طراحی و شبیه سازی مجموعه پنج درجه آزادی شامل میز شبیه ساز و جستجوگر گیمبال

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

3 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

در آزمون سامانه های اجسام پرنده، از سخت افزار در حلقه و فعال‌ سازی سنسورهای زاویه ‌ای به کمک میز شبیه ‌ساز سه درجه آزادی با مکانیزم گیمبالی استفاده می ‌شود. با توسعه استفاده از سنسورهای سبک و ارزان قیمت، نیاز به طراحی میز شبیه‌ ساز سه درجه آزادی ارزان قیمت و با وزن کم مشهود است. در این پژوهش به طراحی و بهینه سازی یک میز شبیه‌ ساز ارزان قیمت، در عین حال دقیق و کاربردی با قابلیت آزمون جستجوگر گیمبال پرداخته می‌ شود. پس از استخراج معادلات میز و جستجوگر، با توجه به ایجاد نامعینی بالا در اثر تغییرات بارگذاری، به طراحی و شبیه سازی میز و همچنین بهینه سازی طراحی آن با حذف و بهبود عناصر تشکیل دهنده پرداخته شده است، به گونه ای این ابزار در بهینه ترین و ارزان ترین حالت قابلیت کارایی مناسب را دارا باشد. در طرح حاضر، میزان حداکثر بارگذاری شبیه ساز کاهش پیدا کرده و به جای استفاده از اسلیپ رینگ از یاتاقان غلتشی معمولی استفاده گردید تا علاوه بر قیمت پایین‌تر نویز ناشی از اسلیپ رینگ حذف شود. موتورها از نوع AC به DC تغییر کرده و فضای کاری و دید جستجوگر نیز در حین طراحی لحاظ شد. علاوه بر این نوع ارتباطات به بیسیم و روش تامین انرژی به استفاده از باطری تغییر یافت. برای تحلیل تنش، انحراف و همچنین تعیین گشتاور موتورها، مدل سازی شبیه ساز در نرم افزار آدامز صورت گرفته و نقشه نهایی توسط نرم افزار کتیا طراحی و مونتاژ شد. حاصل کار طراحی یک شبیه ساز سه درجه آزادی ارزان قیمت، دقیق و چند منظوره و با ابعاد کوچک است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]        S. Poorrezaie Khaligh, "Design and Manufacture of 3-Axis Motion Simulator (Hardware in The Loop Lab)," M.S. Thesis, Department of Aerospace Engineering, Amir Kabir University of Technology, Tehran, 2006. [Online]. Available: https://digitallib.aut.ac.ir/DL/Search/.
 
[2]        D. Leblebicioglu, Ö. Atesoglu, A. E. Derinoz, and M. Çakmakci, "Learning-Based Control Compensation for Multi-Axis Gimbal Systems using Inverse and Forward Dynamics," ArXiv, Vol. abs/2112.02561, 2021, doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2112.02561.
 
[3]        N. A. Pouliot, C. M. Gosselin, and M. A. Nahon, "Motion Simulation Capabilities of Three-degree-of-freedom Flight Simulators," Journal of Aircraft, Vol. 35, No. 1, pp. 9-17, 1998, doi: https://doi.org/10.2514/2.2283.
 
[4]        R. Azad, "Development of an Angular Motion Test Platform for Hardware in the Loop," M.S. Thesis, Department of Aerospace Engineering, Amir Kabir University of Technology, Tehran, 2015. [Online]. Available: https://library.iut.ac.ir/Inventory/101/33618.htm.
 
[5]        K. Haeri and N. Afshar, "Tracking Fuzzy Control for 3 Degree of Freedom Table," Presented at the Third Conference of Electrical Engineering of Iran, Iran, Tehran, University of Science & Technology, 1993. [Online]. Available: https://library.iut.ac.ir/Inventory/101/33618.htm.
 
[6]        Z. Gao, Z. Miao, X. Wang, and X. Wang, "Three Axis Electronic Flight Motion Simulator Real Time Control System Design and Implementation," Review of Scientific Instruments, Vol. 85, No. 12, p. 125114, 2014, doi: https://doi.org/10.1063/1.4903980.
 
[7]        Z. Miao, C. Wei, Z. Gao, and X. Wang, "Active Coupling Suppression and Real-time Control System Design and Implementation for Three-axis Electronic Flight Motion Simulator," Transactions of the Institute of Measurement and Control, Vol. 40, No. 4, pp. 1352-1361, 2018, doi: https://doi.org/10.1177/0142331216683771.
 
[8]        T. Karbasi and A. Kashaninia, "Multivariable Nonlinear Control of a Three-degree-of-freedom Flight Simulator using Sliding Mode Control," Presented at the 14th Student Conference of Electrical Engineering of Iran, Iran, Kermanshah, Kermanshah University of Technology, 2011. [Online]. Available: https://civilica.com/doc/121598/.
 
[9]        X. Yue, M. Vilathgamuwa, K. Tseng, and N. Nagarajan, "Modeling and Robust Adaptive Control of a 3-axis Motion Simulator," in Conference Record of the 2001 IEEE Industry Applications Conference. 36th IAS Annual Meeting (Cat. No. 01CH37248), 2001, Vol. 1: IEEE, pp. 553-560, doi: https://doi.org/10.1109/IAS.2001.955475.
 
[10]      X. Yue, D. M. Vilathgamuwa, K. Tseng, and N. Nagarajan, "Robust Adaptive Control of a 3-Axis Motion Simulator for Instruments Testing," in 2002 IEEE 33rd Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference. Proceedings (Cat. No. 02CH37289), 2002, Vol. 2: IEEE, pp. 552-557, doi: https://doi.org/10.1109/PSEC.2002.1022511.
 
[11]      M. S. Mirzajani Darestani, S. Z. Mosavi, and P. Amiri, "Presenting a Method to Evaluate and Test the Sign Parameters on Two Degrees of Freedom Servomechanism Stabilized by Gyroscope," Presented at the National Conference on Electrical Engineering, Telecommunications and Sustainable Development, Iran, Mashhad, Khavaran Institute of Higher Education, 2014. [Online]. Available: https://civilica.com/doc/346467/.
 
[12]      M. Mohammadian and A. H. Rabiee, "Disturbance Rejection of Three-axis Gimbal Mechanism using PSO-optimized Fuzzy-PID Controller," Journal of Theoretical and Applied Vibration and Acoustics, Vol. 6, No. 2, pp. 301-324, 2020, doi: http://dx.doi.org/10.22064/tava.2021.124105.1162.
 
[13]      Y. Chen, H. Chu, T. Sun, L. Guo, and F. Zhang, "Two-axis Gimbal Platform Controller Design in Finite Time Application Occasions: LMI Approach," Optik, Vol. 158, pp. 831-841, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2017.12.172.
 
[14]      D.-H. Lee, D.-Q. Tran, Y.-B. Kim, and S. Chakir, "A Robust Double Active Control System Design for Disturbance Suppression of a Two-axis Gimbal System," Electronics, Vol. 9, No. 10, p. 1638, 2020, doi: https://doi.org/10.3390/electronics9101638.
 
[15]      A. Altan and R. Hacıoğlu, "Model Predictive Control of Three-axis Gimbal System Mounted on UAV for Real-time Target Tracking under External Disturbances," Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 138, p. 106548, 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2019.106548.
 
[16]      D. Wenxiang, Y. Jianyong, J. Zongxia, and L. Xiaochao, "High Dynamic Output Feedback Robust Control of Hydraulic Flight Motion Simulator using a Novel Cascaded Extended State Observer," Chinese Journal of Aeronautics, Vol. 35, No. 7, pp. 300-309, 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.cja.2021.07.013.
 
[17]      D. Sui, S. Zhao, T. Wang, Y. Liu, Y. Zhu, and J. Zhao, "Design of a Bio-inspired Extensible Continuum Manipulator with Variable Stiffness," Journal of Bionic Engineering, pp. 1-14, 2022, doi: https://doi.org/10.1007/s42235-022-00213-0.
 
[18]      B. Yan, P. Cheng, and C. Cai, "Aerodynamic Structural Design and Control for a New Miniature Coaxial Dual-rotor Unmanned Aerial Vehicle," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, Vol. 237, No. 8, pp. 1335-1348, 2023, doi: https://doi.org/10.1177/09596518231158681.
[19]      N. Lewis, S. Cole, E. Glossbrenner, and C. Vest, "Friction, Wear, and Noise of Slip Ring and Brush Contacts for Synchronous Satellite use," IEEE Transactions on Parts, Hybrids, and Packaging, Vol. 9, No. 1, pp. 15-22, 1973, doi: https://doi.org/10.1109/TPHP.1973.1136708.
 
[20]      Z. Yao-Lin, Z. Gao-Qiang, Z. Lei, and X. Jin, "Design of Wireless Multi-point Temperature Transmission system based on nRF24L01," in 2011 International Conference on Business Management and Electronic Information, 2011, Vol. 3: IEEE, pp. 780-783, doi: https://doi.org/10.1109/ICBMEI.2011.5920375.
 
[21]      D. E. Bittner, "Advances in MEMS IMU Cluster Technology for Small Satellite Applications," M.S. Thesis, Benjamin M. Statler College of Engineering and Mineral Resources of West Virginia University, Morgantown, 2015. [Online]. Available: https://researchrepository.wvu.edu/etd/5216/.
 
[22]      P. H. Zipfel, Modeling and Simulation of Aerospace Vehicle Dynamics, 2th ed. Reston, Virginia: AIAA Education Series, 2007. [Online]. Available: https://doi.org/10.2514/4.862182.
 
[23]      S. Goyanes et al., "Yield and Internal Stresses in Aluminum Filled Epoxy Resin. A Compression Test and Positron Annihilation Analysis," Polymer, Vol. 44, No. 11, pp. 3193-3199, 2003, doi: https://doi.org/10.1016/S0032-3861(03)00229-5.