بخشی از مقاله
چکیده
هواپیما های بدون سرنشین در سال های اخیر بسیار مورد توجه بوده اند.ناوبری ، هدایت و کنترل ارتفاع هواپیما های بدون سرنشین - پهپاد ها - به دلیل پرواز پهپادها در ارتفاع پایین و نزدیک سطح زمین از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده و طراحی سیستم کنترل مناسب جهت نیل به برد پروازی زیاد ومانورپذیری بالا در اجرای موفقیت آمیز مانورها نقش مهمی دارد.
بنابراین باید در انتخاب سیستم کنترل و ابزار دقیق مناسب باید دقت بسیار نمود. در این میان رویکردهای کنترلی بسیاری جهت دستیابی به پایداری و عملکرد مطلوب با توجه به دقت، سرعت و قابلیت های مانورپذیری مورد نظر در جهت غلبه و کم کردن عدم قطعیت ها و خطای مدلسازی و .... تحقق یافته است.از جمله این رویکردها می توان روش های تطبیقی و مقاوم و روش های هوشمند مبتنی بر سیستم های فازی ، عصبی و یا ترکیبی ازاین روش ها را اشاره کرد.
در این مقاله رویکردی برای مدلسازی دینامیکی و شبیه سازی هواپیمای بدون سرنشین در کنار سامانه های هدایت و کنترل ارتفاع یک هواپیمای بدون سرنشین جهت افزایش کارآیی کنترل کننده در هنگام افزایش و کاهش ارتفاع ارائه شده است، جهت نیل به این هدف در این پروژه از روش کنترل فازی جهت خنثی نمودن اغتشاشاتی نظیر انحراف الویتور و Gust استفاده شده است چرا که کنترل فازی جایگزین مناسبی برای کنترل فرآیندهای پیچیده و غیرخطی است،که کنترل آنها با روشهای مرسوم دشوار است، به دلیل اینکه روش مناسبی را برای طراحی کنترل کنندههای غیر خطی بر پایه روش های ابتکاری و خلاقانه در اختیار ما قرار میدهد .
بر خلاف روشهای مرسوم ، که تمرکز بر روی مدلسازی و استفاده از این مدل ها برای ساختن یک کنترل کننده است که با معادلات دیفرانسیل توصیف شده است. در کنترل کننده فازی ،بر روی بدست آوردن درکی صحیح از نحوه کنترل بهینه فرآیند، کار خواهیم کرد و این اطلاعات را به طور مستقیم در یک کنترل کننده مورد استفاده قرار می دهیم.
-1مقدمه
ساخت پهپاد ها با توجه به نوع ماموریت آنها ، بااندازه گیری کاهش وزن، سایز و هزینه شکل گرفته است به طوریکه با ساخت و طراحی کنترلر خودکار این وسیله پرنده ، دغدغه انسانها برای انجام ماموریتهای خاص در مکان های مختلف حل شده است.
با تحقیقات و تحولات صورت گرفته در چهل سال گذشته در زمینه پرنده های بدون سرنشین ، پیشرفت های زیادی در این صنعت بدست آمده است.این پیشرفت با شتاب بیشتری در دهه گذشته همراه بوده است که از دلایل مهم این اتفاق می توان به کاربردهای غیر نظامی و کاربران جدیدی که این نوع پرنده پیدا کرده اشاره کرد.
بر طبق آمار کشور استرالیا بین سال های 2001 تا 2010 توسعه 198 درصدی در این صنعت داشته است.به لحاظ کاربردی پهپادها به دو زمینه ی اصلی کاربردهای نظامی و غیر نظامی تقسیم کردو کاربردهای غیر نظامی برای پهپادها را می توان در چهار کلاس مهم دسته بندی کرد که این چهار گروه عبارت است از : خدمات تجاری ، خدمات شهری ، امنیتی و تحقیقاتی.
همانگوه که بیان شد ، ساخت پهپادها با توجه به نوع ماموریت آنها ، با انگیزه کاهش وزن، سایز و هزینه شکل گرفته است.برای رسیدن به این هدف چالشهای بزرگی از جمله پایداری و کنترل این نوع پرنده ها که به علت ممانهای اینرسی کمی که دارند بوجود آمده اند.
علاوه بر این موارد دغدغه های اصلی طراحان این نوع پرنده ها ، طراحی سیستم کنترل و پایلوت پرنده برای رسیدن به درجه خودکاری بالا و کاهش سطح نیاز به راهنمایی های انسانی در تمام مراحل پروازی می باشد.
رسیدن به این هدف که پهپاد در تمام مرحل پروازی از جمله پرتاب اولیه،کروز،گشت زنی و فرود بدون نیاز به فرامین ایستگاه زمینی قابلیت پرواز و انجام ماموریت خودکار را داشته باشد از دیرباز آرزوی طراحان سیستم کنترل پهپادها بوده است که تا حدودی در پرواز کروز محقق شده است.
سیستم کنترل پرواز خودکار سیستمی است که علاوه بر تضمین پایداری جسم پرنده قابلیت اجرای فرامین مانور و تغییر مسیر را داراست و در واقع سیستمی است که ناوبری و ردیابی اتوماتیک را فراهم می کند.برای کنترل مسیر پروازی به کامپیوتر هدایت کننده و اتوپایلت نیاز است.
اتوپایلت مجموعه ای از قطعات الکترونیکی و نرم افزارهای کنترلی است که کنترل موتور و سطوح فرامین را برعهده دارد و پرنده را به سمت هدف تعیین شده هدایت می کند.
در غیاب سیگنالهای هدایتی، وظیفه اتوپایلت نگهداری پرنده در وضعیت صحیح و خط مستقیم است.
در صورتیکه کامپیوتر هدایت اطلاعات جدیدی را به اتوپایلوت ارسال کند پرنده مسیر پروازی خود را متناسب با فرمانهای جدید تغییر می دهد.کامپیوتر هدایت کننده اطلاعات خود را از سیستم های هدایتی مختلفی جمع می کند.
به منظور کنترل یک اتوپایلوت می توان از روشهای مختلف کنترلی استفاده کرد،نظیر کنترل فازی[4]،کنترل تطبیقی[5,6]شبکه های عصبی [7,8] الگوریتم ژنتیک[9] و تئوری لیاپانوف .[10]که البته همانگونه که گفته شد در این مقاله از کنترل فازی استفاده خواهد شد.
-2کنترل فازی
در دهه 1960 تئوری فازی بوسیله پروفسور لطفیزاده در سال 1965 در مقالهای به نام »مجموعههای فازی« معرفی گردید. از نقطه نظر تئوری سیستمهای فازی و کنترل در اواخر دهه 80 و اوائل دهه 90 رشد چشمگیری پیدا کرد و پیشرفتهایی در زمینه برخی مشکلات اساسی سیستمهای فازی صورت گرفت. مدلسازی و شبیهسازی سیستمهای پیچیده دنیای واقعی برای کنترل سیستم میتواند دلیل مناسبی برای استفاده از کنترل فازی باشد.
نمودار جعبهای کنترلکننده فازی در شکل - 1 - نشان داده شده است. در اینجا یک کنترلکننده فازی در سیستم کنترل حلقه بسته تعبیه شده است. خروجی واحد y - t - ، ورودی آن u - t - و ورودی مرجع به کنترلکننده فازی با r - t - نشان داده میشود.کنترلکننده فازی دارای 4 جزء اصلی به شرح زیر است:
- 1 پایگاه قوانین1، اطلاعات و دانش را در قالب مجموعهای از قوانین در خود نگه میدارد، تا از بهترین روش برای کنترل سیستم بهره گیرد.
- 2 مکانیسم استنتاج2، قوانین کنترل را در زمان فعلی ارزیابی نموده و پس از آن تصمیم میگیرد که ورودی یا ورودیهای سیستم چه باید باشد.
- 3 مرحله فازیسازی3، ورودی ها را به نحوی اصلاح میکند که قابل مقایسه و در ارتباط با قوانین موجود در پایگاه قوانین باشند.
- 4 مرحله نافازیسازی4، که نتایج حاصل از مکانیسم استنتاج را به ورودیهای واحد تبدیل میکند.
کنترلکننده فازی به عنوان تصمیمگیرنده مصنوعی که در سیستم حلقه بسته در زمان واقعی عمل میکند، در نظر گرفته میشود. کنترلکننده، دادههای خروجی دستگاه y - t - را جمعآوری کرده و آن را با ورودی مرجع r - t - مقایسه میکند و سپس تصمیم میگیرد که ورودی دستگاه u - t - چه باید باشد تا اطمینان حاصل شود که اهداف عملکرد به دست خواهند آمد.
