هواپیمای ملخ دار خودکار کنترل چند فاکتوری

هواپیمای ملخ دار خودکار کنترل چند فاکتوری – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه فنی مهندسی – بین رشته ای

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.

بستر تست دانشگاه استفورد در زمینه هواپیمای ملخ دار خودکار و مبحث کنترل چند فاکتوری (STARMAC)

چکیده

پرنده X4، به عنوان مبنایی برای محیط آزمایشی یک هواپیمای ملخ دار خودکار و در مبحث کنترل چند فاکتوری (STARMAC)، بعنوان جایگزینی برای ادوات هوایی مشکل آفرین که از ضروریات حفظ و نگهداری قابل توجهی برخوردار بوده و همچنین دارای محدودیت هایی در زمینه پوشش پرواز می‌باشند، انتخاب شده است. مقاله جاری اقدام به مشخص نمودن طراحی و توسعه یک سیستم کنترل پرواز ردیاب نقطه مسیر می‌نماید و علاوه بر این نسبت به ایجاد پلتفرم چند ابزاره برای آزمایش و مشخص نمودن اعتبار الگوریتم های کنترل چند عاملی یا چند فاکتوری اقدام می‌کند. این رویه توسعه بستر آزمایشی، راه را برای پیاده سازی تحقیقات کنونی در مضامینی همچون اجتناب از برخورد و موانع به صورت مستقل هموار می‌کند و علاوه بر این راهگشایی در مبحث وظایف مربوط به شکل گیری پرواز خواهد بود و بر این مبنا از هر دو تکنیک متمرکز و غیر متمرکز بهره خواهد گرفت.

هواپیمای ملخ دار خودکار کنترل چند فاکتوری

مقدمه

بسترهای تست چند ابزاره هوایی غالباً به عنوان پلتفرمهای گرانقیمت و پیچیده به شمار می‌آیند و اغلب برای عمل نیاز به فضای باز بزرگی خواهند داشت. هواپیمایی که از بال ثابتی نیز برخوردار می‌باشد، دارای محدودیت هایی در زمینه قدرت مانور است و همچنین هلکوپتر های متعارف نیز با داشتن حالت دینامیکی از ساختاری پیچیده و گرانقیمت برخوردار می‌باشند و کنترل آنها نیز مشکل است. به منظور رفع این مشکلات در زمینه توسعه یک بستر آزمایش چند ابزاری در دانشگاه استفورد یک هلکوپتر چهار منظوره به عنوان ابزار اصلی پیشنهاد شد.

اهداف این بررسی استفاده از STARMAC بعنوان یک بستر آزمایشی برای الگوریتم های جاری در مبحث بهینه سازی غیر متمرکز می‌باشد، که در آن هر ابزار در گروه مربوطه قابلیت محاسبه خط سیر بهینه خود را خواهد داشت و می‌تواند از برخورد با دیگر ادوات اجتناب نماید و علاوه بر آن قابلیت استفاده آنلاین از فرمولاسیون سیستم ناوبری نش (Nash) را نیز خواهد داشت، مواردی که ظاهراً تنها بخشی از راهکارهای علمی‌در این مجموعه بشمار ‌می‌آیند. بعلاوه، این بستر آزمایشی جهت ارزیابی الگوریتم های بازی یا گیم چند- کاربره مورد استفاده قرار می‌گیرد. بعنوان اهداف آتی، برنامه هایی جهت تجهیز هر پرنده با سنسورهای مختلف و مناسب مد نظر می‌باشند که متشکل از یکسری از دوربین ها و STARMAC بعنوان سکوی ارزیابی، برای الگوریتم های حسگر توزیعی، خواهند بود.

هواپیمای ملخ دار خودکار کنترل چند فاکتوری

چشم انداز

این مقاله کار خود را با بررسی بستر آزمایشی شروع می‌کند که خود تشریح کننده یک معماری مرتبط با سیستم کلی و همچنین هر یک از اجزای سخت افزاری مرتبط با آن خواهد بود. تشریح معماری نرم افزار بر روی STARMAC نیز بدنبال خواهد آمد. پس از آن مقاله جاری اقدام به تشریح دینامیکی پرنده می‌نماید که به عنوان مبنایی برای طراحی سیستم ارزیابی و کنترل مد نظر می‌باشد. پس از آن این مبحث کار خود را با توجه به برآیند ارزیابی و تکنیک های کنترلی اعمال شده بر روی پرندگان ادامه خواهد داد. در وهله بعد این مقاله نتایج تست پرواز برای یک پرنده واحد که کنترل هاور یا شناوری مستقل را امکان پذیر ساخته است را ارائه خواهد داد. در نهایت، دستور العمل ها و مسیرهای آتی این پروژه مشخص می‌گردد که شامل مبحث توسعه های تئوریکی کنونی و پیاده سازی آنها بر روی STARMAC در آینده نزدیک خواهد بود.

بررسی سیستم

STARMAC هم اکنون حاوی دو پرنده X4 و یک ایستگاه زمینی می‌باشد و بگونه ای طراحی شده است تا قابلیت اضافه ساختن دو پرنده دیگر و یک خوشه محاسباتی زمینی به سیستم نهایی را داشته باشد. این پرندگان به وسیله ایستگاه مرکزی زمینی از طریق یک لینک بی‌سیم ‌کنترل می‌شوند که خود حامل داده های اصلاح تفاضلی یا دیفرانسیلی GPS و دستورات نقطه مسیر جدید برای هر پرنده می‌باشد و علاوه بر این از داده‌های پروازی هر پرنده به ایستگاه زمینی نیز بهره‌مند است (شکل۲). تولید خط سیر را می‌توان، منوط به پیچیدگی الگوریتم اعمال شده، به وسیله کامپیوتر ایستگاه زمینی و یا با بهره گیری از خوشه محاسباتی انجام داد.

 پرنده X4

ابزار اصلی این سیستم Draganflyer III می‌باشد، که یکی از سیستم های رادیو کنترلی پیشرفته و جدید پرنده X4 به شمار می‌آید و از افزایش ثبات ژیروسکوپی در داخل هواپیما برخوردار است. این پرنده قابلیت حمل بار تقریبا ۴ اونسی را داشته و می‌تواند در حدود۱۰ دقیقه با سوخت کامل پرواز نماید، چنین امکاناتی به واسطه ارتقای اخیر در مبحث باتری های لیتیوم- پلیمر می‌باشد که سبب افزایش میزان بار و مدت پرواز گردیده است و از این رو به میزان زیادی قابلیت سیستم را ارتقا داده است.

لینک ارتباطات

داده های پروازی به زمین مخابره شده و دستورات لازم به پرندگان از طریق سیستم بلوتوس کلاس ۲ که دارای یک محدوده مشخص فراتر از ۳۰۰ فوت می‌باشد ارسال می‌گردد، با این وجود در عمل اتلاف داده تا فاصله ۱۵۰ فوتی ممکن است رخ دهد. با این حال لازم به ذکر است که چنین کلاسی  متمایز از ابزار های به کار گرفته شده در ادوات خانگی می‌باشد و در نتیجه محدوده گسترده تری را تحت سیطره خود قرار می‌دهد. این سیستم در محدوده فرکانسی ۴/۲ گیگا هرتز عمل می‌نماید و از سیستم های  تصحیح خطای پروازی و ارسال مجدد اطلاعات به صورت اتوماتیک برخوردار است. این سیستم بعنوان جایگزینی برای کابل سریال طراحی شده است و در محدوده نرخ حداکثری ۲/۱۱۵ کیلو بیت در ثانیه عمل می‌نماید.

هواپیمای ملخ دار خودکار کنترل چند فاکتوری

حس گرها

 حسگر نصب شده جاری بر روی این سیستم شامل Trimble Lassen LP – یک سیستم با قابلیت- تفاضلی GPS، Devantech SRF08، یک ارتفاع سنج ماورای صوت (که تحت عنوان SOADR خوانده می‌شود) و MicroStrain 3DM-G، یک IMU سه محوره کامل (دستگاه اندازه گیری لختی) برای تشخیص ارتفاع برخوردار می‌باشد. بروزرسانی GPS در یک هرتز اعمال گردیده و معرف محدوده های خطای دیفرانسیلی  m2-1 در سطح افق می‌باشد. SOADR دارای یک نرخ نمونه برداری ۱۲ هرتز، محدوده ۲ متری، می‌باشد و از دقت ۵ الی۱۰ سانتی متری برخوردار است، که به میزان زیادی منوط به محیط دارای اغتشاش یا نویز و سطح بازتاب خواهد بود. در نهایت، IMU فراهم آورنده یک  حالت ژیرو- پایدار، نرخ وضعیت و اطلاعات شتاب در ۷۶ هرتز خواهد بود. براین مبنا، نشان داده شده است که چنین سیستمی‌‌بخوبی در محیط هایی که از نوسان اندکی برخوردار می‌باشند عمل می‌نماید اما دقت خود، به هنگامی‌که دامنه نوسان افزایش می‌یابد، را از دست خواهد داد.

 ایستگاه زمینی

ایستگاه زمینی یک کامپیوتر لپ تاپ استاندارد می‌باشد که دارای ویندوز XP مایکروسافت و و سیستم National Instruments Labview 7 است که سبب به کار گیری کلیه ارتباطات سریال پرندگان و سیستم دیفرانسیلیGPS می‌شود و همچنین قابلیت ارتباط اینترنت TSP/IP با خوشه محاسباتی از طریق ماژول های داخلی Labview را نیز خواهد داشت. Labview همچنین سبب تسهیل طراحی یک GUI برای دیباگینگ، مانیتورینگ و کنترل از راه دور ابزارهای بستر آزمایشی می‌شود. ماژول نرم افزار بلوتوس سبب ایجاد اتصالات پورت حقیقی سریال با هر پرنده که در محدوده دیداری Labview خواهد شد و از این رو قابلیت برقراری ارتباطات با کلیه پرندگان به صورت مجزا با بهره گیری از رابط سریال استاندارد را دارا می‌باشد، که می‌توان آن را از طریق خصیصه های Labview نصب شده داخلی مورد استفاده قرار داد. پرواز دستی از طریق سیستم ورودی جویز استیک یا دسته استاندارد با ایستگاه زمینی، یا همان لپ تاپ، اعمال می‌گردد.

خوشه محاسباتی

 خوشه محاسباتی شامل ۱ الی۴ کامپیوتر شخصی است که دارای نرم افزار مطلب نگارش ۵/۶ می‌باشند و علاوه بر این قابلیت ارتباط با یکدیگر با استفاده از کتابخانه‌های مطلب جاوا را خواهند داشت. این کامپیوتر های شخصی و ایستگاه اصلی از طریق پروتکل TSP/IPبه یکدیگر متصل شده‌اند. علاوه بر این، محاسبات الگوریتم را می‌توان به دو صورت متمرکز و غیر متمرکز انجام داد.

هواپیمای ملخ دار خودکار کنترل چند فاکتوری

معماری نرم افزار

کنترل زمان واقعی ادوات هوایی نیازمند زمان بندی دقیق و طراحی کد قدرتمند می‌باشد. جهت اعمال کلیه توابع کنترلی بر روی سیستم پرنده و اعمال یک کنترلر که تا حد ممکن دارای پهنای باند بالا باشد، لازم خواهد بود تا محاسبات مورد نیاز برای ارزیابی و قواعد کنترلی با کارایی منطقی و مطلوبی اعمال گردند. بدین ترتیب، اغلب معماری های نرم افزاری حاصله انتخاب گردیدند تا این اطمینان حاصل آید که قابلیت عملیات پیوسته و متوالی فرایند کنترلی زمان حقیقی و ثابت و همچنین کانال ارتباطاتی قدرتمند با ایستگاه زمینی که از آن دستورات مقتضی صادر می‌شود به صورت کامل برقرار گردد.

سیستم های داخل پرنده

سیستم‌های داخلی پرنده X4 با قابلیت بهره‌گیری متمرکز از دو پردازنده PIC سود می‌جویند. Control PIC به هر یک از موتورها، از طریق خروجی های PWM، به IMU از طریق یک پورت سریال و همچنین به هر دو SODAR وPIC ارتباطاتی از طریق I²C به اشتراک گذاشته، متصل می‌شود. PIC ارتباطاتی (Communications PIC) نیز به دو ابزار بلوتوس و حسگر GPS از طریق پورت های سریال مجزا و همچنین به I²C اشتراکی متصل می‌گردد.

Control PIC

نرم افزار Control PIC بعنوان یک کد لوپ واحد قطعی طراحی شده است که اقدام به جمع آوری اطلاعات مورد نیاز از حسگر های متصل بدان و همچنین از PIC های ارتباطاتی نموده و در هر لوپ اقدام به انجام کلیه محاسبات می‌نماید این معماری بدین منظور انتخاب شده است تا آنکه زمان دقیق خروجی های کنترلی به موتورها مشخص و تضمین شود. در این طراحی، یک رویه زمان بندی نیز به منظور اطمینان ازآنکه کلیه محاسبات را می‌توان در هر سیکل، علی رغم تغییرهای بدترین حالت ارتباطاتی در کلیه رابط ها، انجام داد مورد نیاز خواهد بود. این حلقه که بعنوان تایم‌اف استریم داده IMU پیوسته ۷۶ هرتزی بشمار می‌آید در صورت عدم موفقیت قابلیت انتظار جهت اعمال مجدد هر نوع ارتباطات را نخواهد داشت. در نتیجه، هیچ یک از روشهای ارتباطاتی را نمی‌توان بر روی Control PIC بلوکه نمود.

PIC ارتباطاتی (Communication PIC)

کد PIC ارتباطاتی قابلیت سرویس دهی به دو اتصال سریال از طریق جمع آوری داده های واصله را خواهد داشت و از یک مسیر وقفه جهت سرویس دهی به کانال ارتباطی Control PIC استفاده می‌نماید. این امر از بلوکه شدن لوپ کنترل زمان – بحرانی جلوگیری می‌ناماید. باس I²C که به واسطه روتین وقفه تحریک می‌شود اقدام به دریافت داده های پروازی نموده و یا آنکه درپی تقاضای Control PIC اخیر ترین دستورات ایستگاه زمینی را فوراً فراهم می‌آورد. در فواصل ثابتی، کد PIC ارتباطاتی اصلی اقدام به خواندن  داده‌هایGPS نموده و همچنین اقدام به ارسال یا دریافت داده ها به/ از ایستگاه زمینی خواهد نمود. دلیل انتخاب این معماری آن است تا  اطمینان حاصل شود که PIC ارتباطاتی در تداخل با زمان بندی Control PIC نباشد و همچنین از احتمال برخوردهای وقفه‌ای جلوگیری شود، موردی که ممکن است در صورتی حاصل شود که وقفه های بیشتری برای ارتباطات سریال مختلف مورد نیاز باشند.

هواپیمای ملخ دار خودکار کنترل چند فاکتوری

 ایستگاه زمینی

کد Labview که بر روی پلت فرم ویندوزی اجرا می‌شود به صورت ذاتی بعنوان یک رویه غیر قطعی چند رشته ای مد نظر خواهد بود. با این وجود، زمان بندی Labview به نظر کاملاً مطمئن می‌باشد و براین مبنا دریافتیم که ارتباطات با ایستگاه زمینی ممکن است به واسطه سرعت داده های سریال دارای تنگنای بیشتری در مقایسه با قابلیت ایستگاه زمینی در تعامل با داده های ورودی باشد.  لازم به ذکر است که ۴ نوع اصلی از رشته ها یا حالات بندکشی (نخ‌کشی) مختلف در کد Labview وجود دارند و کلیه رویه های زمان بندی و برنامه ریزی از طریق توابع داخلی و ساختارهای آن اعمال خواهند شد. این حالات عبارتند از: دریافت و نمایش داده‌های پرنده (هرکدام برای یک پرنده )، تولید و ارسال دستور به پرنده ( هر کدام برای یک پرنده)، ثبت داده (جمع آوری کلیه داده ها) و مدیریت باند دیفرانسیل GPS (تنها یک مورد).  GUI اقدام به نمایش یک نوار تب برای هر پرنده می‌نماید که معرف اطلاعات کامل دریافت شده از آن پرنده می‌باشد و یک نوار نیز برای نظارت سیستمGPS دیفرانسیلی به کار گرفته خواهد شد. 

دینامیک هواپیما

 پرنده X4 را می‌توان بعنوان یک سیستم خطی به صورت اولیه برای یک محدوده متوسط سیستم پروازی طراحی نمود. از آنجائیکه هدف نهایی STARMAC بررسی تعامل بین ادوات مختلف می‌باشد، این فرضیه ساده به میزان زیادی باعث کاهش پیچیدگی مشکل طراحی کنترل می‌شود. بر این منوال، یک مدل غیر خطی کامل ارائه شده و برای شبیه سازی مورد استفاده قرار گرفته است.

نیروها و گشتاورها

 هر روتور به وجود آوردنده نیروی پیشرانه یا فشار موتور T_i، یک گشتاور کششی یا حرکتی Q_i در حول محور چرخش، یک گشتاور گردشی R_i موازی با محور چرخشی و یک نیروی کششی D_i در مسیر e_wi می‌باشد، که مخالف مسیر سرعت نسبی با باد در حال وزش می‌باشد. گشتاورهای کششی Q_i در تناسب با نیروی پیشرانه روتور می‌باشد و بوسیله معادله  مشخص می‌گردند. اجازه دهید تا مسیر پرواز e_w باشد. حال اجازه دهید تا x_B, y_B و z_B معرف محورهای بدنه باشند. علاوه بر این، بردار موقعیت از مرکز گرانش (cg) این وسیله تا مرکز صفحه روتور به وسیله r_i نشان داده می‌شود. همچنین اجازه دهید تا فشار دینامیکی جریان آزاد به صورت  نشان داده شود و ضریب کشش هواپیما در پرواز مستقیم نیز به صورت C_D، مساحت رفرانس به صورتS ، حجم هواپیما به صورتm  و نیروی جاذبه به صورتg  نشان داده ‌شوند. یک دیاگرام بدنه آزاد، محورها و شماره گذاری محورها و روتر یا ملخ در شکل۳ مشخص شده اند. مجموعه نیرویF وگشتاورM  که در این وسیله در قالب بدنی اعمال می‌شوند به شرح ذیل خواهند بود.

دینامیک چرخشی

گشتاور تانسور اینرسیI به صورت مورب و قطری همانگونه که قبلاً تشریح شده است در نظر گرفته می‌شود، بر این مبنا می‌توان میزان معادله گشتاور دقیق حاکم را به صورت ذیل نشان داد:

دینامیک انتقالی

در این مرحله نسبت به تعریف مجموعه پیشرانه در قالب بدنه پرنده به شرح ذیل اقدام می‌شود:

ارزیابی وضعیت

ارزیابی ارتفاع و وضعیت، بواسطه آنکه قبلاً در IMU، که از MicroStrain حاصل شده است، اعمال گردیده است، مورد نیاز نخواهد بود. ما این مجموعه از این سیگنالها را به عنوان منابع دقیق و عاری از نویز در دامنه های نوسان معتدل یافته ایم، با این وجود آنها ممکن است در سطوح پیشرانه حداکثری این پرنده باعث بروز مشکلاتی شوند. داده های شتاب در ناحیه عملیاتی این پرنده کاملاً‌با اغتشاش نیز روبرو بوده و بنابراین اطلاعات وضعیت بجای رویه های شتاب‌گیری مستقیم در ارزیابی شتاب انتقالی بکار گرفته شد.

ترکیب کنترلر

این بخش اقدام به تشریح دیدگاه به کار گرفته شده برای کنترل پرنده X4 می‌نماید. جائیکه امکان پذیر است، کنترلر های خطی به کار گرفته می‌شوند و تنها در مواردی که مورد نیاز باشد از تأثیرات غیر خطی پیچیده، همانند لوپ کنترل ارتفاع، به طور مثال، استفاده می‌شود.

کنترل لوپ ارتفاع

دینامیک ارتفاع STARMAC را می‌توان بعنوان یک انتگرال گیر دوبل مدل سازی نمود:

هواپیمای ملخ دار خودکار کنترل چند فاکتوری

کنترل لوپ وضعیت

یک کنترلر وضعیت لوپ داخلی با استفاده از مدل دینامیک ارتباطی مرتبه دوم ساده شده که در معادله (۶-۱) تشریح شد، با بهره گیری از تکنیک های LQR استاندارد طراحی گردید. ماتریس هزینهQ به گونه ای انتخاب شد که انحراف های زاویه ای  بیش از انحرافات مربوط به سرعت مورد خطاب قرار گیرد. بعلاوه، لوپ های شیپ و پیچش نیز به صورت مجزا از نظر خطا مشخص می‌شوند که باید از میزان خطای کاهش یافته در زمینه خطاهای انحراف برخوردار ‌باشند. این کنترلر در ممیز شناور روی پرنده X4 اعمال گردید. ورودی های کنترل باری هر ملخ منطبق با شیب، پیچش و انحراف به صورت مجزا محاسبه گردیده و سپس به ورودی ارتفاع و همچنین پیشرانه اضافه شده تا میزان ارزش پیشرانه خالص برای هر ملخ مشخص گردد. این کنترلر در سطوح پیشرانه پائین به خوبی کار می‌کند اما عملکرد آن در سطوح پیشرانه بالاتر به واسطه سطوح نوسانی افزایش یافته با مشکل روبرو خواهد شد. چنین مشکلی از طریق پیاده سازی یک سیستم کنترلر حالت نرم تر با هزینه های کمتر در انحرافات وضعیت حل گردید. این امر باعث ارتقای حالت رد نویز پیشرفته با توجه به هزینه عملکرد رهگیری شده است.

 نتایج تست پرواز

 شکل۴ معرف یک پرنده STARMAC در هوا می‌باشد. شکل ۵ نیز نشان دهنده ارتفاع، چرخش، و داده های شیب برای  یک پرنده STARMAC در حالت گردش و همچنین وضعیت و ارتفاع دستورات رهگیری خواهد بود. این تست در فضاب بیرونی اعمال شده و انحرافات وضعیت معرف ورودی های دستور وضعیت دستی جهت مقابله با اشفتگی های باد می‌باشد. دستورات مربوط به ارتفاع نیز به صورت ثابت اعمال می‌شود. با این وجود، میزان پیشرانه عمودی مطلق با توجه به وضعیت تغییر می‌یابد و این تأثیر هم اکنون در این طرح کنترلی به حساب نیامده و منجر به بروز برخی از انحرافات وابسته به ارتفاع در هنگام مانور هوایی شده است.

هواپیمای ملخ دار خودکار کنترل چند فاکتوری

دستورالعمل آینده

STARMAC بعنوان یک بستر آزمایشی منحصر به فرد مطرح می‌باشد که قابلیت اعمال تکنیک های کنترلی چند عامله و مدرن به روشی آسان و در محیط واقعی را خواهد داشت. این سیستم به گونه‌ای طراحی شده است تا بتوان از ۴ الی۶ پرنده بهره برد. با توجه بدانکه هر پرنده واحد به صورت یک ابزار تقریباً تکمیل شده طراحی شده است، هواپیمای های بعدی با توجه به رویه پیاده‌سازی الگوریتم رهگیری نقطه مسیر می‌بایست ساخته شوند و بر این مبنا لازم خواهد بود تا خوشه محاسباتی مربوطه تکمیل گردد.

پس از تکمیل مضمون فوق، هدف پیاده سازی تکنیک های بهینه سازی غیر متمرکز می‌باشد که به پرندگان اجازه خواهد داد تا بعنوان عوامل مجزا در یک سیستم عمل نموده و از هماهنگی یا وضعیت تکمیلی برخوردار باشند تا آنکه بتوان اهداف سطح سیستمی ‌نظیر اجتناب از برخورد و آرایش پروازی را اعمال نمود. چنین اقداماتی سبب خواهد شد تا تصمیم گیرندگان این عرصه بتوانند در زمینه خوشه محاسباتی با بهره‌گیری از امکانات تیمی بکار پردازند.