تحلیل سینماتیک معکوس، مدل‌سازی دینامیکی و کنترل یک سکوی سه درجه آزادی ردیاب اهداف هوایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکده کنترل و رباتیک، مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

2 مجتمع برق و کامپیوتر- دانشگاه صنعتی مالک اشتر. تهران .ایران

3 عضو هیات علمی / دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

چکیده

در این مقاله به معرفی یک سکوی ردیابی اهداف هوایی با قابلیت تعقیب در تمام نقاط فضای سه‌بعدی تهدید پرداخته شده است. سکوهای دو درجه آزادی مرسوم که برای ردیابی اهداف هوایی مورد استفاده قرار می‌گیرند، به دلیل وجود تکینگی در فضای کاری، قادر به ردیابی برخی از مسیرهای حرکتی اهداف نیستند. برای رفع این مشکل، در این پژوهش استفاده از یک سکوی سه درجه آزادی پیشنهاد شده است. استفاده از درجه‌ی آزادی افزونه در سکوی ردیابی باعث کاهش سرعت و شتاب زاویه‌ای مورد نیاز در مفاصل طی فرآیند ردیابی و مانورپذیری بهتر سکو می‌شود. چالشی که سکوی افزونه‌ی پیشنهاد شده با آن روبروست، وجود بی‌شمار دسته جواب برای حل مساله‌ی سینماتیک معکوس است. برای حل این چالش، روشی تحلیلی با قابلیت دستیابی به یک دسته جواب یکتا پیشنهاد شده است. در ادامه مدل‌ دینامیکی سکو به روش اویلر-لاگرانژ استخراج و صحت‌سنجی آن با استفاده از یک نرم‌افزار مدل‌سازی انجام شده است. به منظور ارزیابی عمکرد سکوی سه درجه آزادی در ردیابی اهداف با مسیر نامشخص، از دو کنترل‌کننده‌ی تناسبی-انتگرالی-مشتقی و تنظیم‌کننده‌ی مربعی خطی استفاده شده است. با توجه به نتایج شبیه‌سازی‌ها، کارآمدی درجه‌ی آزادی افزونه و سادگی فرآیند کنترل برای ردیابی هر مسیر پیچیده حرکتی با استفاده از کنترل‌کننده‌های مرسوم تایید شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

An Analytical Solution to the Inverse Kinematic Problem, Dynamic Modeling, and Control of a 3 DOF Pedestal for Track Flying Targets

نویسندگان [English]

  • Ahmad Reza Vali 1
  • ali akbar sadeghi 2
  • Ali Khaki Sedigh 3
1 Control and Robotics Research Institute,, University of Electrical and Computer Complex, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran
2 Faculty of Electrical and computer , Malek-Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
3 Electrical Engineering and computer Department, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this paper, a three DOF (Degree Of Freedom) aerial target tracking pedestal that covers the entirety of the 3D threat space is introduced. The conventional two DOF tracking pedestals cannot track some trajectories due to having singular points in their workspace. The extra DOF in a three DOF tracking pedestal overcomes this problem. Moreover, the redundant DOF reduces the needed joint velocity and acceleration in the tracking process and makes the whole structure more maneuverable. The challenging matter in utilizing such a redundant pedestal is that the Inverse Kinematic Problem (IKP) has infinite sets of solutions. An analytical solution is proposed to handle this problem which results in a single set of solutions. Furthermore, the dynamic model of the pedestal is derived using the Euler-Lagrange method, and the verification is performed using mechanical design software. Finally, to demonstrate the effectiveness of the proposed pedestal in tracking aerial targets with unknown trajectories, a PID controller and an LQR controller are utilized in simulations. The results yield that tracking any complex trajectory is attainable using conventional controllers.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flying Targets
  • Three DOF trackers
  • Singularity
  • Inverse kinematic problem
  • Redundancy