طراحی فیلتر حرکت برای شبیه ساز پرواز سه درجه آزادی

امروزه شبیه سازها به عنوان وسایلی جهت آموزش، آز‍مایش، شبیه سازی حرکت و طراحی سیستم ها، در زمینه های مختلف تحقیقاتی و صنعتی به کار گرفته می شوند. شبیه سازی از راهکارهای اساسی کاهش هزینه ها و افزایش قابلیت اعتماد در موارد ذکر شده می باشد. شبیه سازهای پرواز نیز در رشد و توسعه صنعت هوافضا نقش بسزایی دارند. هدف از این تحقیق، طراحی فیلتر حرکت برای شبیه سازی پرواز توسط یک شبیه ساز سه درجه آزادی می باشد. سکوی متحرک شبیه سازهای پرواز از طریق ایجاد حرکاتی متناظر با حرکت واقعی هواپیما نقش مهمی در القاء احساس واقعی حرکت در خلبان دارد. هر چند از آنجا که یک شبیه ساز پرواز بر روی زمین ثابت است و دارای فضای کاری محدودی است و قادر به تامین حرکات واقعی یک هواپیما نیست، بایستی به بهترین نحو قابلیت های آن را مورد استفاده قرار داد تا قسمت های قابل احساس و ضروری حرکات را تامین کند. در ضمن در این فرآیند باید از ایجاد حرکات غیر واقعی و احساس های غلط اجتناب شود. وظیفه مقیاس نمودن و حذف حرکت های غیرمهم و یا غیر قابل تقلید توسط سکوی متحرک شبیه ساز بر عهده فیلتر حرکت شبیه ساز قرار دارد. فیلتر حرکت شبیه ساز، شتاب ها و سرعت هایی را که در پرواز واقعی احساس می شوند، به نحوی بازتولید و فیلتر می کند که شبیه ساز مورد نظر از محدوده عملکرد فیزیکی خود خارج نشود. به عبارت دیگر، فیلترهای حرکت به نحوی طراحی می شوند که ضمن برآوردن قیود حرکتی سکوی متحرک، احساس لازم را نیز در خلبان ایجاد نمایند. از دیگر محدودیت های شبیه سازی این است که، سکوی متحرک شبیه ساز از تمامی درجات آزادی هواپیما برخوردار نباشد. یکی از مسائل موجود در این رابطه، جبران حرکات انتقالی جانبی و رو به جلو در شبیه ساز سه درجه آزادی است که قابلیت تامین حرکات خیز، غلتش و پیچش را دارد. در این راستا فیلتر حرکت شش درجه باید به نحوی اصلاح شود تا حرکات مذکور را بتوان بازتولید نمود. در این تحقیق، علاوه بر طراحی فیلترهای حرکت کلاسیک و ترکیبی کلاسیک-وفقی برای شبیه ساز شش درجه آزادی، الگوریتم جدیدی برای تبدیل فیلتر های شش درجه آزادی به سه درجه آزادی ارائه شده است و از آنجا که شبیه سازهای سه درجه آزادی هزینه و پیچیدگی کمتری در مقایسه با انواع شش درجه دارند، فیلتر مذکور جهت پیاده سازی بر روی این نوع شبیه ساز طراحی شده است. الگوریتم کلاسیک طراحی شده برای شبیه ساز شش درجه آزادی، شامل فیلترهای خطی بالاگذر و پایین گذر با پارامترهای ثابت می باشد. تنظیم پارامترهای ثابت این الگوریتم نیز که از مراحل اساسی در طراحی فیلترهای حرکت می باشد، بررسی شده است. همچنین الگوریتمی جهت بازگرداندن زاویه چرخش به وضعیت صفر و نیز تطبیق حرکات دورانی شبیه ساز و هواپیما ارائه شده است. ویژگی اصلی الگوریتم کلاسیک، سادگی و قابل فهم بودن آن است. در ادامه الگوریتم وفقی معرفی شده است که دارای فیلترهای غیر خطی است و پارامترهای آن با استفاده از اصول کنترل وفقی بدست می آیند. الگوریتم ترکیبی کلاسیک- وفقی به عنوان طرح بعدی برای شبیه سازهای شش درجه آزادی انتخاب و طراحی شده است که این الگوریتم، فیلترهای غیر خطی وفقی را در ساختار کلی الگوریتم کلاسیک به کار می گیرد و پارامترهای آن بر اساس اصول کنترل وفقی و مطابق با وضعیت جاری شبیه ساز بدست می آیند. این الگوریتم، طرح هایی را از دو الگوریتم کلاسیک و وفقی الگو گرفته است و در عین ساده تر بودن نسبت به نوع وفقی، نتایج بهتری را در مقایسه با نوع کلاسیک می دهد. جهت تبدیل فیلترهای حرکت شش درجه آزادی به سه درجه آزادی، الگوریتم جدیدی طراحی شده است که این الگوریتم نیز بر اساس اصول کنترل وفقی عمل کرده و شتاب های خطی مورد نیاز در حرکات رو به جلو و جانبی را با اعمال شتاب زاویه ای مناسب به سکوی متحرک، بازتولید می کند. نتایج حاصل از این الگوریتم، با نتایج الگوریتم جمع ساده آثار مقایسه شده است که نشان از برتری الگوریتم جدید در حرکات دورانی دارد. نتایجی که برای فیلترهای شش درجه و سه درجه، در مانورهای مختلف ارائه شده است، حاکی از آن است که فیلتر حرکت طراحی شده برای شبیه ساز سه درجه آزادی در مقایسه با انواع شش درجه، شتاب های خطی مورد نیاز را نسبتاً خوب بازتولید می کند.