طراحی خلبان خودکار با استفاده از سیستم موقعیت یاب و حذف سیستم وضعیت سنج برای هواپیماهای بدون سرنشین :پایان نامه ارشد مهندسی برق

پایان نامه ای که به شما همراهان صمیمی فروشگاه دیجی لود معرفی میگردد از سری پایان نامه های جدید رشته  مهندسی برق و با عنوان طراحی خلبان خودکار با استفاده از سیستم موقعیت یاب و حذف سیستم وضعیت سنج برای هواپیماهای بدون سرنشین در 138 صفحه با فرمت Word (قابل ویرایش) در مقطع کارشناسی ارشد تهیه و نگارش شده است. امیدواریم مورد توجه کاربران سایت و دانشجویان عزیز مقاطع تحصیلات تکمیلی رشته های جذاب مهندسی برق قرار گیرد.

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

در این پایان نامه به بررسی کاربرد اطلاعات سرعت محاسبه شده توسط سیستم موقعیت یاب جهانی در حلقه های کنترلی هواپیما پرداخته می شود. تلفیق اطلاعات سرعت و نوشتن سفت افزاری برای محاسبه وضعیت پرنده از روی داده های جی پی اس  ، از موضوعات بحث شده در این پایان نامه می باشد.

تمام اطلاعات بدست آمده تنها بر پایه یک جی پی اس تک آنتنی است و می تواند بر روی تمام هواپیماهای متداول و عمومی استفاده شود.

بیان مسئله

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 سامانهGPSبتواند 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.

هدف از طراحی سیستم خلبان خودکار با جی پی اس

آنچه که به عنوان نتیجه مشخص این تحقیق قابل دفاع است ، عبارت است از ارائه یک روش علمی کاربردي و قابل اجرا که با انجام آن می توان بدون داشتن یک سیستم وضعیت سنج ، اطلاعات ناوبری را تنها با استفاده از یکGPS استخراج نمود . استفاده از چنین روشی در پرنده هاي بدون سرنشین ارزان قیمت نظیر پرنده های هدف[7]، آموزشی ، دست پرتاب و میکرو و پرنده های انتحارییکبار مصرف بسیار مهم و کاربردي جلوه می نماید.

دلایل اهمیت حذف سیستم های وضعیت سنج

در حال حاضر سیستم های ناوبری موجود عموما به صورت GPS/AHRS است که وجود AHRS در آن سبب افزایش قیمت کل مجموعه خواهد شد که در پرنده های ارزان قیمت توجیه اقتصادی ندارد ضمن اینکه به دلیل وارداتی و تحریم بودن اغلب این سنسورها ، دسترسي سريع به آن ممکن نیست لذا سبب افزايش زمان ساخت مجموعه نیز خواهد شد.

با عنایت به گفتار پیشین ، دلایل گرایش به این تحقیق را می توان به موارد ذیل نسبت داد :

• بالابردن ضریب اطمینان ناوبری در برابر مشکلات رایج وضعیت سنج های متداول ( ناپایداری و اشباع [8]IMU در حین پرواز )
• کاهش محسوس هزينه هاي خرید و ساخت سامانه های هدایت و کنترل
• افزایش تولیدات محصولات پهپاد ارزان قیمت به جهت آموزش نیروها و انجام ماموریت های آزمایشی
• کاهش استهلاک ناوگان هواپیمایی
• قطع وابستگی به خارج ، به جهت تهیه قطعات نظامی که همواره در معرض تحریم قرار دارد ( به دلیل استفاده از محصولات تجاری الکترونیکی که همواره در بازار داخل موجود است)

سوالات کلیدی

در صنعت آنچه امروزه مورد توجه بسیاراست ، استفاده از ابزارهای عمومی ، برای ساختن تجهیزات جدید می باشدو به آن تکنولوژی [9]COTSاطلاق می شود . از فواید استفاده از این ابزارها می توان به موارد ذیل اشاره کرد :

• به طور معمول از پیدایش آن ها زمان زیادی می گذرد ، بنابراین اصلاحات متعددی بر رویشان اعمال شده است
• نسبت به محصولات مشابه ، به دلیل تولید در تیراژ بالا ، ارزان تر هستند
• همیشه دسترسی به آن ها امکان پذیر است
• کاربر پسند[10] طراحی می شوند

در مقابل نیز ایراداتی چون موارد زیر به این محصولات وارد است :

• عدم وجود دقت کافی
• عدم وجود مقاومت لازم در برابر پدیده های فیزیکی بیرونی
• قابلیت اطمینان پایین

محصولات تولیدی در صنعت خلبان خودکار ، همواره به دلیل لزوم ایجاد یک ناوگان مستحکم ، مقاوم و قابل اطمینان ، اکثرا در رده نظامی طراحی می شوند که هزینه ساخت آن ها فوق العاده بالا می باشد . ساخت چنین محصولاتی ، اگرچه در خود ناوگان هوایی امری ضروری ست ، اما در بخش های آموزشی ، پرنده های دست پرتاب[11] ، پرنده های هدف ، چندان ضرورتی ندارد .

AHRSبه عنوان قلب سیستم های ناوبری ، یکی از همین سامانه هاست که در ناوگان هوایی همواره مسئله ساز است . در این تحقیق کوشیده شده تا به این سوالات پاسخ داده شود :

• آیا می توان با استفاده از اطلاعات خروجی یک GPS تخمینی از وضعیت بدنی پرنده داشت ؟
• آیا لختی محاسبات با استفاده از الگوریتم کالمن فیلتر تا جایی کم می شود که بتوان از این اطلاعات در هدایت و کنترل استفاده کرد ؟
• محدودیت های سنسور جدید چیست ؟
• میزان اختلاف اطلاعات محاسبه شده با مقادیر خروجی AHRS چیست ؟

همچنین برای پیشبرد تحقیق در ابتدا پذیرفته شده است که :

• اطلاعات خروجی لزوما انطباق دقیقی با وضعیت بدنی پرنده ندارد و تا جایی معتبر است که بتوان ماموریت های کلی آموزش و … را که پیشتر به آن اشاره شد ، پوشش دهد .
• این خلبان خودکار نمی تواند در ماموریت های نظامی حساس به تنهایی مورد استفاده قرار گیرد
• جایگزینی زوایای شبه اوج و شبه سمت به جای زوایای اوج و سمتمورد نیاز برای هدایت و کنترل در خلبان خودکار

 فهرست عناوين

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 شده 17

1-6     تعاریف عمومی متغیرها و واژه های کلیدی  18

1-7     اطلاعات مورد نیاز در خلبان خودکار 19

1-8     موارد کاربرد خلبان خودکار 19

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 ماهوارهها 33

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 سيگما 44
• 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 Gear 103

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

4-3-1 تعیین مشخصات خلبان خودکار 111

• 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 آينده 130

* منابع و مراجع  131

* نمـایه. 133

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_p های مختلف   61

شكل ‏2‌.‌‌15  تغییر پاسخ برای K_i های مختلف   63

شکل ‏2‌.‌‌16  تغییر پاسخ برای K_d های 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 هواپیما 92

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 نیروها 98

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 Gear 110

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 خودکار 119

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

راهنمای خرید و دانلود فایل

برای پرداخت، از کلیه کارتهای عضو شتاب میتوانید استفاده نمائید.

بعد از پرداخت آنلاین لینک دانلود فعال و نمایش داده میشود ، همچنین یک نسخه از فایل همان لحظه به ایمیل شما ارسال میگردد.

در صورت بروز  هر مشکلی،میتوانید از طریق تماس با ما  پیغام بگذارید و یا در تلگرام با ما در تماس باشید، تا شکایت شما مورد بررسی قرار گیرد.

برای دانلود فایل روی دکمه خرید و دانلود  کلیک نمایید.