دانلود مقاله طراحی و پیاده سازی روبات پرنده عمود پرواز

دانلود مقاله طراحی و پیاده سازی روبات پرنده عمود پرواز – مقاله مهندسی (کامپیوتر – سخت افزار)

چکیده
در این مقاله ابتدا با معرفی و توضیح حوزه روبات های پرنده با ساختار عمود پرواز چهار ملخه آشنا می شویم . سپس با استفاده از مدل دینامیکی و روابط حاکم ، کنترلر بهینه ایی بر مبنای PID برای آن طراحی می کنیم . پس از شبیه سازی ، آن را پیاده سازی کرده و نتایج را بررسی خواهیم کرد .

کلید واژه: روبات ، پرنده ، Quad rotor ، Quad copter ، PID .

فصل اول
مقدمه
فصل ۱ – مقدمه
۱-۱- پیشگفتار
با توجه به پیشرفت روزافزون علم روباتیک در عرصه های مختلف به خصوص حوزه روبات های پرنده و همچنین فعالیت تحقیقاتی گسترده بر روی روبات های پرنده عمود پروازی چون روبات های چهار محرکه ایی ) Quad rotor ) در اکثر دانشگاه های معتبر جهان و همچنین ایران بر آن شدیم تا عنوان مقاله خود را پیاده سازی و طراحی سیستم کنترل یک عمود پرواز بر مبنای چهار محرکه انتخاب نماییم ، تا هم ثمره چهار سال مطالعه نظری بی وقفه در مقطع کارشناسی سخت افزار را به یک دستاورد عملی و کاربردی مبدل سازیم و هم در یک کار تیمی مشترک بر دانش خود در زمینه مبحث کنترل روبات بیافزاییم . اجزای اصلی این روبات متشکل از چهار موتور BLDC 150 وات همراه با کنترلر سرعت ESC ، یک برد کنترلی اصلی ، یک دستگاه تفلن همراه مجهز به سیستم عامل اندروید برای کاهش هزینه ها و استفاده از امکانات گسترده سخت افزاری آن ، یک باتری لیتیومی مخصوص هواپیما های مدل ، ماژول سنسور شتاب و زاویه سنج IMU و یک مدار واسط برای ارتباط برد کنترلی و تلفن همراه می باشد . سخت ترین مرحله از مقاله طراحی سیستم کنترل حلقه بسته ایی است که تعادل روبات را در هوا تضمین نماید و همچنین امکان کنترل دقیق را برای کاربر فراهم سازد . برای دست یابی به چنین سیستم کنترلی از یک مدل ریاضی و شبیه سازی آن در محیط هایی چون Simulink یا Unity3d استفاده می کنیم و با استفاده از تنظیم کنترلر هایی چون PI یا PID ، کنترلر خود را بر روی مدل واقعی می آزماییم .

۱-۲- معرفی و مقایسه روبات های پرنده بدون سرنشین
روبات های پرنده بدون سرنشین (UAV) به سه دسته کلی هواپیماهای بدون سرنشین و روبات های دارای بالگرد و بالون ها تقسیم بندی می شوند . هواپیما های بدون سرنشین برای پرواز از خاصیت آیرودینامیکی هوا استفاده می کنند و دارای بال هستند به همین جهت برای پرواز خود نیاز به یک باند پرواز مستقیم دارند تا از زمین جدا شوند . در مقابل ماشین های بالگرد دار مثل انواع هلیکپتر ها بدون نیاز به باند پرواز به صورت مستقیم پرواز می کنند (VTOL) ولی در مقابل برای کنده شدن از زمین نیاز به انرژی بیشتری دارند و نسبت به هواپیما ها طول پرواز و مسافت کمتری را پرواز می کنند . بالون ها با استفاده از گازهای سبکتر از هوا (LTA) مثل هلیوم یا هوای گرم پر شده و بدون نیاز به نیروی محرکه به صورت مستقیم پرواز می کنند ولی مشکل اصلی آنها عدم کنترل دقیق و تاثیر پذیری زیاد آنها نسبت به باد است . در این سه دسته بالگرد ها به توجه به کنترل دقیق حرکت و مانور پذیری بالا دارای اهمیت ویژه ایی می باشند .
بالگرد های استاندارد با توجه به استفاده از یک محرکه اصلی برای پرواز نیاز به یک کنترلر بسیار پیچیده می باشند و حفظ تعادل در آن ها سخت می باشد . حال اگر تعداد محرک های یک بالگرد را به دو یا سه عدد افزایش دهیم پایداری سیستم را افزایش داده و کنترلر آن ساده تر می شود . در یک روبات پرنده عمود پرواز از منطق یک بالگرد استفاده می شود با این تفاوت که تعداد محرکه ها به چهار عدد افزایش یافته و دیگر نیازی به استفاده از دم نیست . با توجه به ساختار متقارن آن پایداری بالایی دارد و همچنین کنترلر آن ساده تر و دقیق تر می باشد .
روبات های پرنده عمود پرواز (Multirotor) با توجه به قابلیت هایی که دارند می توانند در مکان هایی که برای انسان ضرر دارد و یا مقدور نیست استفاده شوند و با این وجود دارای کاربردهای وسیعی در زمینه های مختلف می باشند . Multirotor ها دارای انواع مختلفی هستند و با توجه به تعداد محرکه ها نام گذاری می شوند . Quad rotor ها دارای چهار محرکه می باشند و نوع استاندارد این خانواده محسوب می شوند . Hexarotor و Octarotor ها نیز نوع های شش و هشت محرکه می باشند .

فهرست مطالب
عنوان صفحه
فهرست شکل‌‌ها ‌ج
فصل ۱ – مقدمه ۳
۱-۱- پیشگفتار ۳
۱-۲- معرفی و مقایسه روبات های پرنده بدون سرنشین ۴
۱-۳- معرفی QUADROTOR 6
۱-۴- مدل ریاضی ۸
فصل ۲-سخت افزار ۱۲
۲-۱- اجزای اصلی ۱۲
۲-۱-۱- میکرو کنترلر اصلی ۱۳
۲-۱-۲- نگاهی دقیق تر به میکرو کنترلر و توانمندی های آن ۱۵
۲-۱-۳- معرفی ESC 22
۲-۱-۴- معرفی موتورهای BLDC 23
۲-۱-۵- معرفی سنسور IMU 25
۲-۱-۶- معرفی سنسور آلتراسونیک ۲۹
۲-۱-۷- برد اتصال IOIO 30
۲-۱-۸- مبدل USB به TTL 32
فصل ۳-شبیه سازی ۳۴
۳-۱- معرفی موتور UNITY3D 34
۳-۲- معرفی کنترلر PID 35
۳-۲-۱- بررسی تاثیر پارامترها بر سیستم ۳۶
۳-۲-۲- طراحی کنترلر و تنظیم آن ( روش زایگلر – نیکلز ) ۳۸
۳-۲-۳- مقایسه PID استاندارد و دیجیتالی ( گسسته ) ۴۰
۳-۳- مقایسه انواع فیلترها ۴۲
۳-۳-۱- فیلتر کالمن ۴۲
۳-۳-۲- فیلتر DCM 43
۳-۴- نتایج شبیه سازی – PID استاندارد ۴۷
فصل ۴-بخش عملی ۴۹
۴-۱- ساخت بدنه ۴۹
فصل ۵-نرم افزار ۵۵
ضمیمه ها  ۶۵
نتیجه گیری ۶۷
منابع و مراجع  ۶۸

فهرست شکل‌‌ها
عنوان صفحه

شکل ۱ : انواع روبات پرنده ۵
شکل ۲ : مقایسه روبات های پرنده ۵
شکل ۳ : نحوه چرخش ملخ ها ۶
شکل ۴ : نحوه حرکت روبات ۷
شکل ۵ : مدل دینامیکی روبات ۸
شکل ۶ : دیاگرام داخلی روبات ۱۲
شکل ۷ : نمای داخلی میکرو xmega128 15
شکل ۸ : دیاگرام ارتباط داخلی میکروکنترلر ۱۸
شکل ۹ : نحوه تولید سیگنال esc 22
شکل ۱۰ : نمای داخلی موتور BLDC 24
شکل ۱۱ : نمای داخلی سنسور شتاب سنج ۲۷
شکل ۱۲ : شماتیک داخلی مدار سنسور imu 28
شکل ۱۳ : سنسور ultrasonic 29
شکل ۱۴ : ماژول واسط گوشی تلفن همراه و مدار اصلی ۳۰
شکل ۱۵ : شماتیک داخلی مدار واسط ۳۱
شکل ۱۶ : مبدل usb به TTL 32
شکل ۱۷ : شماتیک داخلی مبدل usb بهTTL 32
شکل ۱۸ : مدل شبیه سازی شده روبات ۳۴
شکل ۱۹ : کنترل فرآیند با فیدبک حلقه بسته ۳۵
شکل ۲۰ : تاثیر افزایش بهره p 36
شکل ۲۱ : تاثیر افزایش بهره I 36
شکل ۲۲ : تاثیر افزایش بهره D 37
شکل ۲۳ : دیاگرام سیستم حلقه بسته با اغتشاش ۳۸
شکل ۲۴ : پاسخ پله سیستم حلقه بسته ۳۸
شکل ۲۵ : جدول زایگلر – نیکلز ۳۹
شکل ۲۶ : نحوه از بین رفتن اثر نویز با فیلتر کالمن ۴۳
شکل ۲۷ : نتایج بدست آمده از شبیه سازی ۴۷
شکل ۲۸ : مراحل ابتدایی ساخت بدنه ۴۹
شکل ۲۹ : بدنه ساخته شده در مرحله اول ۵۰
شکل ۳۰ : قفس تست ساخته شده ۵۱
شکل ۳۱ : روبات آماده شده با اتصال چهار ملخ ۵۲
شکل ۳۲ : روبات ساخته شده در مرحله نهایی ۵۳
شکل ۳۳ : شماتیک داخلی سخت افزار روبات ۶۶