كنترل پرواز چهارپره در نزديكي سطح زمين

دكترا تخصصي

پايداري فرود و پرواز رو به جلو پرنده¬هاي بدون سرنشين در نزديكي سطح زمين يكي از چالش¬هاي اساسي در سيستم كنترلي مي¬باشد. افزايش تراست ايجاد شده در چهارپره، هنگامي كه نزديك زمين پرواز مي-كند، به پديده اثر زمين معروف مي¬باشد. به دليل شرايط محيطي، مانور پرواز و كيفيت سطح زمين، تأثيرات آئروديناميكي اثر زمين به صورت پيوسته متغير و تصادفي است. در اين رساله تلاش شده است با بررسي مدل‌هاي پيشنهاد شده در گذشته، يك مدل جامع بهبود يافته ديناميكي غيرخطي در فضاي حالت ارائه گردد، به نحوي كه اثرات نسبت پيشروي، نيروي درگ و كيفيت سطح رمين در مقدار اثر زمين لحاظ ¬شود. با انجام آزمايش¬هاي ميداني بر روي سطوح بتني و چمن نشان داده مي‌شود كه اثر كيفيت سطح زمين نقش به سزايي در مقدار اثر زمين دارد. به همين منظور ضريب اثر كيفيت سطح (SQE) به معادله ديناميكي اضافه مي‌شود. سپس بر اساس مدل پيشنهادي، سيستم كنترلي طراحي شده است. ورودي¬هاي كنترلي مورد نياز براي تعقيب مسير بر اساس الگوريتم كنترلي روش بازگشت به عقب به دست مي¬آيد. مبناي طراحي كنترل كننده بازگشت به عقب بر اساس تئوري پايداري لياپانوف است كه در نتيجه پايداري سيستم كنترلي ضمانت مي‌شود. سپس با توجه به ورودي¬هاي كنترلي، ولتاژ مورد نياز براي سرعت دوراني روتورها با توجه به مشخصات فني و در نظر گرفتن كران بيشينه (اشباع) با كمك كنترل كننده PI محاسبه مي‌شود. در گام بعدي، با استفاده از اين الگوريتم كنترلي و نتايج شبيه‌سازي سه مأموريت پروازي، پايداري پرواز براي چهارپره در مقابل اغتشاشات اثر زمين ارزيابي مي‌شود. در اين مطالعه تأثير پديده اثر زمين علاوه بر ارتفاع، بر كنترل وضعيت و تعقيب مسير نيز مورد بررسي قرار مي¬گيرد. نتايج شبيه‌سازي نشان مي¬دهد كه با افزايش نسبت پيشروي تأثير اثر زمين كمرنگ¬تر مي‌شود. بنابراين مدل پيشنهادي بستر مناسبي را براي پياده‌سازي ساير روش‌هاي كنترلي جهت دستيابي به مانورهاي مهاجم و پيچيده را فراهم مي¬كند. از طرف ديگر مشكلاتي مانند تنوع مدل¬هاي مختلف چهارپره و عدم شناخت كافي از ديناميك آنها، اندركنش زياد بين زير سيستم¬ها، عدم قطعيت¬هاي پارامتري، اغتشاشات آئروديناميكي و خاصيت فرو عملگر بودن سيستم، طراحي كنترل كننده را پيچيده مي¬كنند. همانند همه¬ي روابط تئوري كه بر پايه يكسري فرضيات استخراج شده¬اند، بديهي است اين مدل پيشنهادي را نمي¬توان برا همه چهارپره¬ها و در همه شرايط محيطي تعميم داد. در نتيجه ارائه يك راهبرد كنترل تطبيقي پيشرفته براي دستيابي به كنترل كننده¬اي كه بتواند اهداف مورد نظر را با راندمان بالا تأمين نمايد، ضروري است. به همين منظور براي تخمين اثر زمين از روش‌هاي هوش جمعي استفاده مي‌شود. يكي از كارآمدترين و كاربردي¬ترين اين روش‌ها، الگوريتم بهينه‌سازي ازدحام ذرات (PSO) مي¬باشد. از مزاياي اصلي اين روش، دستيابي مقادير بهينه سيستم¬ها بدون در نظر گرفتن ديناميك و سينماتيك سيستم است. اصول اين الگوريتم بر اساس اطلاعاتي است كه ذرات از تجربه شخصي خود به اشتراك مي¬گذارند. در روش پيشنهادي مسئله تخمين اثر زمين به يك مسئله بهينه‌سازي پويا بازگشتي جهت يافتن بهترين تخمين اثر زمين مبدل مي¬شود. با توجه به مقادير خطا موقعيت يك تابع هزينه تعريف شده و سپس با كمينه كردن اين تابع هزينه در هر گام زماني، مقدار اثر زمين تخمين زده مي‌شود. از آنجايي كه بازه مقدار اثر زمين محدود است، تعداد جمعيت و تعداد تكرار بسيار كم در نظر گرفته خواهد شد تا بتوان به صورت برخط مقدار اثر زمين در هر گام زماني به سرعت تخمين زده شود. با مقايسه مقادير تخمين زده شده و مقادير واقعي، مي¬توان دريافت كه اين روش از كارايي بالا براي كاربردهاي ميداني برخوردار است.

195799

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي مكانيك گرايش طراحي كاربردي

دكتر كامران دانشجو