بخشی از مقاله

چکیده -

در این مقاله، ابتدا معادلات سینماتیکی پدستال X-Y نصب شده روی شناور جهت پایدارسازی و ردیابی هم زمان پدستال و به منظور بکارگیری در سامانه ردیاب ماهوارههای LEO استخراج شده است و سپس با حل معادلات سینماتیک وارون، زوایای مفصلی مورد نیاز پدستال که بهعنوان زوایای مرجع در طراحی کنترل کننده می باشند، بدست آورده شده اند.

در ادامه به منظور شبیه سازی و ارزیابی عملکرد سیستم طراحی شده، با استفاده از جعبه ابزار SimMechanic در نرم افزار matlab پدستالX-Y مدل سازی شده است و مدل SimMechanic یک پدستال نمونه بدست آورده شده است. جهت کنترل موقعیت پدستال X-Y، از دو روش کنترل IDC - Inverse Dynamic Control - و روشکنترل مد لغزشی انتگرالی استفاده شده است و هر دو روش شبیه سازی شدهاند. در انتها مسیر ماهواره نمونه، اغتشاشات دریا و ورودی های مرجع برای کنترل کننده به همراه نتایج شبیه سازی حاصل از مقایسه این دو روش کنترلی در حضور اغتشاش باد آورده شده است.

-1 مقدمه

ایستگاه زمینی ماهواره، به مجموعه تجهیزات ویژهای اطلاق میگردد که جهت دریافت اطلاعات از ماهوارهها مورد استفاده قرار میگیرند. این مجموعه شامل تجهیزاتی از قبیل پدستال، رفلکتور، تجهیزات کنترلی، تجهیزات مخابراتی، تجهیزات پردازشی، تجهیزات الکتریکی و ... میباشد. یکی از مهمترین بخشهای ایستگاه زمینی که معمولا بهعنوان نماد یک ایستگاه زمینی شناخته می شود، بخش پدستال است. به لحاظ موقعیت نصب می توان ایستگاههای زمینی متحرک، ایستگاه های زمینی ثابت، ایستگاههای زمینی قابل حمل و نقل و ایستگاههای زمینی قابل نصب بر روی کشتی را معرفی نمود.

هنگامی که یک پدستال در حال حرکت باشد علاوه بر آنکه بایستی مدار ماهواره را دنبال نماید بایستی بتواند حرکتهای ناخواسته محل نصب را نیز جبران نماید. از این رو مشخصات مورد نیاز پدستالهای مورد استفاده در کشتی تا حدی متفاوت از مشخصات پدستالهای مورد استفاده در زمین یا خشکی که در یک مکان ثابت قرارگرفته و عملیات ردیابی ماهواره را انجام می دهند، خواهد بود.

در [2] کنترل مد لغزشی برای یک نمونه آنتن نصب بر کشتی به منظور پایدارسازی آنتن طراحی شده است. کنترل FTC آنتن ردیابی ماهواره قابل نصب بر کشتی در [3] بیان شده است و مدل سازی دینامیکی و سینماتیکی آنتن با در نظر گرفتن اغتشاشات و حرکات کشتی انجام شده است.کنترل فازی روشی دیگر برای کنترل آنتن های ردیابی قابل نصب بر کشتی میباشد. این روش به منظور ردیابی ماهواره و حذف اثرات اغتشاشات دریا طراحی و شبیهسازی شده است.

از آنجاییکه آنتن ردیابی ماهواره همانند یک ربات سریال دو درجه آزاد است میتوان به طراحی کنترل کننده مد لغزشی فازی و تطبیقی در[5],[6] جهت کنترل بازوهای ربات اشاره کرد. در [7] کنترل مد لغزشی بر اساس شبکه عصبی برای یک ربات غیر خطی طراحی و شبیه سازی شده است. کنترل مد لغزشی بدون چترینگ با سطح لغزش PID و تنظیم گین به روش فازی در [8] بهعنوان روشی مقاوم برای کنترل ربات بیان شده است.

در این مقاله، هدف ردیابی ماهواره LEO با استفاده از پدستال X-Y میباشد که روی کشتی نصب شده است. پدستال X-Y یکی از مناسبترین نوع پدستال، برای ردیابی ماهواره-هایی که در مدار LEO حرکت می کنند، می باشد و همچنین قابلیت نصب بر روی ایستگاههای نصب بر روی کشتی را نیز دارد. برای همین منظور ابتدا سینماتیک این نوع پدستال مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته و سپس به منظور پایدارسازی و ردیابی همزمان محورهای حرکتی آنتن، از روش کنترل مد لغزشی انتگرالی - - ISMC و روشIDC استفاده شده است و با شبیهسازی نشاندادهشده که روش مد لغزشی انتگرالی در برابر اغتشاشات و نامعینیهای سیستم مقاوم است و روش مناسبتری جهت ردیابی ماهواره LEO در این نوع پدستال میباشد.

-2 معادلات سینماتیکی پدستال و کشتی

سیستم مورد نظر شامل یک شلجمی میباشد که بر روی محور دوار x که افقی با زاویه چرخش بین صفر تا 180 می-باشد، سوار گردیده است. محور x بر روی یک مکانیزم که حول یک محور - محور - y می چرخد نصب گردیده است. این محور نیز افقی است و بین صفر تا 180 قابلیت چرخش دارد. این مکانیزم در روی کشتی با سه درجه آزادی نصب شده است. در شکل 1 نمایی از پدستال X-Y روی کشتی نشان داده شده است.

شکل:1 نمایی از پدستال روی کشتی به همراه تعیین مختصات آنها

به منظور تحلیل مکانیزم سینماتیک نیاز است چارچوبهایی برای هر جزء مکانیکی تعریف شوند که رابطه بین موقعیت ماهواره، جهت عناصر آنتن و اغتشاش دریا را بیان میکنند. این چارچوب ها، چارچوبهای}مرجع محلی{ ، {0} ، {1} ، {2} و {3} میباشند، که چارچوبها به صورت ذیل و مطابق شکل 2 در نظر گرفته شدهاند:
·    چارچوب{0}در نقطه نصب مکانیزم - بدنه کشتی - قرار دارد. این چهارچوب برای نشان دادن اثرات باد و اغتشاشات امواج دریا است.

·    چارچوب{1} چسبیده به رابط 1 و بر روی مفصل 1 قرار دارد. - موتور - y

·    چارچوب {2} چسبیده به رابط 2 و بر روی مفصل 2 قرار دارد. - موتور - x

·    چارچوب {3} چسبیده به آنتن و بر روی نوک آنتن قرار دارد.

·    چارچوب مرجع محلی{G}

به طور کلی ماتریس تبدیل کلی ازچهارچوب مرجع به چهارچوب متصل به آنتن به صورت زیر میباشد:

که در آن  R0G    ماتریس تبدیل چهارچوب مرجع به چهارچوب متصل به بدنه کشتی می باشد که شامل دورانهای
کشتی در سه جهت  Roll,Pitch و - Yaw    ,  ,     - است. این  همان ماتریس چرخشهای محورثابت X-Y-Z است.        

در روابط فوق sin cos , s    .c انحرافات کشتی به سه زاویه رول، پیچ و یاو تقسیم میشود و می تواند توسط سنسورهای اینرسی اندازهگیری شود. بنابراین مقادیر , , معلومات مساله هستند. میدانیم که مکانیزم سوار کشتی است لذا در حین چرخش و سمتگیری کشتی محورهای مکانیزم در حال تغییر جهت هستند حتی اگر مکانیزم چرخش نکند. با توجه به اینکه محور x سوار برمحور y می باشد، لذا ماتریس چرخش آن باید بر اساس ابتدا چرخش y و سپس چرخش x باشد. - چرخشها حول محور بدنه می باشد - R20 ماتریس تبدیل از چهارچوب بدنه کشتی به چهارچوب متصل به موتور x است که در آن 2 چرخش اویلر توسط موتور مکانیزم حول محور X بدنه و 1 چرخش اویلر توسط موتور مکانیزم حول محور Y بدنه میباشد.                            

-3 سینماتیک وارون پدستال X-Y و کشتی

در این بخش هدف، تعیین زوایای مناسب متغیرهای مفصلی با توجه به انحرافات ناشی از حرکت کشتی به منظور جهت دهی مطلوب آنتن به سمت ماهواره مورد نظر، در موقعیت EL/AZ خاص میباشد. همانطور که میدانیم مسیرهای ماهوارهها بر اساس زوایای Elevation و Azimuth در طول زمان داده می-شوند بنابراین باید این زوایا به زوایای X و Y برای هدایت صحیح پدستال X-Y به سمت ماهواره تبدیل شوند، این نگاشت در زیر با توجه به شکل 3 این بدست آورده شده است.

شکل:3 جهت آنتن برحسب زوایای Az_Elv و X_Y در مختصات مرجع محلی.[9]

بردار نشان دهنده مسیر ماهواره بر اساس زوایای Elevation و Azimuth در چارچوب مرجع{G} بصورت زیر بدست میآید:

به منظور ردیابی زوایای - - AZ,EL ماهوارهLEO، موتورهای x,y باید طوری بچرخند که دید آنتن - بردار عمود بر سطح آنتن - با وجود اغتشاشات دریا همچنان در راستای بردار pG قرار گیرد، بنابراین داریم:

بنابراین با داشتن مسیرهای ماهوارهای به صورت زوایای Elevation و Azimuth در طول زمان و همچنین انحرافات کشتی میتوان مقادیر متغیرهای مفصلی مورد نیاز را مطابق با رابطه - 8 - بدست آورد. در اینجا 1 , 2 زوایای مرجع برای کنترل محورهای حرکتی پدستال هستند که بهصورت همزمان و تلفیقی، مساله پایدارسازی و ردیابی را با توجه به انحرافات دریا حل میکنند.

-4 طراحی کنترل کننده

در این بخش دو روش کنترلی مناسب به منظور پایدارسازی و کنترل ردیابی سامانه ردیاب ماهواره مورد بررسی قرار میگیرد.

-1-4 کنترل کننده IDC

مدل دینامیک پدستال غیرخطی و بصورت - 9 - می باشد. بردار R 2 1 سیگنال کنترلی اعمال شده به سیستم است و همان گشتاورهای مربوط به دو محور میباشد. بردار R 2 1 زوایای چرخشی پدستال هستند. بنابراین ماتریس M R 2 2 و بردار C ,G R 2 1 می باشد.

- 9 -     M -   - C -  ,   -   G -   -     
        
در اینجا با استفاده از معادله دینامیکی معکوس و بوسیله خطی سازیفیدبک، عوامل غیرخطی را حذف کرده و بوسیله کنترل کنندهی PID عمل پایدارسازی صورت خواهد گرفت. این روش کنترل دینامیک معکوس - IDC - خوانده میشود. این روش کنترل، کنترل گشتاور نیز خوانده می شود. کیفیت عملکرد این روش کنترلی، به دقت مدل وابسته بوده و در صورتی که مدل دقیقی در دست نباشد، اهداف کنترلی مناسب بدست نخواهد آمد.

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید