بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک شبیه ساز حرکت سه درجه آزادی به عنوان بستری مناسب برای تست و کالیبراسیون سنسور خورشیدی طراجی و با روش های المان محدود و نرم افزاری، تحلیل سازه ای شده است. برای این منظور ابتدا، معادلات دینامیک حاکم بر آن استخراج گردیده و نیروها و گشتاورهای وارد بر سازه دستگاه با توجه به مانور های تعریف شده برای آن محاسبه شده اند. پس از مدل سازی CAD دستگاه و انتخاب اجزاء مناسب، سازه به روش المان محدود تحلیل شد.
نتایج بدست آمده منجر به یافتن نقاطی از سازه شد که در آنها بیشترین تنش و بیشترین مقدار انحراف بوجود می آید. همچنین بیشترین مقدار عدم توازن جرمی که باعث واماندگی سازه می گردد محاسبه شده است. بر اساس نتایج تحلیل تنش، بیشترین میزان تنش وارده بر سازه در بحرانی ترین حالت برابر با 6.6 MPa است. درحالیکه با انتخاب جنس آلمینیوم برای سازه، ضریب اطمینان سازه از لحاظ بارگذاری دینامیکی برابر با 4 می شود. همچنین از جنبه کرنش نیز بیشترین مقدار کرنش دستگاه برابر با 80 میکرون است، که با توجه به تلرانس و لقی 5 درصدی دستگاه قابل قبول می باشد.
1. مقدمه
امروزه ماهوارهها جایگاه ویژه ایی در برقراری ارتباطات، ناوبری، مطالعات جوی، مدیریت بحران، مصارف نظامی و غیره دارند. با توجه به ماموریت تعریف شده، هر ماهواره دارای زیر سیستم های مختلف است. مهم ترین این زیر سیستم ها که عملکرد کلی ماهواره وابسته به کیفیت عملکرد آن است، سامانه تعیین کنترل وضعیت می باشد. این سامانه معمولا برای اطمینان از عملکرد مطلوب از الگوریتم ها و سنسورهای مختلف استفاده می کند.
سنسور خورشید از معمول ترین سنسور های بکار رفته در این سامانه است. از آنجا که تمامی سنسورها قبل از بکارگیری نیازمند تست و کالیبراسیون می باشند، نیاز به یک سیستم شبیه ساز حرکت ماهواره و خورشید اجتناب ناپذیر است. در این مقاله یک شبیه ساز حرکت سه درجه آزادی به عنوان بستری برای تست و کالیبراسیون سنسور خورشید در نظر گرفته شده است. الستی [1] به آنالیز حساسیت دینامیک و سینماتیک این نوع شبیه ساز و کرباسی [2] و یو [3] نیز به مدل سازی و طراحی کنترلر برای آن پرداخته اند. در حالیکه هیچ کدام از این افراد تحلیل سازه را مد نظر قرار نداده اند، در این مقاله سازه شبیه ساز حرکت، تحت تحلیل استاتیکی قرار گرفته است.
2. مشخصات دستگاه
شبیه ساز حرکت، یک دستگاه مکاترونیکی بوده که با دریافت خروجی های کامپیوتر شبیه ساز، رفتار سیستم مورد نظر را تعقیب می نماید که می توان با قرار دادن سنسورهای تحت تست روی این سیستم آنها را مورد تست و کالیبراسیون قرار داد. یکی از انواع بسیار مشهور این سیستم های مکاترونیکی، شبیه ساز حرکت سه درجه آزادی است . این شبیه ساز شامل یک سکو می باشد که توسط یک مکانیزم تعلیق قابی، آزادی حرکت زاویه ای کامل را در فضا پیدا می کند.×جنس قطعات بکار رفته برای ساخت این دستگاه به منظور سبک تر شدن هرچه بیشتر، آلمینیوم در نظر گرفته شده است.
2.1 اجزاء دستگاه
این شبیه ساز حرکت از سه قسمت roll، pitch و yaw تشکیل شده است. قسمت roll دارای سه جزء صفحه دوار، محور roll و موتور است. تمامی سنسورهای مورد تست روی صفحه دوار قرار می گیرند. قسمت pitch شامل قاب داخلی1، محور pitch، وزنه های تعادلی و موتور است، که قسمت roll بر روی آن نصب می شود. بیرونی ترین جزء میز شبیه ساز سه درجه آزادی، قسمت yaw است که دو قسمت اصلی دیگر برروی آن نصب می شوند و شامل قاب بیرونی2، محور yaw و موتور است. شکل 1 نمای شماتیک این دستگاه را نمایش می دهد.
2.2 مشخصات حرکتی دستگاه
حداکثر payload، سرعت و شتاب های زاویه ایی در نظر گرفته شده در هر محور برای این شبیه ساز حرکت به صورت جدول ٌ می باشد.
3. استخراج معادلات
اولین قدم برای تحلیل سازه شبیه ساز حرکت سه درجه آزادی، استخراج معادلات دینامیک حاکم بر آن است تا نیروها و گشتاور های وارد بر سازه بدست آید.
3.1 معرفی دستگاه
در این مقاله برای استخراج معادلات دینامیک میز سه درجه آزادی از دستگاه rpn استفاده شده است، که بر روی بازوی داخلی تثبیت گردیده و با این بازو دوران می کند]َ.[ همانطور که در شکل 2 مشاهده می شود، محور r همواره در راستای محور roll و محور p همواره در راستای محور مرکزی یاتاقان های نگه دارنده ی بازوی درونی است. محور n نیز بر صفحه rp عمود است. این دستگاه دقیقا در محل تقاطع سه محور roll، pitch و yaw قرار دارد و با افزودن وزنه های تعادلی به قسمت pitch و نصب متقارن payload روی صفحه دوار نسبت به مرکز صفحه، اثر نیروی وزن که باعث ایجاد گشتاور بر روی موتور ها می شود، خنثی می گردد. برای محاسبه گشتاور مورد نیاز برای چرخش هر محور ابتدا بردار تکانه زاویه ای هر قسمت محاسبه می شود. در ادامه با استفاده از معادله حرکت اویلر- نیوتن گشتاور مورد نیاز هر محور بدست می آید. تانسور ممان اینرسی هر سه قسمت در دستگاه rpn و با توجه به تقارن حول صفحه های rp، rn و pn به صورت متقارن در نظر گرفته شده است.
