بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به تشریح طراحی نرم افزاري خلبان خودکار یک پهپاد با استفاده از شبیه ساز تا مرحله مأموریت کامل و خودکار - غپطککطق کصکئژعپهَططصهعپصأA ئئأً - خواهیم پرداخت. این خلبان خودکار، کلیه مراحل پرواز از زمان بلند شدن و صعود، انجام مأموریتی از پیش تعیین شده تا فرود پرنده را شامل میشود. طراحی نرم افزاري خلبان خودکار با استفاده از شبیه ساز پیش از ورود به مراحل سختافزاري، اشکالات احتمالی الگوریتم برنامه را تا حد بسیار بالایی برطرف میکند و امکان استخراج ضرایب کنترلی را میسر ساخته و باعث کاهش مدت زمان آزمایشات سختافزار در حلقه و تستهاي پروازي خواهد گردید.
واژههاي کلیدي: شبیهسازي، پهپاد، طراحی خلبان خودکار، نرمافزار سیمولینک، نرمافزار ایروسیم
مقدمه
پهپاد موردنظر پرندة کوتاهبرد تجسسی است که در شرکت پرآورپارس طراحی و تستهاي پروازي آن در حال اجراست. گروه طراحی براي تحلیل و آنالیز پهپاد موردنظر چندین نرمافزار را مورد استفاده قرار داد که در طول این تحقیقات نرمافزار ایروسیم که توسط دانشگاه 1عق و با همکاري شرکت یو داینامیکس - کططعهغ2yسأ - طراحی و تولید گردیده و در محدودة زیر صوت سرعت پایین از دقت بالایی برخوردار است، بهعنوان قويترین و مطلوبترین نرمافزار شبیهسازي شناخته شد. نرمافزار ایروسیم از مجموعه بلوكهاي شبیهسازي هواپیما تشکیل شده است که بهوسیله آن میتوان مدل دینامیکی هواپیما را بهصورت شش درجه آزادي غیرخطی شبیهسازي کرد.
بهمنظور کنترل این پهپاد واحد روباتیک و اویونیک با توجه به امکانات اجرایی و تجربیات موجود، پیشنهاد استفاده از روش کنترلی خعب را ارائه کرده و این روش براي کنترل پرنده مورد استفاده قرار گرفت.اساس کار طراحی نرمافزاري خلبان خودکار به این صورت است که حسگرهاي خروجی از شبیهساز نرمافزار ایروسیم بهصورت پسخورد - فطهت2ککً - وارد بلوك اتوپایلوتی میشود که تحت نرمافزار سیمولینک نوشته شده است و پس از آنالیز وضعیت هواپیما توسط برنامه، خروجی عملگرهاي - کطپصهأصط - A برنامه اتوپایلوت وارد شبیهساز ایروسیم میشود. این عمل بهطور مکرر تکرار شده تا نتیجه مطلوب حاصل گردد.
شبیهسازي پهپاد توسط نرمافزار ایروسیم
ایروسیم اطلاعات کلی پرنده را بهصورت یک فایل متنی دریافت میکند. این فایل شامل بخشهاي مختلفی از جمله مشخصات آیرودینامیکی، ویژگیهاي ملخ، اطلاعات مربوط به موتور و مشخصات اینرسی پهپاد میشود. بهمنظور بهدست آوردن این اطلاعات از نرمافزارهاي مختلفی استفاده گردید که بهعنوان مثال براي محاسبه ضرایب آیرودینامیکی و مشتقات پایداري مورد نیاز از کدهاي رایج محاسبه ضرایب و همچنین برنامه عبA استفاده شد.ایروسیم براي شبیهسازي پرواز، مدل دینامیکی پهپاد را به بخشها و بلوكهاي مختلفی تقسیم کرده است. در بخش مدل اتمسفر، ایروسیم قادر است شرایط مختلف آب و هوایی از جمله توربولانس، باد متغیر، قیچی باد و ... را بهصورت مطلوب تحلیل کند.
در مجموعه مدل کرة زمین بلوكهایی موجود است که توانایی شبیهسازي مشخصات و ویژگیهاي زمین مانند نقاط برخورد هواپیما با زمین جصغطپژ صطهصغپط 2غأپط؟ض، ارابه فرود و تغییرات میدان مغناطیسی را فراهم میآورد. مجموعه آیرودینامیک شامل بلوكهایی میشود که نیروها و ممانهاي آیرودینامیکی وارد بر پرنده را بهصورت خطیسازيشده محاسبه میکند. ایروسیم با استفاده از شیوة جمع آثار، شش ضریب اصلی را با توجه به وضعیت لحظهاي پرنده استخراج میکند و با استفاده از معادلات مرسوم، نیروها و ممانهاي آیرودینامیکی را بهصورت شش درجه آزادي بهدست میآورد. مدل پیشرانش این نرمافزار امکان شبیهسازي سیستم پیستونی ملخی را بهصورت مطلوب فراهم کرده است.
با استفاده از این مجموعه میتوان میزان تراست، گشتاور لحظهاي ملخ، سرعت چرخش ملخ و همچنین میزان مصرف سوخت موتور را بهدست آورد. به این ترتیب با استفاده از این شبیهساز امکان محاسبه مداومت پروازي پهپاد میسر است.یکی از ویژگیهاي منحصر به فرد نرمافزار ایروسیم امکان تغییر در ساختار اصلی برنامه است. به این صورت که با توجه به خصوصیات پهپاد موردنظر، میتوان برنامه را بهصورت مطلوب بهینهسازي کرد. در پروژة پهپاد شبیهسازيشده، با توجه به اینکه موتور پرنده از نوع الکتریکی بود، با حذف بلوك موتور پیستونی و اضافه کردن بلوك موتور الکتریکی که توسط بخش شبیهسازي شرکت طراحی گردیده بود، مدل پیشرانش نرمافزار تصحیح گردید.
همچنین موتور پرندة موردنظر بنابر ملاحظات طراحی با چند درجه انحراف نسبت به افق نصب شده بود؛ در حالی که نسخه اصلی نرمافزار ایروسیم توانایی مدل کردن انحراف زوایاي موتور را نداشت. بنابراین با ایجاد تغییرات در معادلات پیشرانش، امکان شبیهسازي انحراف زاویه موتور در دو جهت به نرمافزار ایروسیم اضافه گردید. در بخش معادلات حرکت، مجموعهاي از بلوكها قرار دارد که معادلات دیفرانسیلی حرکت را بهصورت غیرخطی در دو دستگاه بدنه و مرجع حل کرده و موقعیت - عرض جغرافیایی، طول جغرافیایی و ارتفاع - ،سرعت - سرعت هوا، سرعت زمینی در سه جهت و سرعت بدنه در سه جهت - ، وضعیت لحظهاي پرنده - اویلري و کواترنیونض وهمچنین زوایاي حمله و لغزش جانبی را مشخص میکند.
براي درك بهتر رفتار دینامیکی پرنده، با ایجاد ارتباط بین ایروسیم و نرمافزارهاي مشاهدهگر پرواز مانند فلایت گییر - طهکن صلا؟طئً - ، میتوان بهصورت زمان واقعی - کعطصسئهکط - به نمایش سهبعدي پرواز هواپیماي شبیهسازيشده پرداخت. براي استفادة بهینه از شبیهساز و با استفاده از امکانات سیمولینک، واحد شبیهسازي اقدام به طراحی ایستگاه کنترل زمینی سادهاي کرد. ایروسیم امکان شبیهسازي عملگرها و حسگرها را نیز براي تطبیق مدل با شرایط واقعی میسر کرده است. در شکل 1 نمایی کلی از شبیهسازي پهپاد در نرمافزار ایروسیم در حالت حلقه باز - ژپپئ غکژپ - نمایش داده شده است.
طراحی نرمافزاري خلبان خودکار پهپاد
هدف اصلی از طراحی سیستم خلبان خودکار، ایجاد قابلیت در هواپیماهاي بدون سرنشین براي انجام مأموریتهاي مشخصشده بهصورت اتوماتیک و بدون هرگونه دخالت از طرف اپراتور است. یک سیستم خودپرواز با استفاده از اطلاعات وضعیت هواپیما که توسط حسگرها تأمین میشود، سطوح کنترلی را براي رسیدن به شرایط مطلوب حرکت میدهد.مراحل سیر روند طراحی و تست الگوریتم خلبان خودکار در شکل 2 تشریح شده است ب1م. بخش کنترل سطح پایین جئپطصغپط ئکهکئ wپئض شامل دو بخش پایداري جyصطئطتهصکض و کنترل جئپطصغپطض است. هدف از این بخش بهبود پایداري دینامیکی هواپیما و تنظیم پارامترهاي پرواز، با توجه به پیروي ترتیبی دستورات خلبان خودکار در الگوریتم کنترلی است. کنترلگر انتخابی براي پایداري و کنترل، از نوع کنترلگر کلاسیک مشتقگیر انتگرالگیر به همراه بهرة قابل تغییر است که میتواند ایدهآلی از توانمندي و کارایی را براي پهپاد به ارمغان بیاورد. این بخش از اهمیت بسیار ویژهاي در طراحی و تست خلبان خودکار برخوردار است، زیرا بهعنوان پایه و اساس الگوریتمهاي مراحل بعد، بهدفعات مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
