بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به روشی برای شناسایی پارامترهای الگوی دینامیک پرواز طولی یک MAV متعارف میپردازیم. و این روش را با استفاده از روشهای تحلیلی انجام میدهیم ودر اجرای این فرایند ابتدا یک مدل مرجع انتخاب میکنیم و در ادامه با استفاده از روش مهندسی حداقل مربعات معمولی و با اعمال ورودی کنترلی الویتور ضرایب و م شتقات پروازی را به د ست آورده و سپس نتایج را با مقادیر داده شده از مرجع ا صلی مقایسه میکنیم. از آنجا که ریزپرندهها مانند دیگر هواپیماها انواع مختلفی را شامل میباشند، از کلمه متعارف استفاده شده است برای اینکه نوع معمولی آنها مد نظر باشد، برای مثال بعضی از ریزپرندهها شکل مگسهای بالزن را دارند که مد نظر ما نیستند.
-1 مقدمه و هدف:
نوع جدیدی از هواپیماهای بدون سرنشین - - UAVs به وجود آمده اند که ریزپرنده ها یا MAVs نام گذاری شده اند و به طور قابل ملاحظه ای از هواپیماهای قابل کنترل از راه دور موجود - - RPVs کوچکترند. امروزه ابعاد MAV ها تقریبا به شش اینچ رسیده است و قابل توسعه تا رسیدن به اندازه ی حشرات در آینده نزدیک خواهند بود.تحقیق در زمینه ریزپهپادها که در فضای کوچکی پرواز می کنند با چالشهایی در زمینه ی طراحی مواجه می باشد. بسیاری از روابط ریاضی که در طراحی هواپیماهای معمولی استفاده می شوند قابل به کارگیری برای هواپیماهای کوچک و با سرعت پایین نمی باشد
شبیهسازی دینامیک پرواز ممکن است یکی از مهمترین استفاده های ابزاری برای پروازهای قبل از انجام طرح و مأموریت باشد. این شبیهسازیها پاسخ فرمانهای مانوری را تخمین میزنند و اجازه میدهند که سیر پروازی منتجه با دقت ارزیابی شود.
از طرفی شناسایی سیستمهای دینامیکی از دیر باز مورد توجه مهندسین و طراحان قرار داشته است. در مبحث مهندسی هوافضا در ابتدا روشهای سختافزاری تحت عنوان Analog Matching مطرح بوده که از طریق اعمال تغییرات در خواص برخی از المانهای مداری مثل پتانسیومترها سعی در شناسایی مشتقات هواپیما مینمودند به طوری که پاسخ الگوی ریاضی با پاسخ هواپیما روی صفحه اسیلوسکوپ یکسان گردد. در سیر تکاملی روشهای شناسایی، روشهای مهندسی مبتنی بر حداقل مربعات و نیز روشهای آماری تخمین حداکثر احتمال و روشهای مدرنتر فیلترینگ نرمافزاری بر پایه معادلات سیستم در فضای حالت و اندازه گیریهای آغشته به نویز مطرح شده است که در فرایند اجرای تحقیق معرفی خواهند گردید.
تئوری و پیشینه تحقیق
طراحی سیستمهای کنترلی مورد نیاز برای یک پرنده خودگردان مثل MAV نیازمند داشتن یک الگوی دینامیک پروازی برای آن میباشد. طبیعتاً الگو و پارامترهای آن باید به گونهای باشند که رفتار مشابه MAV را در ازای ورودیهای کنترلی یکسان تولید کنند. در اینجا دو بحث مطرح می شود؛ یکی توسعه یک الگوی مناسب و دیگری شناسایی پارامترهای درون آن برای تولید رفتار واقعی است. هدف از این تحقیق انجام هر دو مورد خواهد بود که البته به خاطر اهمیت تأثیر، هر دو فرایند شناسایی، همزمان اعمال خواهند شد تا همگرایی لازم با نتایج تجربی صورت گیرد. برخورد تحقیق در فرایند شناسایی یک سیر تکاملی خواهد داشت و حدالامکان سعی خواهد گردید از یک روش مهندسی شروع گردد.
ابتدا ضمن معرفی این هواپیما و شرح تمایز آن با انواع دیگر وسایل هوایی وتوضیح در مورد کار کردهای آن روند تدریجی و تاریخی پیدایش آنها را بیان میکنیم. بعد از بررسی مقالات مختلف، الگوهای متعدد دینامیک پروازی را جمعآوری و یکی از مناسبترین آنها را جهت شناسایی مشتقات پروازی انتخاب میکنیم. ابتدا به معرفی وتاریخچه روشهای مهندسی میپردازیم و بعد از آن با استفاده از روش حداقل مربعات معمولی وپیاده سازی الگوریم آن در mfile برنامه matlab مشتقات آیرودینامیکی، دینامیک پروازی، پایداری و کنترل را تخمین میزنیم. سپس جداول و نمودارها را آورده و آنها را با هم مقایسه میکنم.
روش تحقیق بیشتر بر پایه مطالعات اولیه و سپس انتخاب الگو در یک فرایند رفت و برگشتی خواهد بود، که بتواند در حد مطلوب به نیازهای تحقیق پاسخ دهد. برای به دست آوردن پارامترهای الگوی اشاره شده روشهای مختلفی وجود دارد که روش حداقل مربعات معمولی، حداقل مربعات بازگشتیّRLS و روش فیلترکالمن ازجمله آنها می باشد. که ما از روش مهندسی OLS پارامترها را تخمین زده و در این روش به دنبال موارد زیر بودهایم:
- تدوین و یا توسعه یک مدل دینامیک پرواز مناسب از MAV در بخش طولی.
- شناسایی پارامترهای کلیدی از این مدل به دست آمده از روش حداقل مربعات معمولی.
- مقایسه نتیجه شناسایی با نتیجه حاصل از الگوی انتخابی.
در صورتی که بتوان الگوی دینامیک پروازی مناسبی برای MAV به دست آورد که نتایج آن با رفتار واقعی این پرنده همسان باشد، کار مفیدی خواهد بود. لازم به ذکر است که این الگو میتواندکاملاً یا تا حدی با الگوهای موجود هواپیماها که چندین مرتبه مقداری از ابعاد MAV بزرگتر است متفاوت باشند.
روشهای تخمین ضرائب و مشتقات آئرودینامیکی
برای دستیابی به این هدف عمدتا از روشهای مهندسی و فیلترینگ استفاده میشود که به صورت کلی از سه روش کلی زیر قابل محاسبه هستند:
-1 روشهای تحلیلی،
-2 تونل باد
-3 آزمایش پرواز.
مواد و روشها
تخمین مشتقات پروازی از روش مهندسی حداقل مربعات معمولی:
برنولی و گوس اولین کسانی هستند که به صورت کاربردی از روش حداقل مربعات معمولی و تابع شباهت استفاده کردهاند. پیشرفت اصلی در زمینه تخمین پارامترهای پروازی در اواخر دههی 1960 پس از مطرح شدن فیلترهای بهینه توسط کالمن آغاز گردید و بعد از آن روشهای مختلف تخمین پارامترها نظیر حداقل مربعات، همبستگی و حداکثر شباهت ارائه شدند.
برای انجام کار نیاز به یک سری روابط ریاضی جهت توصیف حرکت هواپیما داریم. این روابط به صورت دستهای از معادلات دیفرانسیل ظاهر میشوند که شامل متغیرها و ضرایب پایداری هستند. در به دست آوردن معادلات حرکت ریزپهپاد مفروضات زیر را در نظر میگیریم:
MAV -1 از نوع بال ثابت باشد،
MAV -2 دارای بال صلب باشد و انعطافپذیر نباشد و
MAV -3 از یک بال برخوردار باشد و برای مثال دوباله نباشد.
