بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، تخمین موقعیت کوادروتور در محیطهای داخلی با استفاده از فیلتر کالمن خنثی - UKF - ارائهشده است. در ابتدا مدل سیستم کوادروتور که دارای سنسور - IMU - است، معرفی شده است. از یک کنترلکننده تناسبی-مشتقگیر جهت پایدار سازی ارتفاع و وضعیت کوادروتور و از یک کنترلکننده مد لغزشی- انتگرالی جهت پایدارسازی موقعیت کوادروتور استفادهشده است. سپس از یک الگوریتم فیلتر کالمن خنثی برای سیستم چند سنسوری جهت به دست آوردن تخمین موقعیت کوادروتور استفاده می شود.
هدف در این پژوهش این است که میانگین خطای تخمین در سیستم چند سنسوری که روی کوادروتور قرار دارد به کمترین مقدار خود رسانده شود تا موقعیت کوادروتور در محیط داخلی با حداقل خطای ممکن به اپراتور ارسال شود.
در این پژوهش ابتدا با استفاده از اطلاعات اندازهگیری ّ متغیر و سپس با استفاده از اطلاعات اندازهگیری َ متغیر توسط سنسورهای مناسب، موقعیت کوادروتور در مکانهای داخلی تخمین زدهشده است. همچنین عملکرد فیلتر کالمن خنثی در شرایط اضافه شدن نویز و اغتشاش، بررسیشده است. دستیابی به این مهم کمک خواهد کرد تا کوادروتور مأموریت و مانور خود را بدون استفاده از سیستم موقعیتیاب جهانی - GPS - که در محیطهای داخلی با مشکل مواجه میشود، بهدرستی انجام دهد. همچنین اپراتور با داشتن موقعیت کوادروتور، کنترل و هدایت آن را بهطور مناسب انجام دهد. در پایان، برای اثبات کارایی فیلتر کالمن خنثی - UKF - پیشنهادی، نتایج شبیهسازی ارائه شده است.
-1 مقدمه
انجام عملیات و مانور در محیطهایی که اجازه دسترسی به موقعیت دقیق کوادروتور را نمیدهد، یکی از مشکلات مهم در صنعت هوایی و ناوبری است. کوادروتور به سبب قابلیت نشست وبرخاست عمودی در دستهی عمودپروازها قرار میگیرد که به جهت برخی مزایا و ویژگیهایش موردتوجه قرارگرفته است. ظرفیت حمل بار، سادگی ساختار وسیله، قابلیت مانور پذیری بالا، داشتن قیود کم درحرکت، هزینه کم تعمیر و نگهداری ازجمله این ویژگیها است. البته مصرف انرژی بالا، رفتار بهشدت غیرخطی، محدودیت برد و زمان پرواز و بخصوص تعیین موقعیت آن از چالشهای پیش روی استفاده از این وسیله است.
کوادروتور در محیطهای باز با استفاده از سیستم موقعیتیاب جهانی - GPS - بهراحتی موقعیت خود را به اپراتور ارسال میکند و اپراتور با داشتن موقعیت کوادروتور آن را کنترل میکند. اما در محیطهای داخلی به علت دریافت ضعیف سیگنال، سیستم موقعیت یاب جهانی - GPS - دچار اختلال میشود و قادر به تعیین دقیق موقعیت کوادروتور نیست.
ازاینرو لازم است برای محیطهای داخلی روشی باکیفیت و عملکرد مناسب ارائه شود. ]ِ[ در این پژوهش از فیلتر کالمن خنثی - UKF - جهت تخمین موقعیت کوادروتور در محیطهای داخلی استفاده خواهد شد. دلیل استفاده از این نوع فیلتر این است که نسبت به فیلترکالمن توسعهیافته - EKF - ، دارای تخمین بهتر در مواجهه با ویژگی های غیرخطی و نویزهای غیر گاوسی است.
فیلتر کالمن خنثی - UKF - یک بسط کالمن برای تخمین سیستمهای غیر خطی است. هدف در این پژوهش این است که میانگین خطای تخمین، در سیستم چند سنسوری که روی کوادروتور قرار دارد، به کمترین مقدار خود برسد تا موقعیت کوادروتور در محیط داخلی با حداقل خطای ممکن به اپراتور ارسال شود. همچنین از یک الگوریتم فیلتر کالمن برای سیستم چند سنسوری برای به دست آوردن تخمین موقعیت کوادروتور استفاده خواهد شد. مدل سیستم کوادروتور دارای سنسور - IMU - است.
ابتدا با استفاده از اطلاعات اندازهگیری ّ متغیر و سپس با استفاده از اطلاعات اندازهگیری َ متغیر توسط سنسورهای مناسب، موقعیت کوادروتور در مکانهای داخلی تخمین زدهشده است تا با این روش هزینه های ساخت سیستمهای تخمین موقعیت کاهش یابد. همچنین عملکرد فیلتر کالمن خنثی در شرایط اضافه شدن نویز و اغتشاش، شبیهسازی می شود. دستیابی به این مهم کمک خواهد کرد تا کوادروتور مأموریت و مانور خود را بدون استفاده از سیستم موقعیتیاب جهانی - GPS - بهدرستی انجام دهد و اپراتور با داشتن موقعیت کوادروتور، کنترل و هدایت آن را انجام دهد.
بر روی تعیین موقعیت کوادروتور در محیطهای داخلی کارهای زیادی انجامگرفته است. در مراجع از تئوری لیاپانوف به دلیل حصول اطمینان از پایداری مجانبی سیستم استفادهشده است. روشهای کنترلی تناسبی- مشتقی و نیز تناسبی - مشتقی- انتگرالی نیز هرکدام به دلایلی موردتوجه قرار داشتهاند. روش تناسبی- مشتقی به سبب خاصیت همگرایی نماییاش با جبران ترمهای کوریولیس و جایروسکوپی و روش تناسبی- مشتقی- انتگرالی به دلیل عدم احتیاج به پارامترهای خاص مدل و سادگی اجرای آن کنترلکننده مناسبی محسوب میشوند.
در مرجع از تکنیکهای تطبیقی به دلیل کارایی خوب آن برای دینامیک مدل نشده و نامعینیهای پارامتریک استفادهشده است. روش - LQR - هم به سبب مزیت در ارائه سیگنال ورودی بهینه از فیدبکی متغیرها موضوع برخی کارها قرارگرفته است . مشکل این تکنیک، دشواری حل تحلیلی معادله ریکاتی است. کنترل پسگام روش دیگری است که همگرایی متغیرهای داخلی کوادروتور را تضمین میکند اما نیاز به محاسبات زیادی دارد. روش مد لغزشی نیز در بسیاری از تحقیقات مورداستفاده پژوهشگران قرارگرفته است.
این روش نیز مانند هر روش دیگری نقطهضعف خود را دارد و آن پدیده نوسان است که هرچند بهبودیافته است ولی همچنان جای کار زیادی دارد. البته روش های دیگری مانند فیدبکی دینامیکی، فیدبکی بینایی، تکنیکهای فازی شبکههای عصبی و غیره نیز هرچند کمتر ولی در بحث کنترل کوادروتور ازنظر دور نگاه داشته نشده اند. در حال حاضر در بحث تخمین موقعیت در محیطهای داخلی با استفاده از تکنیکهای موجود، چالشهای زیادی وجود دارد.
فناوریهای متعددی ازجمله IPS WIFI و BLUETOOTH برای موقعیتیابی در محیطهای داخلی ارائهشده است. این روشها درگوشیهای هوشمند و تعیین موقعیت شخص در داخل ساختمان بررسیشدهاند. دقت موقعیتیابی این روشها حدوداً یک متر است. امروزه تعداد قابلتوجهی از مطالعات برای بهبود تخمین موقعیت صورت گرفته است. در یک سامانه ناوبری اینرسی که محاسبات آن بر مبنای قانون دوم نیوتن است، عموماً از خروجی حسگرهای اینرسی پرهزینه برای تعیین موقعیت استفاده میشود. همچنین به علت وجود عدم قطعیتهای قابلتوجه از نوع نویز و بایاس، خطای موقعیتیابی در مدتزمان کوتاهی افزایش مییابد.
-2 طراحی کنترلکننده کوادروتور:
مسئلهی کنترل، یکی از موضوعات مهم در عمودپروازها است. کوادروتور برای رسیدن به مقصد موردنظر، باید در مسیر حرکت خود دچار انحراف و سقوط نشود و بتواند بدون خطابه مقصد برسد. در این پژوهش از کنترلکننده تناسبی- مشتقی جهت کنترل ارتفاع و وضعیت کوادروتور و از کنترلکننده مد لغزشی- انتگرالی جهت کنترل موقعیت کوادروتور مورداستفاده قرارگرفته است.
کوادروتور به دلیل داشتن شش خروجی درازای چهار ورودی کنترلی شامل مسئله زیر تحریک بودن است. بهبیاندیگر با توجه به معادلات فضای حالت کوادروتور، چهار حالت کوادروتور که بیانگر ارتفاع و وضعیت آن میباشند، بهطور مستقیم با ورودیهای کنترل میشوند. اما جهت کنترل حالتهای - X,Y - ورودی مستقل وجود ندارد. برای کنترل حالتهای - X,Y - ورودیهای مجازی در معادلات موقعیت کوادروتور تعیینشده است که تعیین آن توسط کنترلکننده منجر به تعیین رفتار ایده آل وضعیت کوادروتور میشود. شکل - 1 - بلوک دیاگرام موقعیت و وضعیت کوادروتور را نشان میدهد.
شکل :1 بلوک دیاگرام موقعیت و وضعیت کوادروتور
-3 کنترل ارتفاع و وضعیت کوادروتور:
از یک کنترلکننده - PD - برای پایدارسازی ارتفاع و وضعیت کوادروتور استفادهشده است. الگوریتم کنترل زوایای رول، پیچ و یاو مشابه یکدیگر است اما به سبب اختلافات ذاتی، کنترل ارتفاع متفاوت خواهد بود. شکل - 2 - ساختار بلوکی کنترلکننده تناسبی-مشتق گیر مورداستفاده برای زوایای اویلر و ارتفاع را نشان میدهد. همانطور که در شکلها مشخص است برای جلوگیری از اشباع محرکها، از بلوک اشباع استفاده شده و مشتق نیز بهجای خطا در این نکته نهفته است. با به دست آمدن ورودیهای کنترلی ، رابطه بین سیگنال ورودی به موتورها برحسب وضعیت فعلی و مرجع کوادروتور به دست میآید.
شکل:2 ساختار کنترلکننده مورداستفاده برای ارتفاع و زوایای رول، پیچ، یاو
-3-1 کنترل موقعیت X و :Y
کنترل مد لغزشی یک روش کنترل غیرخطی است که استراتژی کنترل را در برابر عدم قطعیتها تضمین میکند. در این روش پایداری بهوسیله نگهداشتن حالتهای سیستم روی سطح لغزش به دست میآید. با طراحی کنترلکننده برای ورودیهای مجازی و ، زاویههای و مناسب جهت ردیابی و از معادلات موردنظر محاسبه میشود.
