تحلیل دینامیک، مانور پذیری و کنترل پرواز کوادروتور
چکیده
امروزه وسایل هوایی بدون سرنشین به دلیل کاربردها و قابلیتهایشان به نحو چشمگیری مورد استفاده قرار گرفته اند. کوداروتور بدون سرنشین، یک نمونه بالگرد است که مکانیزم پروازی آن از چرخش چهار موتور و پروانه که در چهار طرف قاب اصلی آن قرار دارند، حاصل می شود. در این وسیله زاویه حمله پروانه ها تغییر نکرده و تغییر نیروی بالابر صرفاً با تغییر سرعت گردش روتورها انجام می گیرد. همچنین راستای چرخش هر چهار روتور ثابت و عمود بر قاب اصلی می باشد. به منظور خنثی شدن گشتاور اصطکاکی و کاهش اثرات زیروسکوپی، جهت گردش دو روتور از این وسیله نسبت به دو روتور دیگر در جهت عکس می باشد. در این تحقیق ضمن استخراج معادلات دینامیکی پرنده، به کنترل و طراحی مسیر حرکت برای آن پرداخته شده است. هدف نهایی در کنترل این وسیله کنترل سرعت خطی آن می باشد. با توجه به اینکه در طراحی این پرنده ساختار دینامیکی به گونه ای در نظرگرفته شده است که زوایای چرخشی در آن به صورت وابسته به نرخ تغییرات سرعت خطی پرنده تعیین می شوند، مکانیزم کنترلی در نظر گرفته شده برای این وسیله یک مکانیزم دو حلقه ای می باشد. در حلقه خارجی این مکانیزم از کنترل کننده تناسبی- انتگرال گیر و در حلقه داخلی آن جهت کنترل وضعیت چرخشی پرنده، از کنترل کننده های فازی pdc و لغزشی استفاده شده است. در طراحی کنترل کننده pdc، با بیان معادلات دینامیکی غیرخطی وضعیت چرخشی سیستم به صورت ترکیبی از سیستمهای خطی، در ابتدا یک مدل فازی از سیستم ارائه شده و پس از آن با طراحی کنترل کننده برای هر یک از زیر سیستمهای خطی، کنترل کننده کلی که یک کنترل کننده غیرخطی است از ترکیب فازی کنترل کننده های خطی طراحی شده حاصل می شود. در طراحی کنترل کننده لغزشی با تعریف سطوح لغزش جداگانه برای هر یک از زوایای چرخشی سیستم، قانون کنترلی طوری طراحی می شود که حالت سیستم از شرایط اولیه دلخواه، به سمت این سطوح همگرا شده و با باقی ماندن بر روی آن، به سمت مقدار مطلوب خود میل نماید. رفتار سیستم در پیاده سازی جداگانه ی هر یک از کنترل کننده های pdc و لغزشی بر روی مدل دینامیکی سیستم شبیه سازی شده و نتایج حاصل از آنها علاوه بر بررسی جداگانه، باهم مقایسه شده است. همچنین مقاوم بودن کنترل کننده های طراحی شده در برابر وجود اثرات نامعینی واغتشاش خارجی مورد ارزیابی قرار گرفته است. پس از طراحی کنترل کننده، به طراحی مسیر حرکت برای پرنده مورد نظر پرداخته شده است. در طراحی مسیر، فرض شده است که مشخصات سینماتیکی نقاط مبدأ و مقصد حرکت از قبل مشخص بوده و پرنده مسیر حرکت بین این نقاط را با توجه به محدودیتهای فیزیکی حاکم بر خود، باید در کوتاهترین زمان ممکن طی نماید. برای حل این مسئله، معادلات حرکت به صورت توابع چند جمله ای متغیر با زمان در نظرگرفته شده و ضرایب این توابع جهت حرکت در حداقل زمان و برآورده شدن شرایط مرزی نقاط شروع و پایان حرکت محاسبه شده اند.