تحقیق بررسی طراحی و شبیه سازی ربات پرنده

در این پایان نامه به معرفی ربات پرنده اجزای تشکیل دهنده ربات معرفی پدیده های دینامیکی تاثیرگذار بر روی آن پرداخته میشود . همینطور به توضیح فرمول های دینامیکی ربات و شبیه سازی آن در نرم افزار MATLAB بااستفاده از فرمول ها و نتیجه گیری و تحلیل نمودارها پرداخته میشود .

مقدمه:
طي ده سال گذشته، وسايل نقليه هوابرد کوچک (MAV) بسيار مورد توجه واقع شده‌اند. پيشرفت‌هاي صورت گرفته اخير در پردازشرگرهاي کم‌توان، سنسورهاي کوچک و تئوري کنترل در کوچک‌سازي و زمينه‌هاي کاربردي آن، افق‌هاي تازه‌اي را گشوده است. ربات‌هاي پرنده کوچک (MFR) در محيط‌هاي پيچيده ، مزاياي ويژه‌اي را نشان مي‌دهند و بيشتر به لحاظ کاوش‌هاي هوايي مورد توجه قرار مي‌گيرند. از جمله موارد کاربرد قابل توجه MFR عمليات تجسس و نجات پس از حوادث از قبيل زلزله، انفجار و مواردي از اين قبيل مي‌باشد. يک ربات هوابرد از قابليت پرواز در فضاي محدود برخوردار بوده و بدين ترتيب به طور نظام‌مند و سريع به جستجوي قربانيان حوادث يا بلاياي طبيعي بدون به خطر انداختن زندگي انسان‌ها مي‌پردازد. به منظور پرواز در چنين شرايطي، در اختيار داشتن يک وسيله نقليه با امکان تناسب آسان متناسب با محفظه‌هاي کوچک و ديوارهاي تخريب شده لازم و ضروري است. MRF پس از موقعيت‌يابي، مختصات افراد را براي هدايت نيروهاي امداد در اختيار قرار مي‌دهد.
در اين پایاننامه، به معرفي روش‌هاي توسعه و گسترش يک سيستم کنترل پرواز خودکار کوچک و ارائه يک ساختار وسيله نقليه چندمنظوره به منظور آزمايش و تأييد الگوريتم‌هاي کنترل چند عاملي پرداخته‌ايم. این پایاننامه نتايج متعددي را در زمينه طراحي و تحليل کوادروتور در مقياس سانتي‌متر در اختيار قرار مي‌دهد. يکي از نتايج به دست آمده اخير حاکي از قابليت يک ميکرو هلي‌کوپتر 13.6cm براي پرواز در مدت زمان 3 دقيقه مي‌باشد. آن‌چه که مسلم بوده ظهور MRF هاي کاملاً خودکار حاصل بهينه‌سازي در سطح يک سيستم و تلاش همزمان در زمينه طراحي و کنترل آن است. رويکرد تحقيقاتي بنده نيز عمدتاً مبتني بر طراحي وسايل نقليه با مکانيک بهينه‌سازي شده و بکارگيري آن‌ها با روش‌هاي کنترل نو و ابتکاري مي‌باشد.

مقدمه

جدول p)-1 (: ساختاربندي‌هاي متداول UAV-MAV

جدول p)-2 (: مقايسه مفاهيم VTOL(1 = بد و4 = خیلی خوب)

آشنایی با ربات پرنده 

1.آنالوگ 

2.دیجیتال 

اساس کار جایروها

speed controller 

Brashls engine motor  

موتورهاي برس دار(معمولي) در مقايسه با موتورهاي بدون برس (براشلس) 

قسمت متحرك يا آرميچر

قسمت ثابت 

برسها

معايب اين موتورها عبارتند از

موتورهاي براشلس چگونه كار ميكنند؟

مزاياي موتورهاي براشلس

Inrunner در مقايسه با Outrunner

مقايسه اين دو نوع موتور:

آشنائي با مشخصات اين موتورها 

ثابت ولتاژ 

ثابت گشتاور 

جريان بدون بار 

مقاومت ترمينال 

جريان و توان 

مشخصات فیزیکی موتور های براشلس 

مشخصات الکتریکی 

مبانی طراحی ربات های عمود پرواز 

ویژیگی های مهم کوآدروتور 

مدل‌سازي براي شبيه‌سازي 

نيروهاي آئروديناميک و گشتاور

نيروي فشار محوري (پيشرانه)

نيروي Hub (قطبی)

گشتاور کشيدن

گشتاور غلطش

اثر زمين

گشتاور نيروها

گشتاور غلطشي 

گشتاور گام (Pitch) 

گشتاور انحراف نوساني 

نيروهاي وارده در طول محور z 

نيروهاي وارده در طول محور x 

نيروهاي وارده در طول محور y 

معادله حرکت

ديناميک روتور

شبيه‌سازی Drone

طراحي

روش کلي

الگوريتم تکراري

کوادروتور  Drone

سنسور موقعيت

نتايج طراحي

شبيه‌سازي و کنترل 

مدلسازي براي کنترل 

کنترل وضعيت

آناليز ثابت

نتیجه 1

کنترل ارتفاع 

بلند شدن و فرود آمدن : 59

نتیجه 2 

کنترل موقعيت 

نتیجه 3 

دنبال کردن نقاط مسير 

اجتناب از مانع 

نتیجه 4 

نتيجه‌گيري کلی 

منابع و مآخذ 

واژه نامه و اختصارات 

 جدول p)-1 (: ساختاربندي‌هاي متداول UAV-MAV  

جدول p)-2 (: مقايسه مفاهيم VTOL  

جدول(4-1) نيروهاي آئروديناميک و گشتاور  

جدول (4-2) گشتاور نيروها  

جدول (4-3) گشتاور غلطشي  

جدول (4-4) گشتاور گام   

جدول (4-5) گشتاور انحراف نوساني   

جدول (4-6) نيروهاي وارده در طول محور z   

جدول (4-7) نيروهاي وارده در طول محور x

جدول (4-8) نيروهاي وارده در طول محور y  

جدول (4-9) الگوريتم تکراري  

جدول (4-10)مدل‌هايي از مؤلفه‌ و اجزاء گروه پيشرانه‌ها

جدول (4-11)

جدول (4-12) مدل‌هايي از مؤلفه‌ و اجزاء گروه پيشرانه‌ها

تصویر (1-1)Drone

تصویر (2-1) Brush & Brushless Motor  

تصویر (2-2)Inrunner  

تصویر (2-3)Outrunner  

تصویر (3-1)Move Right  

تصویر (3-2)Going Up   

تصویر (3-3)Rotate Left  

تصویر (3-4)Rotate Right   

تصویر (3-5)Drone   

تصویر (3-6)Brushless Motor   

تصویر (3-7)ESC   

تصویر (3-8) Li-Po-Batteri    

تصویر (3-9)Joy Stick   

تصویر (4-1) سيستم مختصات Drone   

تصویر (4-2) توانايي اثر زمين بر سرعت جريان ورودي   

تصویر (4-3) پاسخ مرحله‌اي مدل که در محور پروانه اندازه‌گيري شده است  

تصویر (4-4) طرح بلوک شبيه‌سازی Drone   

تصویر (4-5) بلوک کنترل در شبيه‌ساز Drone  

تصویر (4-6) نمودار روش طراحي   

تصویر (4-7) نمودار جريان الگوريتم تکراري   

تصویر (4-8) الگوريتم بلوک Drone    

تصویر (4-9) يک واحد کامپيوتر 40g و 56x71mm واقع بر روي x بورد  

تصویر (4-10) ساختار دريافت موقعيت بر روي Drone   

تصویر (4-11) سنسورها، محرک‌ها و تجهيزات الکترونيکي Drone    

تصویر (4-12) توزيع جرم و توان Drone   

تصویر (4-13) ساختار کنترل   

تصویر (5-1)شبیه سازی   

تصویر (5-2) شبیه سازی   

تصویر (5-3) نمودار فرود مستقل   

تصویر (5-4)کنترل برخواستن نشستن و ارتفاع   

تصویر (5-5) شبیه سازی   

تصویر (5-6) چهار نقطه مسير براي يک مسير مربعي پيگري شده توسط Drone به منظور پيگردي مسير   

تصویر (5-7) سيگنال‌هاي موقعيت و وضعيت ايجاد شده جهت پيگردي مسير مربعي 

تصویر (5-8) اجتناب از موانع ساکن  

تصویر (5-9) شناسايي مانع با فيلتر و بدون فيلتر   

تصویر (5-10) اجتناب از برخورد با Drone   

 

معادله )4-1)Newton-Euler  

معادله )4-2)پیشرانه  

معادله )4-3)نیروی Hub  

معادله )4-4)گشتاور کشیدن   

معادله )4-5)گشتاور غلطشی  

معادله )4-6)اثر زمین   

معادله )4-7)پیشرانه   

معادله )4-8)  

معادله )4-9)معادله حرکت  

معادله )4-10)دینامیک روتور   

معادله )4-11)بردار حالت   

معادله )4-12)بردار درون داده  

معادله )4-13)حرکات Drone   

معادله )4-14)  

معادله )4-15) معادله اصلی   

معادله )4-16)   

معادله )4-17) 

معادله )4-18)کنترل وضعیت   

معادله )4-19)سرعت زاویه ای   

معادله )4-20)دینامیک   

معادله )4-21)خطای پیگردی سرعت زاویه ای  

معادله )4-22) خطای پیگردی غلطش   

معادله )4-23)درون داد کنترل واقعی   

معادله )4-24) خطای پیگردی انتگرالی   

معادله )4-25)سرعت زاویه ای خطای ردیابی   

معادله )4-26)   

معادله )4-27)کنترل گام و دوران حول محور قایم   

معادله )4-28)آنالیز ثابت   

معادله )4-29) خطای پیگردی موقعیت   

معادله )4-30)   

معادله )5-1)کنترل ارتفاع   

معادله )5-2)   

معادله )5-3)  

معادله )5-4)كنترل موقعيت  

معادله )5-5)دینامیک حرکتی افقی  

معادله )5-6) خطای پیگردی موقعیت برای x,y

معادله )5-7) خطای پیگردی سرعت 

معادله )5-8)قوانین کنترل