نشریه علمی پژوهشی مهندسی هوانوردی

نشریه علمی پژوهشی مهندسی هوانوردی

تخمین مدل باد در یک پرنده بدون سرنشین بال ثابت مبتنی بر روش ناوبری مدل مبنا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشیار دانشکده مهندسی هوافضا گروه آموزشی مکانیک پرواز و کنترل دانشگاه صنعتی شریف تهران ایران
2 استادیار دانشکده مهندسی هوافضا گروه آموزشی سازه‌های هوافضایی- مکانیک پرواز و کنترل دانشگاه امیرکبیر تهران ایران
3 پژوهشگر پسا دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
10.22034/joae.2024.355186.1121
چکیده
پرواز یک پرنده بدون سرنشین بال ثابت به‌دلیل وجود نامعینی‌های مدل، نویز اندازه‌گیری، اغتشاشات محیط مانند باد و پدیده آیرودینامیکی اثر زمین یک مسئله چالش برانگیز ‌است. از این‌رو، دانستن اطلاعات دقیق از پدیده باد و همچنین متغیرهای حالت از اولویت‌های پرواز خودکار وسایل بدون سرنشین به‌شمار می‌آید. در این پژوهش، روش ناوبری مدل مبنا به‌منظور تخمین مدل باد و متغیرهای حالت در یک پرنده بدون سرنشین بال ثابت ارائه شده‌است. به این منظور، ابتدا مدل‌سازی پرنده انجام شده‌است. سپس برای مدل‌کردن باد از مدل‌های استاندارد موجود در مراجع شامل مدل باد ثابت و مدل باد 1-cosine استفاده شده‌است. در گام بعد، از روش ناوبری مدل مبنا به‌منظور تخمین مدل باد و نیز تخمین لحظه‌ای متغیرهای حالت استفاده شده‌است. در این روش، خطاهای سرعت، موقعیت و وضعیت پرنده در سیستم مختصات اینرسی از تلفیق سیستم ناوبری اینرسی و سیستم تعیین موقعیت‌یاب جهانی‌ با استفاده از یک فیلتر کالمن تخمین‌زده می‌شود. همچنین از یک فیلتر UKF به منظور تخمین متغیرهای حالت پرنده و سرعت‌های باد مبتنی بر خروجی‌های سیستم ناوبری اینرسی استفاده می‌شود. در نهایت، سیستم ناوبری تلفیقی در هر لحظه بهترین تخمین مدل باد و متغیرهای حالت پرنده را مبتنی بر تلفیق خروجی‌های فیلتر کالمن و فیلتر UKF پیدا می‌کند. نتایج شبیه‌سازی حاکی از کارآیی مناسب روش ناوبری مدل مبنا به‌منظور تخمین مدل باد و متغیرهای پرنده در پرواز پرنده بدون سرنشین بال ثابت است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Van den Kroonenberg, A., Martin, T., Buschmann, M., Bange, J., and Vörsmann, P., “Measuring the wind vector using the autonomous mini aerial vehicle M2AV” Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,25(11), 1969-1982, 2008
[2] Langelaan, J. W., Alley, N., and Neidhoefer, J., “Wind field estimation for small unmanned aerial vehicles” Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 34(4), 1016-1030, 2011.
[3] Ahmed, F., Mohanta, J. C., Keshari, A., & Yadav, P. S. (2022). Recent Advances in Unmanned Aerial Vehicles: A Review. Arabian Journal for Science and Engineering, 47(7), 7963-7984.
[4] Bronz, Murat, et al. "Simultaneous Wind Field Measurements with Doppler Lidar, Quadrotor and Fixed-Wing UAV." AIAA SCITECH 2023 Forum. 2023.
[5] Wormley, S. J., “GPS Errors and Estimating Your Receiver's Accuracy” Retrieved October, 24, 2006.
[6]  Robinson, R. A., Butterfield, D., Curtis, D., and Thompson, T., “Problems with Pitots issues with flow measurement in stacks” Internation Environmental Technology (IET), 2004.
[7] Cho, A., Kim, J., Lee, S., and Kee, C., “Wind estimation and airspeed calibration using a UAV with a single-antenna GPS receiver and pitot tube” IEEE transactions on aerospace and electronic systems, 47(1), 109-117, 2011.
[8] Simma, Magdalena, Håvard Mjøen, and Tobias Boström. "Measuring wind speed using the internal stabilization system of a quadrotor drone." Drones 4, no. 2 (2020): 23.
[9]  Zachariah, D., and Jansson, M., “Self-motion and wind velocity estimation for small-scale UAVs”, In Robotics and Automation (ICRA), IEEE International Conference on, pp. 1166-1171, 2011, May.
[10]  Johansen, T. A., Cristofaro, A., Sørensen, K., Hansen, J. M., and Fossen, T. I., “On estimation of wind velocity, angle-of-attack and sideslip angle of small uavs using standard sensors”, In Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), IEEE International Conference on, pp. 510-519, 2015.
[11] Etele, J., “Overview of wind gust modelling with application to autonomous low-level UAV control” Mechanical and Aerospace Engineering Department, Carelton University, Ottawa, Canada, 2006.
[12]  Aeronautics, N., & Torrance, C. A., “On-board wind speed estimation for uavs”, 2011.
[13] Simon, Nathaniel, et al. "FlowDrone: wind estimation and gust rejection on UAVs using fast-response hot-wire flow sensors." arXiv preprint arXiv:2210.05857 (2022).
[14] Zipfel, Peter H. Modeling and simulation of aerospace vehicle dynamics. Amer Inst of Aeronautics &, 2007.
[15] R. Vepa, “Flight Dynamics, Simulation, and Control: For Rigid and Flexible Aircraft,“ CRC Press, August 2014.
[16] U.S. Military Specification MIL-F-8785C, 5 November 1980.
[17] Hoblit, Frederic M., “Gust loads on aircraft: concepts and applications“, Aiaa, 1988.
[18] R. Vepa, “Flight Dynamics, Simulation, and Control: For Rigid and Flexible Aircraft,“ CRC Press, August 2014.
[19] Rogers, Robert M. Applied mathematics in integrated navigation systems. Vol. 1. Aiaa, 2003.
دوره 26، شماره 1
مرداد 1403
صفحه 17-26

  • تاریخ دریافت 17 مرداد 1401
  • تاریخ بازنگری 29 بهمن 1401
  • تاریخ پذیرش 25 اردیبهشت 1403