تعیین مسیر خط سیرکمپنزاسیون فیلتر فرمان کوادروتور

تعیین مسیر خط سیرکمپنزاسیون فیلتر فرمان کوادروتور –  ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه مهندسی صنایع

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

طراحی کنترل تعیین مسیر خط سیر با استفاده از کمپنزاسیون فیلتر- فرمان برای یک کوادروتور

چکیده

طراحی یک سیستم کنترل پرواز با قابلیت حصول نه تنها وضعیتی پایدار، بلکه تعیین مسیر خط سیر، به طور دقیق برای یک هواپیمای کوادروتور یا چهار ملخه با توجه به ویژگی ناقص ـ عملگر کاملاً چالش برانگیز است. این مطالعه ارتباط بین وضعیت و شتاب خطی یک هواپیمای بدون سرنشین کوادروتور یا چهار ملخه کوچک را مورد بررسی قرار داده و یک الگوریتم طراحی کنترل تعیین مسیر خط سیر، بر مبنای این ارتباط، با استفاده از فناوری پس گام فیلتر- فرمان، جهت تثبیت وضعیت، و یک مشتقگیر تعیین مسیر خطی، جهت حذف ساختار لوپ / حلقه کلاسیک داخلی / خارجی را ارائه می نماید. در نهایت، اعتبار و کارایی این الگوریتم به وسیله شبیه سازیهای عددی متعدد تحت شرایط مختلف نشان داده خواهد شد.

تعیین مسیر خط سیرکمپنزاسیون فیلتر فرمان کوادروتور

۱- مقدمه

هواپیمای بدون سرنشین کوادروتور / چهار ملخه، با داشتن چهار روتور واحد با آرایش یافتگی X، بعنوان یک هواپیمای بدون سرنشین با قابلیت فرود و برخاست عمودی منحصربفرد، برای کاربردهای نظامی و غیرنظامی، به شمار می آید. به منظور جبران تأثیر گشتاورهای رآکتیو، این چهار روتور / ملخ به دو جفت (۱، ۳) و (۲، ۴) تقسیم می شوند که قابلیت گردش در جهت مخالف همانگونه که در شکل ۱ نشان داده شده است را خواهند داشت. بنابراین، کوادروتور برای پرواز بصورت هاور (حالت شناور) و شرایط پرواز شبه استاتیک مناسب می باشد.

کوادروتور بعنوان سیستمی با ویژگی ناقص ـ عملگر[۱] (عدم دستورپذیری یک سیستم مکانیکی جهت دنبال نمودن یک خط سیر )، جفت شده غیرخطی مطرح می باشد که مکانیزم پرواز آن در جدول ۱ نشان داده شده است: قابلیت حرکت عمودی به وسیله افزایش / کاهش توام سرعت چهار روتور. حرکت چرخشی به وسیله سرعت دیفرانسیل بخش جلویی ـ عقبی یا چپی ـ راستی روتورها، همراه با حرکت عرضی حاصل می شود. چرخش عمودی نیز به وسیله گشتاورهای واکنشی / راکتیو مختلف بین روتورهای (۱، ۳) و (۲، ۴) حاصل می شود. بنابراین، صرف کنترل برخی از متغیرهای واحد، سبب حصول قابلیت تنظیم همزمان شتاب در کلیه مسیرهای فضای پیکربندی نخواهد شد. علیرغم وجود چهار ملخ، کوادروتور هنوز به عنوان یک سیستم جفتی غیرخطی و ناقص عملگر به حساب می آید.

[۱] under-actuated

[۲] Lyapunov

تعیین مسیر خط سیرکمپنزاسیون فیلتر فرمان کوادروتور

۲- مدل ریاضی کوادروتور

به منظور ساده سازی مدل سازی کوادروتور و بنابراین ساده سازی طراحی کنترلر، چندین فرضیه منطقی مدنظر قرار می گیرند:

فرضیه ۱: کوادروتور یک جسم صلب می باشد. اصول دینامیکی غیرخطی کوادروتور را می توان با استفاده از فرمول های نیوتن ـ اولر حاصل آورد.

فرضیه ۲: ممان ها و نیروهای ایرودینامیکی را می توان در سرعت پایین نادیده گرفت. در حقیقت تأثیرات ایرودینامیکی بسیار پیچیده بوده و به سختی قابلیت مدلسازی آنها وجود دارد، نظیر وضعیت حرکت تیغه ها / فلپینگ حول افق بواسطه سرعت های ورودی مختلف و تأثیر ناشی از حجم / بدنه کوادروتور در جریان پسرو / لغزشی روتورها (مقایسه شود با مرجع ۱۶). با این وجود، منطقی می باشد تا تأثیرات ایرودینامیکی در سرعت پایین را برای حصول سادگی نادیده انگاریم.

فرضیه ۳: کوادروتور با توجه به محورهای Ox، Oy و Oz به صورت متقارن می باشد.

اجازه دهید تا  معرف یک چارچوب ماندی ثابت شده در زمین و  یک چارچوب ثابت شده بدنه باشد که مبدأ آن O در مرکز جرم کوادروتور، همانگونه که در شکل ۲ نشان داده شده است، قرار گرفته است. موقعیت مطلق این کوادروتور به صورت  تعریف شده و وضعیت آن نیز به وسیله سه زاویه اولر (اویلر)  مشخص می شود.  ماتریس چرخش متعامد به منظور مشخص نمودن جهت کوادروتور می باشد (به معادله آخر صفحه رجوع شود).

این کوادروتور دارای یک بدنه صلب با ۶ درجه آزادی می باشد که به وسیله ۳ پارامتر انتقالی  و سه ویژگی چرخشی  تشریح می گردد. به علاوه معادلات حرکت کوادروتور [۳] را می توان به شرح ذیل بیان داشت:

تعیین مسیر خط سیرکمپنزاسیون فیلتر فرمان کوادروتور

۳- روش طراحی کنترل تعیین مسیر خط سیر

با توجه به ویژگی های مربوط به عدم دستورپذیری مناسب یا ناقص عملگر و همچنین حالت کوپلینگ زیاد مرتبط با یک هواپیمایی چهار ملخه، این مقاله اقدام به ایجاد ارتباط بین وضعیت و شتاب خطی بر مبنای معادله حلقه بسته PD و خطای موقعیت کوادروتور و پیشنهاد یک الگوریتم طراحی کنترلی نموده است که قابلیت بکارگیری فناوری پس گام فیلتر ـ فرمان جهت رهگیری وضعیت سیگنال فرمان ایجاد شده به وسیله کنترلر موقعیت و استفاده از یک مشتقگیر مسیریابی خطی جهت استخراج سیگنال های مشتق فرمان، مورد نیاز سیستم کنترل پس گام و قوائد مرتبط با آن، بدون ایجاد ساختار حلقه داخلی /خارجی، نموده است که در شکل ۲ نشان داده شده است.

۳ـ۱٫ طراحی کنترل موقعیت

تعریف خطای موقعیت به شرح ذیل:

که در آن بردار  بردار موقعیت فرمان می باشد. بر این مبنا قابلیت ایجاد معادله حلقه بسته موقعیت به شرح ذیل وجود دارد:

۳ـ۲٫ طراحی کنترل وضعیت

تعریف وضعیت و خطاهای سرعت زاویه ای به شرح ذیل:

تعیین مسیر خط سیرکمپنزاسیون فیلتر فرمان کوادروتور

۴- الگوریتم کنترلی

مرحله ۱: طراحی خط سیر: با توجه به خط سیر مطلوب

و وضعیت یاو مطلوب ، که در آن  به عنوان تابع زمانی به حساب آمده و غالباً  خواهد بود.

مرحله ۲: محاسبه بردار کنترل مجازی U

تعیین مسیر خط سیرکمپنزاسیون فیلتر فرمان کوادروتور

۵- شبیه سازی عددی

به منظور تصدیق اعتبار  و کارایی الگوریتم کنترل پیشنهادی در این مقاله، شبیه سازیهای تعیین مسیر خط سیر تحت شرایط خاص با استفاده از برنامه Matlab/Simulink و داده های حاصله از آن [۳]، همانگونه که در جدول ۲ نشان داده شده است، انجام شد.

۵ـ۱٫ مقایسه با یک کنترلر مبتنی بر دو مقیاس زمانی

برای سادگی، دینامیک موتور DC به صورت موقت در ابتدا نادیده انگاشته شد، چرا  که موتور DC  تجاری غالباً دارای کنترل کننده حرکت خاص خود با عملکرد ممتازی می باشد. پارامترهای کنترلر در شبیه سازیها به صورت ثابت در ، ،  و            می باشند. فیلتر ماتریس های ثابت زمانی به صورت  و  به ترتیب انتخاب شدند. با توجه به محدودیت های ابزارهای اندازه گیری حقیقی، زمان نمونه برداری تا  ثابت گردید. موقعیت های اولیه و زوایای اولر به ترتیب  و  مشخص شده، و علاوه بر این به صورت سرعت های خطی و زاویه ای می باشند. زاویه یاو در صفر ثابت شد و خط سیرهای مطلوب مدنظر به صورت خطوط مستطیلی عمودی و افقی با توجه به معادله ذیل تعیین گردید:

۵ـ۲٫ دینامیک های عملگر

این بخش فرعی تشریح کننده عملکرد دینامیک ناقص عملگر می باشد که بر مبنای معادله (۶) مشخص شده است. بر حسب معادله (۱۰)، ماتریس M برای  غیرتکین می باشد و بنابراین مربع / توان دوم سرعت روتور مطلوب را می توان به صورت  محاسبه نمود. حال اجازه دهید تا  معرف مربع مجذور سرعت حقیقی روتور باشد. عبارت دینامیک عملگر در مرجع (۲ ، ۳) مشخص شده است، و در اینجا عبارت تحلیلی سرعت روتور به طور مستقیم به شرح ذیل بیان می گردد:

۵ـ۳٫ تست استواری

در مدلسازی کوادروتور در بخش ۲ تأثیرات ایرودینامیکی نادیده گرفته شده است. با وجود آنکه این فرض در سرعت پایین منطقی می باشد، لازم است تا قابلیت بررسی این موضوع را داشته باشیم که آیا سیستم کنترلی در برابر تأثیرات ایرودینامیکی از استواری لازم برخوردار می باشد یا خیر. بنابراین، اصطکاک ایرودینامیکی [۱۰] در یک مدل شبیه سازی یکپارچه شد:

تعیین مسیر خط سیرکمپنزاسیون فیلتر فرمان کوادروتور

۶- نتیجه گیری

این مقاله یک الگوریتم طراحی تعیین مسیر خط سیر برای یک هواپیمای چهار ملخه کوچک را ارائه نموده است. انگیزه اصلی بر مبنای ضروریت ایجاد ارتباط تحلیلی بین وضعیت و شتاب خطی و همچنین حذف  فرض تفکیک دو مقیاس زمانی بین دینامیک های وضعیت و خطی می باشد. از زمان سیستم کلاسیک کنترل پرواز و با انتخاب بهره های حلقه وضعیت داخلی بزرگتر به منظور جدا نمودن مقیاس زمانی، دینامیک وضعیت فرمان، حاصله از حلقه موقعیت بیرونی، نادیده انگاشته شده که ممکن است سبب بدتر شدن عملکرد سیستمی گردیده و بنابراین فیلترهای پایین گذر در طراحی قانون کنترل ثبات وضعیت مبتنی بر سیستم پس گام به کار گرفته شده اند تا قابلیت استخراج و جبران سرعت زاویه ای مطلوب و دینامیک مشتق وضعیت فرمان حاصل شود. در انتها، شبیه سازیهای عددی برای یک کوادروتور تحت شرایط مختلف انجام شده و نتایج نشان داده اند که کارایی در کنترل تعیین مسیر خط سیر زمینی و استواری، جهت مدل سازی خطا و آشفتگی های بیرونی، بعنوان مولفه ضروری در این ارتباط مد نظر می باشد.