنج بدون AHRS.. 117

5 فصل پنجم : نتیجه گیری وپیشنهادات.. 129

5-1 مقدمه 129

5-2 ارزيابي، تحليل و نتيجه‌گيري.. 129

5-3 پيشنهاد براي كارهاي آينده130

* منابع و مراجع. 131

* نمـایه.133

 * فهرست اشکال

 

شكل ‏1‌.‌‌1 نمایش دستگاه مختصات بدنی و سایر پارامترها بر روی پرنده.18

شكل ‏1‌.‌‌2 نحوه محاسبه وضعیت پرنده با استفاده از GPS.. 19

شكل ‏1‌.3 نمای کلی از الگوریتم هدایت و کنترل.. 20

شكل ‏2‌.‌‌1 خطاهاي سيستماتيك سنسورهاي اينرسي]10[23

شكل ‏2‌.‌‌2 منحني مشخصه‌ي مجموع نويزها در روش آلن واريانس]10[26

شكل ‏2‌.‌‌3 ایستگاههای کنترلی جی.پی.اس ]10[30

شكل ‏2‌.‌‌4 خطای موقعیت جی.پی.اس]10[32

شكل ‏2‌.‌‌5 تعیین موقعیت کاربر]10[32

شكل ‏2‌.‌‌6 عناصر مداری ماهوارهها ]10[33

شكل ‏2‌.‌‌7 الگوريتم فيلتر كالمن]8[38

شكل ‏2‌.‌‌8 نمايي از الگوريتم فيلتر كالمن توسعه يافته]8[41

شكل ‏2‌.‌‌9 مقايسه‌اي بين نحوه‌ي توزيع چگالي و محاسبه ميانگين در فيلترهاي توسعه يافته و خنثي.43

شكل ‏2‌.‌‌10 نمايي از الگوريتم فيلتر كالمن خنثي.48

شكل ‏2‌.‌‌11 مقایسه فیلترهای کالمن توسعه‌یافته، خنثی و ذره‌ای در سیستم خطی]8[51

شكل ‏2‌.‌‌12 مقایسه فیلترهای کالمن توسعه‌یافته، خنثی و ذره‌ای در سیستم غیرخطی]8[51

شكل ‏2‌.‌‌13 دیاگرام بلوکی کنترل کننده های PID... 58

شكل ‏2‌.‌‌14 تغییر پاسخ برای K_pهای مختلف... 61

شكل ‏2‌.‌‌15 تغییر پاسخ برای K_iهای مختلف... 63

شکل ‏2‌.‌‌16 تغییر پاسخ برای K_dهای مختلف... 64

شكل3‌.‌‌1 مدل پردازش با استفاده مستقیم از مشتق تابع شتاب]1[76

شكل3‌.‌‌2 طریقه محاسبه شتاب با استفاده از سرعت[1]79

شكل3‌.‌‌3 الگوریتم نهایی فیلتر کالمن[4]83

شكل3‌.‌‌4 نمایش زوایای شبه وضعیت[12]84

شكل ‏4‌.1 نمای کلی از بلوک های نرم افزار Aerosim... 91

شكل ‏4‌.2 ساختار کلی واحد شبیه سازی هواپیما92

شكل ‏4‌.3 بلوک Joystick Interface. 93

شكل ‏4‌.4 بلوک مجموعه هواپیمای کامل.. 94

شكل ‏4‌.5 بلوک شتاب کل.. 97

شكل ‏4‌.6 بلوک مجموعه نیروها98

شكل ‏4‌.7 بلوک مجموعه سینماتیک... 99

شكل ‏4‌.8 بلوک مجموعه ناوبری.. 100

شكل ‏4‌.9 بلوک FS Interface. 102

شكل ‏4‌.10 بلوکFlightGear Interface. 103

شكل ‏4‌.11 حلقه باز بلوک هواپیمای سایه. 106

شكل ‏4‌.12 رفتار حلقه باز سایه در زاویه غلت... 107

شكل ‏4‌.13 رفتار حلقه باز سایه در زاویه اوج.. 107

شكل ‏4‌.14 رفتار حلقه باز سایه در زاویه سمت... 108

شكل ‏4‌.15 رفتار حلقه باز سایه در ارتفاع. 108

شكل ‏4‌.16 رفتار حلقه باز سایه در سرعت... 109

شكل ‏4‌.17 تصویری از پرنده شبیه سازی شده سایه در Flight Gear110

شكل ‏4‌.18 طرح حلقه بسته سیستم کنترل کننده حرکت سمتی (P)113

شكل ‏4‌.19 طرح حلقه بسته سیستم کنترل کننده زاویه چرخش (PI)113

شكل ‏4‌.20 پاسخ حلقه بسته سیستم کنترلی در زاویه غلت... 114

شكل ‏4‌.21 پاسخ حلقه بسته سیستم کنترلی در زاویه سمت... 114

شكل ‏4‌.22 طرح حلقه بسته سیستم کنترل کننده زاویه اوج (PI)116

شكل ‏4‌.23 پاسخ حلقه بسته سیستم کنترلی در زاویه اوج.. 116

شكل ‏4‌.24 بلوک فیلتر کردن جی پی اس.... 117

شكل ‏4‌.25 بلوک سیستم وضعیت سنج شبیه سازی شده ( نمای بیرونی )118

شكل ‏4‌.26 بلوک سیستم وضعیت سنج شبیه سازی شده ( نمای درونی )118

شكل ‏4‌.27 ارتباط سیستم وضعیت سنج و خلبان خودکار119

شكل ‏4‌.28 نمای کلی فایل شبیه سازی.. 120

شكل ‏4‌.29 گراف های جداگانه زاویه غلت ( اجرای اول )121

شكل ‏4‌.30 گراف های منطبق زاویه غلت ( اجرای دوم )122

شكل ‏4‌.31 گراف های جداگانه زاویه اوج ( اجرای اول )123

شكل ‏4‌.32 گراف های منطبق زاویه اوج ( اجرای دوم )124

شكل ‏4‌.33 گراف های جداگانه زاویه سمت ( اجرای اول )124

شكل ‏4‌.34 گراف های منطبق زاویه سمت ( اجرای دوم )125

شكل ‏4‌.35 گراف های پایداری محور غلت ( اجرای سوم )126

شكل 4‌.36 گراف میزان حرکت سطوح Aileron ( اجرای سوم )126

شكل 4‌.37 گراف های پایداری محور اوج ( اجرای سوم )127

شكل ‏4‌.38 گراف میزان حرکت سطوحElevator ( اجرای سوم )127