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

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری / مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

2 عضو هیات علمی / مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

3 عضو هیات علمی / دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، 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]

  • Ali Akbar Sadeghi 1
  • Ahmad Reza Vali 2
  • Ali Khaki Sedigh 3
1 Faculty of Electrical and computer , Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
2 University of Electrical and Computer Complex, Malek Ashtar University of Technology
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

مراجع

[1] P. Seongjoon, T. K. Hyeong, L. Sangmin, J. Hyeontae, Survey on Anti-Drone Systems: Components, Designs, and Challenges, IEEE Access 9, 2021.
[2] W. Gawronsk, Modeling and control of antennas and telescopes, Springer Science & Business Media, 2008.
[3] J. Jongtack, Avss: Airborne video surveillance system, Sensors 18, no. 6, p. 1939,  2018.
[4] J. W. Cutler, C. A. Kitts, Mercury: A satellite ground station control system, IEEE Aerospace Conference. Proceedings.Vol. 2, pp. 51-58, 1999.
[5] B. L. Stevens, F. L. Lewis, E. N. Johnson, Aircraft control and simulation: dynamics, controls design, and autonomous systems, John Wiley & Sons; 2015.
[6] J. C. Russell, A control system and application program interface (API) for an elevation over azimuth tracking pedestal, Department of Electrical Engineering, University of Cape Town. 2008.
[7] H. Fathabadi, Novel high accurate sensorless dual-axis solar tracking system controlled by maximum power point tracking unit of photovoltaic systems, Applied Energy, 2016.
[8] A. Taheri, M. A. Shoorehdeli, H. Bahrami, M. H. Fatehi, Implementation and control of X–Y pedestal using dual-drive technique and feedback error learning for leo satellite tracking, IEEE Transactions on Control Systems Technology. 22(4):1646-57, 2013.
[9] A. J. Rolinski, D. J. Carlson, R. J. Coates, The XY antenna mount for data acquisition from satellites, IRE Transactions on Space Electronics and Telemetry. 159-63, 1962.
[10] S. Safari, A survey on different methods of satellite tracking, M. Sc. Thesis, Malek-Ashtar university, 1390. (in Farsi).
[11] M. Nasirian, pedestals for tracking objects in space, lab report, Malek-Ashtar university, 1395. (in Farsi).
[12] T. A. Johansen, T. I. Fossen, Control allocation—a survey. Automatica. 49(5):1087-103, 2013.
[13] I. Zaplana, L. Basanez, A novel closed-form solution for the inverse kinematics of redundant manipulators through workspace analysis, Mechanism and machine theory 121, 2018.
[14] G. Ducard, M. D. Hua, Discussion and practical aspects on control allocation for a multi-rotor helicopter, International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. 38(1/C22):95-100, 2011.
[15] R. Roberts, G. Rodney, A. A. Maciejewski, Fundamental limitations on designing optimally fault-tolerant redundant manipulators, IEEE Transactions on Robotics. 24.5, 2008.
[16] M. W. Pryor, T. Delber, Complex task completion with redundant serial manipulators, MS thesis. University of Texas at Austin. 1999.
[17] A. Colome, Smooth inverse kinematics algorithms for serial redundant robots, Diss. Master Thesis. Barcelona: Institute de Roboticai Informatica Industrial (IRI). 2011.
[18] M. W. Spong, S. Hutchinson, M. Vidyasagar, Robot modeling and control, New York: wiley,  2006.
[19] T. Fei, X. Chen, J. Xu, Inverse Kinematic Control Method of Redundant Manipulators with Joint Limits Constraints, In 2018 37th Chinese Control Conference (CCC). pp. 3893-3898, 2018.
[20] S. R. Buss, Introduction to inverse kinematics with jacobian transpose, pseudoinverse and damped least squares methods, IEEE Journal of Robotics and Automation. 17(1-19):16, 2011.
[21] M. Benzaoui, H. Chekireb, M. Tadjine, Redundant robot manipulator control with obstacle avoidance using extended jacobian method, In 18th Mediterranean Conference on Control and Automation. pp. 371-376. 2010.
[22] S. W. Kim, J. J. Lee, M. Sugisaka, Inverse kinematics solution based on fuzzy logic for redundant manipulators, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Vol. 2, pp. 904-910, 1993.
[23] J. Wang, H. Qingni, J. Danchi, A Lagrangian network for kinematic control of redundant robot manipulators, IEEE Transactions on Neural Networks. 10.5, 1999.
[24] A. Muller, Collision avoiding continuation method for the inverse kinematics of redundant manipulators, IEEE International Conference on Robotics and Automation, Proceedings. ICRA'04. 2004. Vol. 2. IEEE, 2004.
[25] T. H. M. Farrokhi, Real-time inverse kinematics of redundant manipulators using neural networks and quadratic programming: a Lyapunov-based approach, Robotics and Autonomous Systems. 62.6: 766-781, 2014.
[26] J. D. Boskovic, S. M. Li, R. K. Mehra, Robust tracking control design for spacecraft under control input saturation, Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 27(4):627-33, 2004.
[27] H. C. Tseng, D. W. Teo, Ship-mounted satellite tracking antenna with fuzzy logic control, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 34(2):639-45, 1998.
[28] B. Wu, D. Wang, E. K. Poh, High precision satellite attitude tracking control via iterative learning control, Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 38(3):528-34, 2015.
[29] T. Van Hoi, N. X. Truong, B. G. Duong, Satellite tracking control system using Fuzzy PID controller, VNU Journal of Science: Mathematics-Physics. 15;31(1), 2015.
[30] H. H. Yeh, E. Nelson, A. Sparks, Nonlinear tracking control for satellite formations, Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 25(2):376-86, 2002.
[31] A. Mahmoud, R. Fareh, Tracking control of serial robot manipulator using active disturbance rejection control, Advances in Science and Engineering Technology International Conferences (ASET), IEEE, 2019.
[32] A. Kheireddine, Y. M. Ben Ali, Bio-inspired Approach for Inverse Kinematics of 6-DOF Robot Manipulator with Obstacle Avoidance, International Conference on Pattern Analysis and Intelligent Systems (PAIS). IEEE, 2018.
[33] Z. Li, fault-tolerant method for motion planning of industrial redundant manipulator, IEEE transactions on industrial informatics 16.12, 2019.
[34] J. J. Craig, Introduction to robotics: mechanics and control, 3/E. Pearson Education India, 2009.
[35] H. Cheng, K. C. Gupta, An historical note on finite rotations, 1989.
[36] L. Syrmos, D. Vrabie, L. Lewis, Optimal control, John Wiley & Sons, 2012.
[37] K. J. Åström, T. Hägglund, Revisiting the Ziegler–Nichols step response method for PID control, Journal of process control. 1;14(6):635-50, 2004.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار