بخشی از مقاله
خلاصه
هدف اصلی این مقاله طراحی یک سیستم ناوبری تلفیقی متشکل از سنسورهای اینرسی ارزانقیمت برای تخمین وضعیت دقیق یک رونده زیرآبی خودکار در طول همه فازهای ماموریت زیرآبی و سطحی است. دستاورد پیشنهادی با تکیه بر سیستم موقعیتیاب جهانی GPS، واحد اندازهگیری اینرسی - شتابسنج و ژیروسکوب - ، سنسور مغناطیسسنج و تکنیک فیلتر تکمیلی پایهگذاری شده است. فیلتر تکمیلی بر پایه فیلتر پایینگذر و بالاگذر به ترتیب برای حذف خطاهای نویز و بایاس در دادههای اندازهگیری موجود در ساختار ناوبری تلفیقی طراحی میشود.
بدین ترتیب تخمین نسبتا دقیقی از وضعیت رونده در اختیار سیستم هدایت و کنترل قرار میدهد. مهمترین ویژگی دستاورد پیشنهادی سوئیچ بین GPS و مغناطیسسنج همگام با تغییر فاز حرکتی رونده زیرآبی خودکار است که منجر به تخمین دقیقتر زاویه سمت نسبت به سیستم ناوبری ژایرویی در فازهای حرکتی سطحی و زیر آبی میشود. عملکرد الگوریتم ناوبری تلفیقی پیشنهادی، در آزمون میدانی یک رونده زیرآبی خودکار تحقیقاتی و در مقایسه با فیلتر کالمن مورد ارزیابی قرار میگیرد.
.1 مقدمه
گسترش محدوده کاربردی انواع ربات اعم از هوایی، آبی و زمینی و تلاش برای ساخت روندههای هوشمند ارزان و با قابلیت اطمینان بالا، منجر به توسعه الگوریتمهای ساده و نیرومند ناوبری برای تخمین وضعیت شده است. ناوبری دقیق، یکی از تواناییهای بسیار مهم و اثباتکننده کارایی ماموریتی رونده زیرآبی خودکار - - AUV در کاربردهای نظامی و غیرنظامی است. بسیاری از ماموریتهایAUV به درجه بالایی از دقت در ناوبری نیازمند است. کارایی و اثربخشی هر یک از الگوریتمهای تخمین وضعیت و در نهایت موقعیتیابی به دو عامل میزان دسترسپذیری و قابلیت اطمینان اندازهگیریها بستگی دارد که منوط به انتخاب صحیح سنسورهای موجود متناسب با نوع کاربری است
سیستمهای ناوبری برمبنای سنسورهای داخلی یا دریافتسیگنال خارجی دستهبندی میشوند. کارایی سیستم ناوبری مبتنی بر دریافت سیگنال خارجی مانند Loran, Omega, GPS به بازه زمانی محدود است که گیرنده سیگنال مرجع بیرونی را دریافت میکند. در حالیکه ناوبری مبتنی بر سنسورهای داخلی میتواند ترکیبی از انواع مختلف ابزارها مانند واحد اندازه-گیری اینرسی *، انحرافسنج ، شمالیاب ، سونار و ... باشد. با وجود محدودیتهای کاربردی و خطاهای اندازهگیری، روش ناوبری داخلی به دلیل عدم نیاز به ارسال هرگونه سیگنال به محیط خارج، نسبت به ناوبری خارجی منفعتهایی دارد، بویژه در حوزه نظامی که میتواند منجر به شناسایی و آشکارسازی موقعیت وسیله گردد
با بکارگیری سنسورهای دقیق در سیستمهای ناوبری، موقعیت و وضعیت دقیق وسیله قابل استخراج است، ولی چنین سنسورهایی با کیفیت بسیار بالا، از نظر قیمت و ابعاد برای کاربردهای تجاری مناسب نخواهند بود. پیشرفت روزافزون سیستمهای الکترومکانیکی در مقیاس میکرو ، توسعه واحدهای اندازهگیری اینرسی ارزانقیمت با ابعاد کوچک را در پی داشته است. اما خروجی آنها از دو منبع خطای نویز و بایاس رنج میبرند. در حقیقت در تولید سنسورهای جدید با کاربری تجاری، مصالحهای بین قیمت، ابعاد سنسور و دقت اندازهگیری صورت گرفته است
هر یک از سنسورهای مورد استفاده در سیستمهای ناوبری دارای مزایا و معایبی هستند. بنابراین هدف از تلفیق سنسورها، پوشش نقاط ضعف یک سنسور توسط سنسور دیگر و تجمیع قابلیتهای همه آنها برای افزایش کارایی سیستم ناوبری است. به عنوان یک ابزار الکترومکانیکی، ژیروسکوب** در معرض خطاهای بسیاری ناشی از ناهمراستایی محور ، بایاس ثابت ، بایاس انحراف ، خطای فاکتور مقیاس ثابت و نامتقارن*** است. بایاس انحراف، اصلیترین منبع خطایی اثرگذار بر دقت ژیروسکوب است که در صورت عدم تصحیح با مرجع خارجی، به دلیل انتگرالگیری از نرخهای زاویهای، منجر به انحراف فراوان از موقعیت صحیح خواهد شد.
اندازهگیرهای حاصل از GPS بدون بایاس بوده و بدون نیاز به تنظیمات دقتی در حد سانتیمتر در اختیار کاربر قرار خواهد داد. در مقابل، نرخ بروزرسانی کند در قیاس با سنسورهای اینرسی، عدم کارایی در زیر آب به دلیل عدم انتشار امواج الکترومغنلطیسی و زمان راهاندازی نسبتا طولانی برای برقراری ارتباط با ماهوارهها، از مهمترین معایب GPS است.
عدم واگرایی خروجی با گذشت زمان، شتابسنج را به عنوان یک سنسور جبرانکننده برای تصحیح انحراف ژیروسکوب مطرح کرده است. اما نکته منفی در عملکرد شتابسنج، تاثیرپذیری آن از نویزهای فرکانس بالا و ارتعاشات محیطی است. مغناطیسسنج به عنوان عامل تصحیحکننده دیگر برای انحراف ژیروسکوب مطرح است اما تاثیرپذیری از میدانهای مغناطیسی ناخواسته محیط - آهن نرم و سخت - و خطاهای ابزاری مانند فاکتور مقیاس، آفست و ... بر عملکرد آن تاثیر منفی خواهد داشت که البته این نوع خطاها را میتوان با کالیبراسیون برطرف نمود
وجود نویز و بایاس در خروجی هر سنسور مانع بزرگی برای استفاده مستقیم از آنهاست. با توجه به متون مختلف، برای کاهش تاثیرات عوامل مزاحم و تصحیح عملکرد سنسورها، روشهایی مبتنی بر فیلتر مانند فیلتر کالمن - فیلتر کالمن ساده* و توسعهیافته - و مشاهدهگر حالت با بهره ثابت با نام فیلتر تکمیلی ، ارائه شدند که بیشترین کاربرد را در زمینه تخمین وضعیت با تلفیق سنسورهای مختلف در الگوریتمهای ناوبری دارند 3]و4و.[9 فیلتر کالمن یک فرآیند تکرارشونده با ساختار تصحیحکننده پیشبین در حوزه زمان است که با تکیه بر دینامیک سیستم و دانش اولیه از نویز سیگنال، تخمین مناسبی از حالت سیستم ارائه میدهد. فیلتر کالمن با ساختار مستقیم و سرعت پردازش بالا، علاوهبر تخمین حالتهای سیستم، همگرایی خطا را نیز حفظ مینماید اما مهمترین مسئله در پیادهسازی فیلتر کالمن، محاسبه ماتریس همگرایی، تعیین مناسب پارامترهای طراحی و بهرههای کالمن است
فیلتر تکمیلی به دلیل ساختار ساده، کارایی بالا و سهولت در پیادهسازی یک جایگزین متداول برای فیلتر کالمن است. فیلتر تکمیلی با فیلتر دوگانه - بالاگذر و پایین گذر - یک تحلیل فرکانسی همهگذر ارائه داده و از ترکیب چند منبع برای تخمین وضعیت بهره میگیرد. درکاربردهای هوایی به دلیل پیچیدگی در اجرا و همگرایی کندتر - به دلیل زمانبر بودن روند تکراری - فیلتر کالمن، استفاده از فیلتر تکمیلی تقدم دارد. در مقابل مهمترین مشکل فیلتر تکمیلی، بهره ثابت آن است که منجر به تخمین نادرست بویژه در مانورهایی با دینامیک بالا میگردد.
به منظور افزایش شناخت نسبت به ساختار و عملکرد فیلتر تکمیلی و غلبه بر موانع بکارگیری سنسورهای ارزانقیمت در سیستم ناوبری، به بررسی دستاوردهایی مبتنی بر فیلتر تکمیلی پرداخته شده است که در شبیهسازیهای نرمافزاری و آزمونهای میدانی موردارزیابی قرارگرفته است.
در مرجع [1] برای استخراج وضعیت صحیح و تخمین بایاس ژایرو، دو نوع فیلتر تکمیلی مستقیم و فیلتر تکمیلی غیرخطی غیرفعال پیشنهاد شده است که با فرم استاندارد چهارگان روی پرنده بدون سرنشین ** - UAV - پیادهسازی شده است و هدف آن آمیختن اندازهگیریهای فرکانس پایین شتاب با اندازهگیریهای فرکانس بالای نرخ زاویهای برای دستیابی به یک تخمین مناسب وضعیت در محدوده وسیع فرکانسی است.
در مرجع [2] فیلتر تخمین موقعیت تکمیلی مبتنی بر اطلاعات نرخ پایین موقعیت حاصل از سیستم موقعیتیاب زیرآبی آکوستیک - USBL - و اطلاعات سرعت با نرخ بالا حاصل از سرعتسنج داپلری - DVL - برای تعیین موقعیت وسیله خودکار زیرآبی در آبهای کم عمق ارائه و صحت عملکرد آن بصورت عملی در محیطهای پر نویز مورد ارزیابی قرار داده است.
مرجع [3] کلاس جدیدی از فیلترهای تکمیلی پایدار مجانبی سراسری - GAS - را برای تخمین وضعیت مبتنی بر اندازهگیریهای سنسور ارائه داده است. فیلتر پیشنهادی شامل تخمین بایاسهای نرخ ژایرو و اندازهگیریهای ناقص سنسوری با مشاهدهگر چند برداری بوده که به منظور ارزیابی عملکرد روی میز ثابت با چرخش نامحدود روی همه محورها اجرا شده است.
مرجع [4] عملکرد فیلتر کالمن و تکمیلی را برای تخمین وضعیتUAV کوچک و با ترکیب اندازهگیریهای ابزار اینرسی MEMS مقایسه کرده است. آنها با پیادهسازی عملی نشان دادند که فیلتر کالمن، خروجی نویزیتری نسبت به فیلتر تکمیلی داشته اما عاری از بایاس است و برای کارکردهایی که به تخمین بلندمدت نیاز دارد، مناسب خواهد بود. به دلیل تاثیرپذیری فیلتر تکمیلی از خطای ناشی از بایاس سنسور، در مرجع [5] برای حذف خطای ژیروسکوب، از دوربین استریو به عنوان مرجع خارجی استفاده شده است.
