بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کنترل تطبيقي جهت رديابي مسير براي يک هواپيماي بدون سرنشين
چکيده
در اين مقاله يک هواپيماي بدون سرنشين با بال ثابت در حالت پرواز عادي، در ارتفاع ثابت در نظر گرفته مي شود و در طي اين فرآيند، فرض مي شود مدل حرکتي هواپيما داراي عدم قطعيت پارامتري ميباشد. در اين شرايط هدف طراحي خانواده کنترل کننده مناسب مبتني بر منطق سوييچينگ براي کنترل سرعت و زاويه رول هواپيماي بدون سرنشين به منظور رديابي مسير مطلوب با معيار کمترين خطا مي باشد. مسير مطلوب توسط بلوک trajectory generator توليد مي شود. نتايج شبيه سازي بر يک هواپيماي بدون سرنشين بال ثابت ارائه شده است تا اثر بخشي روش را نشان دهد.
واژه هاي کليدي هواپيماي بدون سرنشين ، کنترل تطبيقي مبتني بر منطق سوييچينگ ، عدم قطعيت پارامتري، رديابي مسير، زاويه رول .
١- مقدمه
در گذشته از وسايل نقليه با سرنشين براي فعاليت هاي نظامي يا غيرنظامي در محيط هاي ناشناخته و خطرناک استفاده مي شد که باعث تلفات جاني زيادي ميشده است ولي در سال هاي اخير وسيله هاي نقليه بدون سرنشين متنوعي براي حرکت در زمين ، هوا يا حتي زير دريا طراحي شده اند و به دليل اينکه هواپيماهاي بدون سرنشين کاربردهاي زيادي دارند، بيشتر مورد توجه هستند. در شرايط و موقعيت هاي خطرناک اين هواپيماهاي بدون سرنشين بهترين راه حل هستند که بدون حضور خلبان فعاليت ميکنند و عمليات مطمئني را انجام مي دهند[١].
بيشترين استفاده اين هواپيماهاي بدون سرنشين در کاربردهاي نظامي است ولي به تعداد زياد در کاربردهاي غيرنظامي نيز مورد استفاده قرار مي گيرد[٢]. امروزه انواع مختلف زيادي از هواپيماهاي بدون سرنشين وجود دارند که با قابليت هاي مختلف براي کاربردهاي مختلف بسياري مورد استفاده قرار ميگيرند، از کاربردهاي اين وسيله نقليه ميتوان به استفاده در ماموريت هاي جاسوسي، شناسايي مين ، عکس برداري هوايي، آگاهي از وضعيت و نظارت بر آسيب هاي جنگ ، خاموش سازي آتش سوزي جنگل ها، نقشه برداري ديجيتال يا نظارت ، عمليات علمي، جمع آوري اطلاعات و عکسها در محيط هاي خطرناک، نقشه برداري از ساختمان ها، تحقيق و نجات ، نظارت هاي ترافيکي، گشت مرزي، وظايف تجاري و غيره اشاره کرد[٣-١].
ولي مسأله اساسي اين است که به کار گرفتن هواپيماهاي بدون سرنشين راحت نيست و نيازمند بررسي و توجه زيادي است زيرا اين وسيله ممکن است در طي فعاليت خود اغتشاشات خارجي را تجربه کند و يا همچنين پارامترهاي آن دچار تغييرات بزرگي شود.
در سال هاي اخير فن آوري هاي کنترل پيشرفته براي وسايل نقليه هوايي بدون سرنشين بسيار مورد توجه قرار گرفته اند. پهپادهاي کاملا خودکار چالش هاي نظري و عملي را در برخواهند داشت . يک تحقيق مهم ، برنامه ريزي مسير هواپيماي بدون سرنشين است . جنبه مهم ديگر بر بهينه سازي مسير هواپيماي بدون سرنشين تمرکز مي کند. علاوه بر اين ، کنترل همکارانه چند پهپاد نيز به طور وسيعي در مراجع مختلف بررسي مي شود. الگوريتم هاي رديابي مسير موثر تضمين مي کند که يک پهپاد به دقت مسير مطلوب از پيش تعيين شده اش را دنبال نمايد[٣].
براي افزايش سودمندي و استفاده اين هواپيماهاي بدون سرنشين ، قابليت استفاده از کنترلرهاي مستقل براي رديابي يک مسير مرجع ضروري است . علاوه بر آن مقاوم بودن نسبت به اغتشاشات محيط نيز بايد مورد بررسي قرار بگيرد. به عنوان مثال هواپيماهاي بدون سرنشين کوچک به طور قابل ملاحظه اي نسبت به باد حساس هستند طوري که اندازه يا حجم باد ممکن است با سرعت هواپيماهاي بدون سرنشين قابل مقايسه باشد[٢].
حال بايد به دنبال روشي بود تا بتوان با غلبه بر مشکلات اين هواپيماهاي بدون سرنشين سودمندي و قابليت استفاده از آنها را افزايش داد به طوري که کنترل کننده مناسب براي اين سيستم ها به نحوي انتخاب شود تا اثر اغتشاش ها و يا تغييرات پارامتري را به ميزان زيادي از بين ببرد.
بديهي است موفقيت کار و عملکرد اين نوع هواپيماهاي بدون سرنشين به دقت کنترل ارائه شده توسط کنترلرهاي پرواز بستگي دارد.
بنابراين نياز به کنترلرهاي پرواز دقيق ، مقاوم و ساز گار داريم . در حالي که کنترلرهاي خطي مانند PID يا فيدبک حالت [٤] داراي ساختارهاي ساده و همچنين داراي طراحي ساده نيز ميباشند ولي عملکرد اين نوع کنترلرها به شدت از مشخصه هاي غيرخطي سيستم يا عدم قطعيت يا اغتشاشي که به سيستم وارد شود و همچنين از پارامترهاي متغير با زمان سيستم تاثير ميپذيرد و از کار ميافتند. اما مي توان گفت سيستم هاي هوشمند و سيستم هاي کنترلي تطبيقي همچنين سيستم هاي فازي و يا شبکه هاي عصبي يک راه حل مناسب براي کنترل اين چنين سيستم هايي مانند سيستم هواپيماي بدون سرنشين است .
در [٥] يک شبکه عصبي کنترل تطبيقي توسعه داده شده است و براي قسمت هاي دوار بال هواپيما هاي بدون سرنشين به کار برده شده است .
در [٦] کنترل منطق فازي براي بالگردهاي بدون سرنشين پيشنهاد شده است . در [٧] کاربرد يک کنترل کننده فازي تطبيقي از نوع غير مستقيم براي کنترل هواپيماي بدون سرنشين ارائه شده است . استفاده از روشهاي کنترل فازي و تطبيقي روش هاي با هزينه محاسباتي بالا هستند علاوه بر آن تنظيم اين کنترل کننده ها يکي از چالش هاي طراحي کنترل کننده هاي فازي تطبيقي مي باشد.
در [٨] از روش کنترل زمان بندي بهره براي کنترل يک وسيله زير آبي استفاده شده که در آن از کنترل کننده به عنوان يک کنترل مسير استفاده شده است ، در اين روش از ٦ کنترل کننده خطي براي کنترل مسير استفاده شده است ، در اين روش از اغتشاش خارجي صرفنظر شده است .
همواره زماني که يک مدل مناسب و دقيق از سيستم در دسترس نباشد استفاده از روش هاي تطبيقي يک انخاب مناسب براي کنترل سيستم هاي داراي عدم قطعيت است . در [١٢-٩] از روش هاي کنترل تطبيقي بر پايه لياپانوف استفاده شده است .
در اين مقاله جهت کنترل هواپيماي بدون سرنشين ، کنترل تطبيقي سوييچينگ مورد استفاده قرار خواهد گرفت به طوري که يک چهارچوب براي کنترل تطبيقي که شامل يک سوييچينگ مبتني بر منطق در بين يک دسته کنترل کننده کانديد است ، بررسي خواهد شد. در واقع عمکرد کنترل کننده مبتني بر منطق سوييچينگ به اين ترتيب است که در سيستم تعداد زيادي کنترلر پيشنهاد ميشود و با استفاده از قانون کليدزني يا سوييچينگ بهترين کنترل کننده انتخاب ميشود.
روش به کار گرفته شده در اينجا با روشهاي کنترل تطبيقي معمولي و رايج که بر تنظيم پيوسته تکيه دارند متفاوت است و نشان داده شده است که اين روش سوييچينگ مبتني بر منطق توانسته بر مشکلات و محدوديت هاي کنترل تطبيقي معمولي غلبه کند[١٣].
هميشه روشهاي کنترلر تطبيقي کلاسيک داراي يک سري محدوديت هاي ذاتي هستند اگر حالتي پيش بيايد که پارامترهاي نامشخص به روشي پيچيده وارد مدل سيستم يا فرآيند شوند در اين حالت انتخاب و ساخت دسته اي از کنترل کننده هاي پيوسته کانديد بسيار مشکل خواهد شد. همچنين تخمين پارامترها نيز کاري سخت خواهد بود، اگر در سيستمي مشخصات مقاوم بودن و عملکرد بالا مد نظر باشد اين وظايف سخت تر خواهد شد.
ويژگي اصلي که کنترل کننده تطبيقي سوييچينگ را از کنترلرهاي تطبيقي معمولي متمايز ميکند انتخاب کنترل کننده است ، به اين معنا که به جاي تنظيم پيوسته ، از سوييچينگ مبتني بر منطق براي انتخاب کنترل کننده استفاده ميشود ( اين سوييچينگ يک نوع قانون کليدزني است .)
الگوريتم هاي سوييچينگ براي ارزيابي عملکرد بالقوه کنترلرهاي کانديد کارايي زيادي دارند در نتيجه با استفاده از اين خاصيتشان به جستجوي آن کنترل کننده ها ميپردازند[١٣].
الگوريتم هاي سوييچينگ ميتواند به دو بخش تقسيم بندي شود:
١- آنهايي که بر پايه تخمين فرآيند هستند و از هم ارزي اطمينان يا اعتبارسنجي مدل استفاده ميکنند[١٥و١٤].
٢- روش دوم بر پايه ارزيابي مستقيم عملکرد هر کدام از کنترل کننده هاي کانديد انجام مي گيرد.
ايده ي استفاده از سوييچينگ در زمينه کنترل تطبيقي مدتي است که شروع شده و روشهاي بسياري توليد و توسعه داده شده اند[١٧و١٦].
که روشهاي نظارت و روشهاي اوليه در [١٨و١٤] مورد بررسي واقع شدند و سپس ادامه و توسعه داده شده آن روش ها مورد بررسي واقع شده اند[٢٢-١٩].
روش کلي در کنترل تطبيقي سوييچينگ ، که براي سيستم هواپيمايي بدون سرنشين به کار گرفته خواهد شد به ترتيب زير است : در کنترل تطبيقي سويچينگ براي هر دسته از عدم قطعيت ها در سيستم ، يک مدل در نظر گرفته مي شود، براي هر مدل يک کنترلر مناسب طراحي ميشود، بر اساس يک رويتگر ابتدا تشخيص داده ميشود که کدام يک از دسته عدم قطعيت ها در حال حاضر معتبراند و در واقع کدام مدل از عدم قطعيت براي سيستم مناسب تر است ، سپس با استفاده از قانون کليدزني يا سوييچينگ کنترلر مناسب براي سيستم انتخاب مي شود.
٢- بيان مسئله
معادلات سينماتيک حرکت هواپيماي بدون سرنشين برابر است با
که در آن به ترتيب نشان دهنده زاويه رول بر حسب راديان ، سرعت بر حسب متر بر ثانيه ، زاويه هدينگ بر حسب راديان و موقعيت حرکتي بر حسب متر هواپيما مي باشند و فرامين زاويه رول و سرعت داده شده به خلبان اتوماتيک هستند، g ثابت گرانش است و *a ثوابت مثبت و پارامترهاي خلبان اتوماتيک هستند. با فرض اينکه براي ارتفاع يک کنترلر مناسب طراحي شده است ، از ديناميک ارتفاع صرفنظر ميکنيم . در نتيجه هدف طراحي يک کنترل کننده تطبيقي سوئيچينگ براي سيستم فوق در حضور عدم قطعيت و نامعيني ميباشد. ابتدا فرض ميکنيم که تمام پارامترهاي سيستم معلوم و مشخص هستند. کنترل کننده براي رديابي طراحي ميکنيم . ورودي هاي سيستم ميباشند و به ترتيب زاويه هدينگ مطلوب و موقعيت هاي مطلوب مي باشند. ابتدا يک کنترلر براي حلقه خارجي طراحي ميکنيم . ديناميک حلقه خارجي به صورت زير در نظر ميگيريم :
با در نظر گرفتن v به عنوان ورودي اول و به عنوان ورودي دوم معادلات سيستم به صورت زير ميباشد:
با در نظرگرفتن عدم قطعيت پارامتري اين سيستم به صورت زير است :
pi ها عدم قطعيت پارامتري در بهره سيگنال هاي ورودي هستند. براي طراحي قانون کنترل براي اين سيستم ، ابتدا سيستم را با تبديل زير به فرم معادلات سيستم هولونوميک در ميآوريم :
با مشتق گيري از (٥) و جايگذاري، داريم :
که در معادلات (٦) تا (٨) داريم :
٣- کنترل تطبيقي مبتني بر منطق سوئيچينگ
نمودار بلوکي کنترل تطبيقي به صورت شکل ١ و اصول عملکرد اين نوع کنترل مطابق شکل ٢ ميباشد.
شکل ١- بلوگ دياگرام کنترل تطبيقي مبتني بر منطق سوييچينگ
به طور خلاصه ميتوان عملکرد اين روش کنترل تطبيقي را به صورت شکل ٢ نشان داد:
شکل ٢- بلوگ دياگرام عملکرد کنترل تطبيقي مبتني بر منطق سوئيچينگ
در کنترل تطبيقي سويچينگ براي هر دسته از عدم قطعيت ها در سيستم ، يک مدل در نظر گرفته ميشود، براي هر مدل يک کنترلر مناسب طراحي مي شود، بر اساس يک رويتگر ابتدا تشخيص داده مي شود که کدام يک از دسته عدم قطعيت ها در حال حاضرمعتبراند و در واقع کدام مدل از عدم قطعيت براي سيستم مناسب تر است ، سپس با استفاده از قانون کليدزني، کنترلر مناسب براي سيستم انتخاب مي شود.
در اين سيستم ، هر کدام از رويتگرها که خطاي تقريب کمتري داشته باشد، به عنوان مدل مناسب انتخاب مي شود. در واقع رويتگرها مقدار دقيق پارامترهاي نامعين را تخمين نميزنند، تنها آن دسته از پارامترها (سيستم ) را مشخص ميکنند که در حاضر در سيستم معتبر است . روال کلي الگوريتم کنترل تطبيقي سوييچينگ به صورت زير ميباشد که براي سيستم مدل هواپيما، تمامي بلوک هاي فوق را طراحي مي کنيم :
٣-١- تخمينگر چندگانه
مجموعه اي از رويتگرها ميباشد که هر رويتگر براي يک مدل طراحي شده و هر کدام از رويتگرها داراي دو ورودي ميباشد يکي سيگنال u يا تلاش کنترلي يا ورودي پلنت و ديگري خروجي پلنت است . با استفاده از اين دو ورودي هر رويتگر به تخمين حالت
