پایان نامه ارشد رایگان با موضوع کنترل وضعیت

دانلود پایان نامه ارشد

نسبی 45، 60 یا 90 درجه، نصف زاویه) به منظور استفاده از سنسور مادون قرمز زمین، ماهواره بایستی دارای پایداری چرخشی باشد یا از آینۀ متحرک برای آشکارسازی افق استفاده نماید. این نکته را نیز باید در نظر گرفت که با حضور اجزاء متحرک، احتمال بروز خطا در مجموعه به صورت گستردهای افزایش مییابد و در نتیجه انتخاب این سنسور را با مشکل مواجه میکند. دقت مورد نیاز برای مجموعههایی که از سنسورهای افق استفاده میکنند برابر است که در بسیاری از کاربردها به 03/0 درجه نیز میرسد. برای بالاترین دقت در مدار LEO، تصحیح اطلاعات برای درخشندگی زمین و متغیرهای افق فصلی امری ضروریست. شکل ‏34 نمایی از یک سنسور افق را نشان میدهد.

شکل ‏34: نمایی از سنسور افق[9]
مغناطیسسنجها44، سنسورهای ساده، سبک و مطمئنی هستند که برای تعیین جهت و اندازه میدان مغناطیسی زمین بکار میروند. خروجی این سنسورها برای تعیین وضعیت فضاپیما مورد استفاده قرار میگیرد، اما دقت آنها به خوبی دقت سنسورهای ستاره یا افق نمیباشد. میدان زمین با زمان منتقل میشود و بطور دقیق در یک محل شناخته شده نیست. دقت دادههای حاصل از وضعیت به وسیلۀ عدم دقت در تعیین مدل مرجع برای میدان مغناطیسی زمین محدود میشود. به منظور توسعۀ دقت، میتوان از ترکیب دادههای این سنسور با دادههای مربوط به سنسورهای خورشید یا افق استفاده کرد.
هنگامیکه وسیلهای از گشتاور سازهای مغناطیسی استفاده میکند با استفاده از مغناطیس سنج میتواند پلاریتۀ خروجی گشتاور ساز را کنترل کند.
دریافت کنندههای45 GPS، معمول‌ترین وسایل شناخته شده برای ناوبری با دقت بالا هستند. اخیراً دریافت کنندههای GPS، با به استفاده از سیگنالهای مختلف از آنتنهای جداگانه بر روی فضاپیما، برای تعیین وضعیت مورد استفاده قرار میگیرند. این سنسورها دربرگیرندۀ هزینه و وزن کم در مأموریتهای LEO میباشند و برای کاربردهایی با دقت کم یا بعنوان سنسور پشتیبان مورد استفاده واقع میشوند.
نمایی از دریافتکنندههای GPS درشکل ‏35 نشان داده شده است.

شکل ‏35: نمایی از دریافتکنندههای GPS[8]
ژیروسکوپها46، سنسورهای اینرسی هستند که برای اندازهگیری سرعت و زاویۀ مرجع اولیه، بدون نیاز به دانش مرجع مطلق کاربرد دارند. از این سنسورها برای تعیین وضعیت دقیق فضاپیما در لحظۀ ترکیب با مراجع خارجی همچون سنسورهای ستاره یا خورشید و یا کنترل وضعیت حین عملکرد تراسترها استفاده میکنند. یک ژیروسکوپ با استفاده از جرم چرخشیاش برای احساس کردن و پاسخ دادن به تغییرات در جهت اینرسیاش حول محور چرخشی خود کاربرد دارد. این سنسور دارای مجموعه ساده و به نسبت ارزان است نمایی از ژیروسکوپها در شکل ‏36 آمده است.[8]

شکل ‏36: نمایی از ژیروسکوپ[8] شکل ‏37: نمایی از IMU[9]

ژیروسکوپها به تنهایی اطلاعات یک یا دو محور را تهیه میکنند و اغلب با همدیگر به عنوان واحد مرجع اینرسی47 برای تهیۀ اطلاعات هر سه محور ترکیب میشوند. واحدهای مرجع اینرسی، اگر با شتاب سنج‌ها ترکیب شوند به عنوان واحد اندازهگیری اینرسی48 شناخته شده و برای تعیین موقعیت/سرعت بکار میروند. نمایی از واحد اندازهگیری اینرسی در شکل ‏37 آمده است.
شکل ‏38 نمایی از مجموعه ADCS را به همراه عملگرها و حسگرهای بکار رفته در آن برای چند نمونه ماهواره را نشان میدهد.

شکل ‏38: نمایی از مجموعه ADCS به همراه عملگرها و حسگرهای بکار رفته[10]
المان‌ها و مجموعه كنترل وضعيت [19]
شبیه المان‌های تعیین وضعیت، سيستم كنترل و المان‌های آن نيز براي حصول دقت نشانه روي مورد نياز انتخاب مي‌شوند. كنترل وضعيت بر مبناي ميزان پايداري و نشانه روي به چند شيوه انجام مي‌شود. با توجه به ميزان پيچيدگي به ترتيب عبارتند از گراديان جاذبه49، پايداري چرخان50، پایدارسازی ممنتومی51، چرخش دوگانه52 و پايداري سه محوره53. انتخاب بر مبناي بيشترين دقت نشانه مورد نياز، كه معمولاً توسط محموله تعيين می‌گردد صورت می‌گیرد. مطالبات نشانه روي دقيق (كمتر از 1/0 درجه) استفاده از پیچیده‌ترین و گران‌ترین اين مجموعه‌ها يعني سيستم پايداري سه محوره را الزامی می‌نماید. مطالبات نشانه روي حداقلي (بالاتر از 5 درجه) استفاده از سيستمهاي غيرفعال ارزان (گراديان جاذبه) كه بر اساس پاسخ طبيعي ماهواره به محيط جهت نگهداري وضعيت خود عمل می‌کند را ممكن ميسازد. نوع سيستم كنترل ماهواره اثر قابل توجهي بر روي پيچيدگي كلي ماهواره دارد. به منظور بهينه سازي، ساده‌ترین روش كنترل براي دقت نشانه روي مورد نياز مدنظر قرار ميگيرد.
عملگرها54 :
دو نوع عملگر، موجود میباشد: عملگر فعال55 و غیرفعال56. عملگرهای غیرفعال از گشتاورهای محیطی برای نگهداری جهت ماهواره استفاده میکنند. اکثر عملگرهای غیرفعال از روشهای پایداری سازی همچون گرادیان جاذبه57 و پایداری چرخشی58 بهره میبرند.پایداری چرخشی باعث میشود تا تمام فضاپیماها بچرخند بنابراین بردار ممنتوم زاویهای آن در فضای اینرسی تقریباً ثابت میماند. پایداری به روش گرادیان جاذبه از زمین یا هر جسم بزرگ دیگری (مانند بوم گرادیان جاذبه) استفاده میکند تا ماهواره را در راستای مرکز همان جسم قرار دهد. عملگرهای فعال، بخشی از یک مجموعه میباشند که مستلزم تنظیم مداوم هستند. اکثر عملگرهای معمول از نوع فعال شامل گشتاور سازهای مغناطیسی، چرخهای عکسالعملی و تراسترها هستند که در زیر به آن‌ها اشاره میشود. [10]
چرخهای عکسالعملی59 (RW) موتورهای گشتاوری اصلی هستند که دارای رو تورهای اینرسی بالا میباشند. آنها قابلیت چرخش در تمام جهات را دارا بوده و هر چرخ، کنترل کنندۀ یک محور است. شکل ‏39 نمای چرخهای عکسالعملی مختلف را نشان میدهد.
اخیراً گونۀ دیگری از چرخهای عکسالعملی مورد توجه پروژههای ناسا60 قرار گرفته که گشتاور و کنترل جهت مورد نیاز را برای مجموعههای رباتیک در فضاپیماهای سرنشین دار یا فضاپیماهای کوچک بدون سرنشین فراهم میکند. این عملگرها برای مقاصد ماهوارههای خصوصی (PSA61) طراحی شدهاند و بنام چرخهای عکسالعملی مینیاتوری62 مشهور هستند. این عملگرها میتوانند برای چرخش و جهتیابی حول هر سه محور با بازدهی بالای انرژی و کنترل دقیق بکار روند. نمایی از چرخهای عکسالعملی مینیاتوری همراه با ساختمان آنها در شکل ‏310آمده است.

شکل ‏310: نمای چرخ عکسالعملی مینیاتوری همراه با ساختمان آن
چرخهای ممنتومی63 همان چرخهای عکسالعملی هستند اما با نرخ چرخش بالاتر از صفر برای تأمین ممنتوم زاویهای تقریباً ثابت. این ممنتوم، سختی ژیروسکوپک64را در دو محور فراهم میکند در خلال زمانی که گشتاور موتور برای تمرکز دقیق حول محور سوم، کنترل میشود. در تعیین سایز چرخها، یک نکتۀ مهم، تمایز بین اغتشاشات سیکلیک65 و سکولار66، و تمایز بین ذخیره ممنتوم زاویهای و توانایی گشتاور است. برای کنترل 3-محوره، حداقل سه چرخ مورد نیاز است به گونه‌ای که محور چرخشی آنها هم صفحه نباشد.
اغلب چرخ چهارم دیگری نیز به عنوان رزرو در نظر گرفته میشود. شکل ‏311 نمایی از چرخهای ممنتومی را نشان میدهد.

شکل ‏311: نمایی از چرخ ممنتومی
در حال حاضر گونۀ دیگری از این قبیل چرخها موجود است که میتواند به عنوان چرخ عکسالعملی یا ممنتومی بکار رود و بنام چرخ کوچک67 مشهور است که در ماهوارههای مینی یا پلتفرمهای کوچک بیشتر قابل استفاده میباشد. نمایی از چرخ کوچک در شکل ‏312 نشان داده شده است.

شکل ‏312: نمایی از چرخ کوچک
برای کاربردهایی که مقدار گشتاور زیاد است از ژیروسکوپهای کنترل ممان68 (CMGs) بجای چرخهای عکسالعملی استفاده میکنند، که به صورت چرخهای تکی یا دوبله با سرعت ثابت هستند.
مجموعههای کنترلی که با استفاده از ژیروسکوپهای کنترل ممان کار میکنند، قادرند گشتاور بزرگی حول هر سه محور راستگوشۀ فضاپیما تولید کنند، بدین منظور اغلب در مانورهای سریعالانتقال با نرخ بالا بکار میروند. اما از معایب آنها میتوان به پیچیدگی قوانین کنترلی مورد استفاده و هزینه و وزن بالای آنها اشاره کرد. نمایی از این عملگرها در شکل ‏313 آمده است.

شکل ‏313: سمت راست: نمایی از چهار عدد ژیروسکوپ کنترل ممان، سمت چپ: نمایی از ژیروسکوپ کنترل ممان
فضاپیماها همچنین از گشتاور سازهای مغناطیسی69 به عنوان یکی دیگر از عملگرها استفاده میکنند. این گشتاور سازها از کو یل‌های مغناطیسی70 یا الکترومغناطیسها71 برای تولید ممانهای دوقطبی مغناطیسی72 استفاده میکنند. از گشتاورسازهای مغناطیسی میتوان برای جبران میدانهای مغناطیسی پسماند فضاپیما یا جبران انحراف وضعیت به واسطه گشتاورهای اغتشاشی کوچک استفاده کرد، آنها همچنین میتوانند مجموعههای تبادل ممنتوم را به صورت غیراشباع درآورند اما معمولاً نیازمند زمان بیشتری نسبت به تر استرها میباشند. این‌گونه عملگرها در اثر برهمکنش با میدان مغناطیسی زمین، گشتاور مورد نیاز برای چرخش ماهواره را فراهم میکنند. این عملگر بسیار کند میباشد به عنوان مثال برای چرخش ماهواره به اندازۀ 90 درجه و با دقت ، 127 ثانیه زمان مورد نیاز است.[2]
یک گشتاور ساز مغناطیسی، عمود بر میدان مغناطیسی زمین گشتاور تولید میکند، مزیت الکترومغناطیسها این است که دارای اجزاء متحرک نیستند، فقط نیازمند یک مغناطیس سنج برای اندازهگیری میدان، یک سیمپیچ و میله الکترومغناطیس در هر محور میباشند. بد لیل استفاده از میدان مغناطیسی طبیعی زمین، این وسیلهها کارایی خود را در ارتفاعات بالاتر از دست میدهند. نمایی از این عملگر در شکل ‏314 آمده است.

شکل ‏314: نمایی از گشتاور ساز مغناطیسی (سمت راست: کویل مغناطیسی، سمت چپ: میلۀ مغناطیسی)

جتهای گاز73 یا تراسترها74 گشتاور مورد نیاز را با خروج جرم تولید میکنند، آنها وسایل ذخیره ممنتوم نیستند. ما از آنها به عنوان مجموعه گاز داغ75 با پیشرانه دوگانه76 یا منفرد77 استفاده میکنیم زمانی که واکنش شیمیایی منجر به تولید انرژی شود. آنها همچنین به صورت مجموعه گاز سرد78 هنگامیکه انرژی به وسیله گرمای نهان تغییر حالت پیشران یا کار تراکمی بدون تغییر حالت پیشران تولید شود، مورد استفاده قرار میگیرند. مجموعههای گاز سرد معمولاً برای فضاپیماهای کوچک و ضرورتهای ایمپالس پایین بکار میروند. از تر استرها برای تولید گشتاور یا نیروی مورد نیاز در کاربردهای زیر استفاده میکنیم:
کنترل وضعیت
کنترل تغییر جهت (حرکت نوسانی)
مانور فضاپیما در زوایای بزرگ
تصحیح مداری
کنترل نرخ چرخش
این عملگرها دارای دقت بالایی هستند اما نیازمند یک سختافزار مناسب برای کنترل سوخت میباشند.
نمایی از یک رزیستوجت79 به همراه مجموعه پیشرانش آن در شکل ‏315 نمایش داده شده است.

شکل ‏315: نمایی از تراستر رزیستوجتی به همراه مجموعه پیشرانش آن
جدول ‏32 مزایا و معایب استفاده از برخی عملگرهای پرکاربرد را نشان میدهد.
جدول ‏32: مزایا و معایب برخی عملگرهای پرکاربرد[9]
نام عملگر
مزایا
معایب
گشتاور ساز مغناطیسی
وزن کم
عدم نیاز به سوخت
فاقد اجزاء متحرک
سادگی اجزاء
کند بودن مجموعه
قابل استفاده برای مدارهای پایینتر از GEO
توان مصرفی بالا
چرخ عکسالعملی
عدم نیاز به سوخت
سریع بودن مجموعه
دقت بالا
دارای اجزاء متحرک
فرسودگی مکانیکی
چرخهای کوچک دارای قیمت بالاتری هستند.
تراستر
دقت بالا
سریع بودن مجموعه
محدود شده به وسیلۀ سوخت
نیازمند مجموعه پیشرفته
با توجه به توضیحات داده شده در جدول ‏33 انواع و مشخصات عملگرها آورده شده است.

جدول ‏33: انواع و مشخصات عملگرها[7]
نوع عملگر
محدوده گشتاور تولیدی (Nm)
دقت قابل حصول (deg)
ویژگی
گشتاورهای کنترلی خارجی
آیرودینامیک
00001/0-001/0
10-5
محیطی، غیر فعال، ساده، ارزان، مدارات پایین

گرادیان جاذبهای
000001/0-001/0
5-1
محیطی، غیر فعال، ساده، ارزان، مدارات پایین

گشتاور دهنده مغناطیسی
01/0-1/0
2-1
سه محوره، محیطی، ارزان، سبک،

پایان نامه
Previous Entries پایان نامه ارشد رایگان با موضوع کنترل وضعیت، مصرف انرژی، ضریب همبستگی Next Entries پایان نامه ارشد رایگان با موضوع کنترل وضعیت، قابلیت اطمینان، ضریب همبستگی