iMAR iICSC-DL

not specified

Southern Research Institute SEAIP

جدول ۱-۱- مشخصات پلتفرم های قابل دسترسی در بازار
۲- ۱- اهداف پایان نامه
هدف اصلی این پایان نامه طراحی یک کنترل ساده و مؤثر به منظور پایدار سازی پلتفرم نصب شده بر روی یک وسیله پرنده می باشد تا بتوان عکسبرداری و فیلمبرداری هوایی مناسبی را به دست آورد. مشخصات پایه ای یک پایدارساز پلتفرم عبارتند از:
۱-ردیابی یک سیگنال مرجع بدون اثر پذیری از چرخش های وسیله پرنده .
۲- قابلیت تغییر نقطه مرجع پلتفرم به راحتی و آرامی توسط کاربر
این دو ویژگی به این معنا هستند که دوربین سوار شده روی پلتفرم باید مستقل از شرایط مختلف پرنده بتواند به طور مؤثر عمل کند و نمایش مناسبی را در مورد فضای مورد بررسی در اختیار کاربر قرار دهد.
۳- ۱- قواعد و اصول
بهترین وسیله ای که در زمینه کنترل جهت و موقعیت مورد استفاده قرار گرفته است، ژیروسکوپ می باشد [۸]. در سال ۱۸۵۲ آقای فوکالت (Foucault) ژیروسکوپ را وسیله ای با مومنتوم زاویه ای بسیار زیاد تعریف کرد. اسکار بورق (Scar borough) تعریف دقیق تری از ژیروسکوپ را ارائه داد. وی گفت ژیروسکوپ وسیله ای مکانیکی است که بخش مهم آن که چرخ هرزگرد (Flywheel) می باشد دارای لبه های سنگین بوده و به گونه ای نصب شده که بردار چرخش آن می تواند در هر جهتی حول یک نقطۀ ثابت در آن بردار بچرخد[۶]. پلتفرم پایدار طراحی شده در این پایان نامه براساس قوانین پایداری ژیروسکوپی می باشد. یک ژیروسکوپ سه درجه آزادی در شکل ۵-۱ نشان داده شده است. این ژیروسکوپ سه حلقه دارد که سبب می گردد محور چرخش نسبت به مرکز جرم در سه جهت آزادی داشته باشد. توضیحات کلی درمورد بعضی ویژگی های ژیروسکوپ با توجه به مراجع [۶] و [۸] در ادامه خواهد آمد.
شکل ۵-۱- ژیروسکوپ ۳ درجه آزادی
شکل ۶-۱ اصول قوانین حرکت یک ژیروسکوپ را نشان می دهد. سرعت زاویه ای چرخ هرزگرد یک اینرسی زاویه ای را حول محور چرخش ایجاد می کند و در صورت عدم حضور گشتاور ورودی، بردار اینرسی زاویه ای در فضای اینرسی ثابت مانده و درنتیجه یک مرجع جهت را در اختیار کاربر قرار می دهد.
این بردار اینرسی زاویه ای را می توان توسط یک گشتاور کالیبره شده در جهت دلخواه هدایت نمود. این حرکت اجباری ژیروسکوپ که تغییرجهت محور نام دارد از رابطه پایه ای زیر تبعیت می کند:
شکل ۶-۱- قوانین پایه ای حرکت در ژیروسکوپ
که در آن ℎ اینرسی زاویه ای و N گشتاور اعمالی می باشد.
در مقاله [۶] نشان داده شده است که در یک ژیروسکوپ بی نقص، سرعت تغییرات محور جسم مستقیماً متناسب با دامنه گشتاور اعمالی بوده و با سرعت چرخش و مومنتوم اینرسی در محور چرخشِ چرخ هرزگرد نسبت عکس دارد. برای مثال، در شکل ۷-۱ سیستم محورها بر روی جسم درحال چرخش ثابت شده و مومنتوم اینرسی در جهت محور xها بسیار بزرگ تر از میزان آن در جهت yها و zها می باشد. در صورتی که T گشتاور خروجی اعمالی به ژیروسکوپ برای به وجود آوردن یک مومنتوم زاویه ای hباشد، سرعت چرخش محورها Ω، به صورت زیر نشان داده می شود:

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

در اینجا گشتاور معمولاً درجهت y و تغییر محورها بیشتر در جهت محور zها صورت می گیرد.
ذکر این مسأله قابل توجه است که حرکات ژیروسکوپ تحت تأثیر اغتشاشات خارجی پایدار و پریودیک می باشد. این نوسانات پریودیک به عنوان تغییر در محور، شناخته می شود و برای در اختیار داشتن یک ژیروسکوپ عملی باید حذف گردند [۸]. هرچه سرعت چرخ هرزگرد بیشتر باشد، دامنه این نوسانات کمتر و فرکانس نوسانات هارمونیک نیز کمتر می گردد. فرکانس نوسانات از رابطه (۳-۱) به دست می آید.
که در آن C مومنتوم اینرسی چرخ هرزگرد حول محور چرخش آن وسرعت زاویه ای چرخ هرزگرد و A مومنتوم اینرسی محور عمود بر محور چرخشِ چرخ هرزگرد می باشد.
شکل ۷-۱- دوران ژیروسکوپ تحت گشتاور خارجی
بنابراین با توجه به مومنتوم زاویه ای چرخ هرزگرد یک رابطه معکوس بین نیروی اعمالی موردنیاز برای به دست آوردن نرخ دقت مورد نظر و نیروی کنترلی مورد نیاز برای یک حرکت محوری آرام وجود دارد. هرچه مومنتوم زاویه ای بزرگتری توسط چرخ هرزگرد تولید گردد حالات نوسانی کوچکتری ایجاد می گردد ولی گشتاور بزرگتری برای رسیدن به سرعت چرخش محور موردنیاز خواهد بود.
فصل دوم:
تئوری ژیروسکوپ و استخراج مدل آن
در این فصل مختصات های مختلف مورد استفاده در ژیروسکوپ معرفی شده و مورد بررسی قرار خواهند گرفت. همچنین قواعد تبدیل هر مختصات به مختصات دیگر نیز معرفی می گردند. سپس نحوۀ استخراج معادلات حرکت اویلر که به یک مدل ریاضی پلتفرم پایدار شده منتج می گردد، نشان داده خواهد شد.
۱- ۲ – تعریف محورهای مختصات
به منظور تعریف و کنترل یک پلتفرم پایدار شده چهار دسته سیستم مختصات تعریف می گردد که در زیر آمده است:
۱- سیستم محورهای اینرسی
۲- سیستم محورهای بدنه هواپیما
۳- سیستم محورهای پلتفرم
۴- سیستم محورهای گیمبال (حلقه)
۱- ۱- ۲ محور مختصات اینرسی
این محور مختصات نسبت به زمان ثابت بوده و تغییر نمی کند. جهت گیری بدنه وسیله متحرک را می توان با توجه به سمت آن در مختصات اینرسی مشخص نمود. در این مختصات قوانین نیوتون قابل اجرا می باشد [۸].
در این پایان نامه زمین صاف و ثابت درنظر گرفته می شود که با توجه به نسبت حرکت زمین و وسیله متحرک، فرض درستی به نظر می رسد. بنابراین سیستم محورهای اینرسی به عنوان یک دستگاه ثابت نسبت به زمین و متعامد در نظر گرفته می شود که در جهت شمال، در جهت شرق و عمود بر این دو محور، در نظر گرفته می شود.
۲- ۱- ۲ محور مختصات بدنه هواپیما
این دستگاه مختصات نیز، همان طور که در [۱۲] توضیح داده شده و در شکل ۱-۲ نیز نشان داده شده است به گونه ای درنظر گرفته می شود که در جهت دماغه هواپیما، درسمت راست و در جهت پایین و عمود به دو محور دیگر قرار گیرد. مرکز محورها ، در محل مرکز جرم در نظر گرفته می شود.
شکل ۱-۲- محورهای مختصات بدنه جسم پرنده
دستگاه مختصات بدنه نسبت به بدنه هواپیما ثابت می باشد ولی با تغییر جهت هواپیما نسبت به مختصات اینرسی تغییر می کند. سمت و سوی بدنه هواپیما با زوایای ، و توصیف می گردد. در این پایان نامه برای طراحی کنترل کننده های پلتفرم در ابتدا تصور می گردد که هواپیما در حالت بدون زاویه و مستقیم درحالت حرکت می باشد. در واقعیت زوایای غلتیدن (roll) و اوج (Pitch) نسبت به مختصات اینرسی کوچک بوده و در ضمن محور و محورگیمبال (تعریف شده در بخش ۱-۲-۳) با تغییرات زاویه انحراف جسم پرنده (yaw) بر روی هم منطبق باقی می ماند (شکل ۲-۲).