فهرست مطالب

مکانیک هوافضا - سال سیزدهم شماره 4 (پیاپی 50، زمستان 1396)

فصلنامه مکانیک هوافضا
سال سیزدهم شماره 4 (پیاپی 50، زمستان 1396)

  • تاریخ انتشار: 1396/11/24
  • تعداد عناوین: 8
|
  • گزارش دینامیک، ارتعاشات و کنترل
  • وحید بهنام گل، احمدرضا ولی، علی محمدی صفحه 1
    در این مقاله برای به کارگیری ناوبری تناسبی افزوده در فاز نهایی رهگیرهای آشیانه یاب، از رویتگر مد لغزشی توسعه یافته برای تخمین مانور هدف استفاده می گردد. پیاده سازی ناوبری تناسبی افزوده نیازمند تخمین مانور و یا شتاب جانبی هدف است. با توجه به غیرخطی بودن مسئله درگیری رهگیر و هدف مانوردار در فاز نهایی، بهتر است این تخمین از روش های غیرخطی انجام شود. برای این منظور در این مقاله رویتگر مد لغزشی مورد استفاده قرار می گیرد. این رویتگر با توجه به غیرخطی بودن معادلات درگیری و در حضور نامعینی ها قادر به تخمین مانور هدف در راستای عمود بر خط دید می باشد. نتایج شبیه سازی عملکرد خوب رویتگر مد لغزشی در تخمین انواع مختلف مانور هدف و کارایی مناسب ناوبری تناسبی افزوده به همراه این رویتگر را نشان می دهند. ناوبری تناسبی افزوده با استفاده از تخمین دقیق مانورهای هدف، دستور شتاب کوچک تری را نسبت به روش های مقاوم در مقابل مانورهای هدف از جمله قانون هدایت مد لغزشی که به صورت محافظه کارانه از کران بالای مانورهای هدف استفاده می کنند، صادر می کند.
    کلیدواژگان: ناوبری تناسبی افزوده، تخمین مانور هدف، رویتگر مد لغزشی
  • خداداد واحدی، مصیب نوروزی نیا، فرزانه عبداللهی صفحه 11
    در این مقاله، به کنترل ردیابی شناورهای سطحی بدون سرنشین با استفاده از روش کنترل مقاوم مد لغزشی در حضور موانع ثابت و متحرک پرداخته شده است. مدل ریاضیاتی شناورها به صورت سه درجه آزادی بوده و تنها شامل سینماتیک و دینامیک مربوط به راستاهای طولی، عرضی و دوران حول محور قائم است. این شناورها به صورت زیر– تحریک کنترل می شوند؛ یعنی با آن که سه درجه آزادی دارند؛ اما تنها به دو محرک در راستاهای طولی و دوران حول قائم مجهزند. ما از روش کنترل مد لغزشی استفاده کرده ایم و دو سطح لغزش مرتبه اول و دوم که توابعی از خطاهای ردیابی هستند، برای راستاهای طولی و دوران حول قائم تعریف کرده ایم و با روش پایداری لیاپانوف، پایداری دینامیک خطا را اثبات کرده ایم. سپس، موانع ثابت و متحرکی را در مسیر شناور قرار داده ایم تا توانمندی شناور را در عبور ایمن از آن ها محک بزنیم. در پایان، شبیه سازی های عددی پیاده سازی شده اند تا صحت عملکرد کنترل کننده ها را نشان دهند.
    کلیدواژگان: شناور سطحی بدون سرنشین، کنترل مقاوم مد لغزشی، سامانه زیر تحریک، موانع ثابت و متحرک، روش پایداری لیاپانوف
  • عباس زندی باغچه مریم، محمد حسینی صفحه 21
    در مقاله حاضر، رفتار دینامیکی تیر ویسکوالاستیک تحت تاثیر نیروی متحرک هارمونیک و جریان جرمی بررسی شده است. معادله حاکم بر حرکت، به صورت نیمه تحلیلی و با استفاده از روش گالرکین و رانگ کوتای مرتبه چهار تحلیل شده است. نتایج این بررسی برای چهار شرایط مرزی مختلف، دوسرمفصل، دوسرگیردار، گیردار- مفصل و گیردار- آزاد به دست آمده است. نیروی متحرک به صورت سرعت یکنواخت، شتاب تندشونده و کندشونده و جریان جرمی با سرعت یکنواخت در نظر گرفته شده است. در این بررسی ابتدا تیر مستقیم بوده و در یک زمان خاص به یک باره جریان جرمی و همچنین نیرو به طور همزمان و غیرهمزمان بر تیر اثر می گذارند و بعد از عبور نیرو از انتهای آن، تاثیر نیرو خارجی بر تیر حذف می شود. در این بررسی تاثیر تغییرات پارامترهای مختلف از جمله نسبت جرمی، حالت های مختلف حرکت، تاثیر زمان اعمال نیرو و جریان جرمی و تاثیر شرایط مرزی مختلف بر تغییر مکان تیر مورد مطالعه قرار می گیرد. برای اعتبارسنجی مسئله از مقایسه پاسخ به دست آمده در غیاب جریان جرمی با پژوهش های قبلی استفاده شده است. همچنین، به عنوان مقایسه ای دیگر، نتایج تغییر مکان به دست آمده در اینجا با نتایج حاصل از روش تربیع دیفرانسیلی تعمیم یافته (GDQ)، مقایسه شده و انطباق خوب جواب ها مشاهده گردید.
    کلیدواژگان: ارتعاشات اجباری، نیروی متحرک هارمونیک، جریان جرمی، شرایط مرزی مختلف
  • مریم لری دهسراجی، علیرضا سعیدی صفحه 35
    در این مقاله تحلیل استاتیکی ورق ضخیم هدفمند پیزوالکتریک با استفاده از تئوری جدید مرتبه بالاتر تغییر شکل برشی و عمودی باترا و ویدولی، صورت گرفته است. مزیت این تئوری نسبت به تئوری های برشی این است که اثرات تغییر شکل برشی و عمودی در راستای ضخامت درنظر گرفته می شوند و خیز ورق در امتداد ضخامت ثابت فرض نمی شود. برای بیان خواص مکانیکی و الکتریکی ورق، از تابع نمایی در امتداد ضخامت استفاده شده است. سه مولفه میدان جابجایی در امتداد ضخامت با استفاده از چندجمله ای های لژاندر بسط داده می شوند و با استفاده از اصل کار مجازی معادلات حاکم بر ورق به دست می آیند. در نهایت تاثیر شرایط مرزی الکتریکی متفاوت (مداربسته، مدارباز و بسته و بارگذاری الکتریکی) روی دو سطح بالا و پایین ورق بررسی شده است.
    کلیدواژگان: ورق هدفمند پیزوالکتریک، تحلیل استاتیکی، تئوری مرتبه بالاتر تغییر شکل برشی و عمودی
  • حسن سالاریه، روح الله خالصی صفحه 47
    در این مقاله، امکان تعیین همزمان موقعیت و وضعیت ماهواره به کمک حسگر ردیاب ستاره بررسی شده است. در ابتدا معادلات 6 درجه آزادی حرکت ماهواره به کمک قوانین نیوتن و اویلر استخراج و با درنظرگرفتن نیروی جاذبه زمین و گشتاور گرادیان جاذبه، حرکت ماهواره در مدار زمین شبیه سازی شده است. سپس با استفاده از کاتالوگ ستارگان و مسیر حرکت، خروجی حس گر تولید می شود. در این پژوهش از فیلتر UKF استفاده می شود. در هر گام با کمک معادلات حاکم، متغیرهای حالت در گام قبل و خروجی حس گر، سرعت زاویه ای ماهواره نسبت به دستگاه اینرسی و جهت گیری دستگاه بدنه نسبت به ناوبری تخمین زده شده و به عنوان ورودی فیلتر در گام جدید مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به شبیه سازی ها، تقریبا پس از یک گردش ماهواره حول زمین، فیلتر همگرا شده و نسبت خطای فیلتر به خطای حل دینامیک برای زوایای رول و یاو در حد 2 درصد و برای زاویه پیچ و سرعت های زاویه ای در حدود 33 درصد می باشد. برای کاهش خطای تخمین متغیرهای حالت مرتبط با سرعت و موقعیت، نیاز به زمان بیش تری بوده و در پایان سیکل ششم، عملکرد فیلتر در تخمین این پارامترها به طور متوسط 40 درصد بهتر می باشد.
    کلیدواژگان: تعیین همزمان موقعیت و وضعیت، فیلتر کالمن UKF، گشتاور گرادیان جاذبه، حسگر ردیاب ستاره، شبیه سازی 6 درجه آزادی، گشتاور میراکننده
  • حسن صیادی، احسان مصطفوی صفحه 59
    در این مقاله، الگوریتم کنترلی جدیدی برای تشکیل آرایش هندسی مطلوب توسط گروهی از بالگردهای کوچک بدون سرنشین ارائه شده است. ابتدا با استفاده از روش نیوتن- اویلر، معادلات دینامیکی حاکم بر هر پرنده استخراج شده است. نیروی محوری روتور دم، نیروی محوری روتور اصلی، زاویه انحراف طولی و زاویه انحراف عرضی روتور اصلی ورودی های کنترلی هر بالگرد است. به منظور کنترل آرایش بندی از روش مبتنی بر مدل رهبر- پیرو استفاده شده است، برای این منظور معادلات حرکتی پیرو نسبت به رهبر به دست آمده است. سپس با استفاده از روش کنترل مود لغزشی، کنترلر سطح پایین طراحی گردیده است. هر روبات متناسب با اطلاعاتی که از بقیه روبات ها به دست می آید، عکس العمل مناسبی از خود نشان می دهد و در موقعیت و جهت گیری مناسب نسبت به سایر پرنده ها قرار می گیرد. برای سنجش دقت الگوریتم کنترلی ارائه شده، در انتها نتایج شبیه سازی آورده شده است.
    کلیدواژگان: بالگردهای کوچک بدون سرنشین، روش نیوتن، اویلر، مدل رهبر، پیرو، کنترل مود لغزشی
  • علیرضا سعیدی، حامد رضانیایی اقدم، رضا حسن نژاد قدیم، زهره موسوی صفحه 71
    در این مقاله، تحلیل ارتعاشات اجباری حالت ماندگار ورق های مستطیلی ساخته شده از مواد هدفمند همسانگرد و همسانگرد عرضی بررسی شده است. بر پایه تئوری جدید مرتبه بالاتر تغییر شکل برشی و قائم که توسط باترا و ویدولی ارائه شده است، معادلات حاکم با استفاده از اصل کار مجازی به دست می آیند. در این تئوری هر دو اثر تغییر شکل برشی و قائم در راستای ضخامت لحاظ می شود. همچنین، خیز ورق در امتداد ضخامت ثابت درنظر گرفته نمی شود. برای بیان خواص مکانیکی مواد هدفمند در راستای ضخامت از تابع توانی، استفاده شده است. نتایج عددی براساس تئوری مرتبه اول تا پنجم تغییر شکل برشی و قائم در قالب جدول ها و نمودارها بیان شده اند. اثر خواص مواد هدفمند و پارامترهای هندسی ورق روی خیز و تنش ها مورد بررسی قرار گرفته است. این بررسی نشان می دهد که این تئوری نه تنها برای ورق های نازک و نیمه ضخیم، بلکه برای ورق های ضخیم نیز نتایج بسیار دقیقی می دهد.
    کلیدواژگان: ارتعاشات اجباری، ماده هدفمند، ورق ضخیم، تئوری مرتبه بالاتر تغییر شکل برشی و قائم
  • محمدحسین سنگدانی، علیرضا توکل پورصالح صفحه 89
    این مقاله به مدل سازی، شبیه سازی و کنترل یک ربات ردیاب هدف مجهز به بینایی ماشین با قابلیت کنترل فعال نیرو اختصاص دارد. ابتدا سینماتیک مستقیم و معکوس ربات ردیاب هدف بررسی شده و سپس معادلات دینامیکی حاکم با استفاده از روش اویلر- لاگرانژ استخراج می گردند. در ادامه مدل ریاضی ربات شبیه سازی شده است و عملکرد سه روش کنترلی مختلف شامل کنترل تناسبی – انتگرالی – مشتقی، کنترل گشتاور محاسبه شده و کنترل فعال نیرو در کنترل ربات بررسی می گردد. با فرض حرکت هدف بر روی مسیر دایره ای از دید دوربین، مسیر دایره ای شکل به عنوان مسیر مرجع برای ربات ردیاب هدف درنظر گرفته شده است. یکی از چالش های مهم در این ربات ها وجود اغتشاش در شرایط نظامی است. به طور مثال در ربات های مجهز به تیربار، در هنگام شلیک یک اغتشاش متناوب بر ربات وارد شده که عملکرد و دقت سامانه هدف گیری را مختل می نماید. در این تحقیق روش کنترل فعال نیرو به عنوان روشی کارآمد در حذف اغتشاش و افزایش دقت این ربات ها پیشنهاد شده و عملکرد آن در شرایط وجود اغتشاش سینوسی شبیه سازی می گردد. همچنین، عملکرد روش کنترل فعال نیرو در مقایسه با روش های متداول کنترل ربات شامل روش کنترل تناسبی- انتگرالی- مشتقی و روش کنترل گشتاور محاسبه شده بررسی شده است. نتایج به دست آمده از این تحقیق بیانگر برتری روش کنترل فعال نیرو نسبت به روش های رایج در کنترل ربات در شرایط پر اغتشاش می باشد.
    کلیدواژگان: ربات ردیاب هدف، کنترل فعال نیرو، بینایی ماشین
|
  • Vahid Behnamgol, Ahmadreza Vali, Ali Mohammadi Page 1
    In this paper, extended sliding mode observer is used for estimating of target maneuver for applying of augmented proportional navigation in terminal guidance phase of homing interceptors. Implementation of augmented proportional navigation is dependent on estimation target acceleration. Nonlinear estimation of target acceleration is desired, because of nonlinear engagement geometry in terminal phase. Therefore in this paper, sliding mode observer has been used. This observer in the presence of nonlinearity and uncertainty is able to estimating of target maneuvers normal to line of sight. Simulation results show the good performance of proposed observer and augmented proportional navigation with this observer. The augmented proportional navigation with this estimation of target maneuvers, produce lower commanded acceleration in comparison with robust guidance laws such as sliding mode guidance law.
    Keywords: Augmented Proportional Navigation, Target Maneuver Estimation, Sliding Mode Observer
  • Khodadad Vahedi, Mosayeb Norouzi Nia, Farzane Abdollahi Page 11
    In this paper, tracking control of unmanned surface vessels by using the robust mode sliding control in the presence of fixed and moving obstacles are investigated. The mathematical model of vessels is in three degree of freedom (3DOF) and only contains the kinematics and dynamics of relevant to surge, sway and yaw. These vessels are controlled in under actuated manner; although they have (3DOF), but only are equipped to two actuators in direction of surge and yaw. Next, we are used the mode sliding control method and introduced the first and second order of sliding surfaces as a function of tracking errors in direction of surge and yaw. Based on Lyapunov stability method, stability of dynamics of error has been proven. Then, we have put the fixed and moving obstacles in the trajectory of vessels to examine the safe crossing ability of them. Finally, numerical simulations are implemented to demonstrate the validity of proposed controllers.
    Keywords: Unmanned Surface Vessel, Robust Control of Sliding Mode, Underactuated System, Fixed, Moving Obstacles, Lyapunov Stability Method
  • Abbas Zandi Baghche Maryam, Mohammad Hosseini Page 21
    In present study, dynamic response of viscoelastic beams subjected to moving harmonic loads and mass flow is investigated. A semi-analytical solution composed of the Galerkin and fourth order Runge-Kutta methods is adopted to solve the governing equation of motion. The results of this analysis are obtained for four different boundary conditions, namely pinned-pinned, fixed- fixed, fixed- pinned and fixed- free. The moving force is assumed to move with accelerating, decelerating and constant velocity types of motion and the mass flow has a constant velocity. The beam is assumed to be initially straight and the applied harmonic force and mass flow pass suddenly over the beam. Then, the effect of simultaneous and non-simultaneous application of harmonic force and moving mass on the dynamic beam response is investigated. It should be noted that the effect of force is removed after crossing the beam. In the present work, the effects of various parameters such as mass ratio, various types of motions, effect of applying force and mass flow and effects of various boundary conditions on the dynamic displacement of the beam are elucidated. Without mass flow, results are compared with the data in the previous researches and a good agreement is achieved. Also, for another comparison, the results of deflection presented here are compared with the generalized differential quadrature method and excellent agreement is obtained.
    Keywords: Forced Vibration, Moving Harmonic Loads, Mass Flow, Various Boundary Conditions
  • Maryam Lori Dehsaraji, Alireza Saidi Page 35
    In this paper static analysis of functionally graded piezoelectric thick rectangularplate is studied using the higher-order shear and normal deformable plate theory of Batra and Vidoli. Advantages of this theory compared to the shear theories is that, the effects of the both transverse shear and normal deformations are taken into account and the deflection of the plate along the thickness is not considered as a constant. Simple exponential function is used to explain mechanical and electrical properties through the thickness of the plate.Three displacement components are expanded in the thickness direction using the Legendre polynomials, and the governing equations are derived using the principle of virtual work. Finally, the effect of various electrical boundary conditions (closed circuit, open-closed circuit and electrical loading) on both surfaces of the plate is investigated.
    Keywords: Functionally Graded Piezoelectric Plate, Static Analysis, Higher-Order Shear, Normal Deformable
  • Hasan Salarieh, R. Khalesi Page 47
    In this paper, simultaneously attitude and orbit determination of satellites using only star tracker measurement is investigated. At first, the 6 D.O.F. governing equation of the system considering the gravity force and gravity gradient torque is obtained using the Newton-Euler equations. Next using a simplified star catalog, star tracker output in the desired orbit is calculated. To estimate variables of the attitude-orbital equations, an estimation algorithm based on the UKF is proposed. In each step using the governing equation, estimated parameter and star tracker output, satellite angular velocity and orientation of body against NED frame are estimated and these calculated parameters are used as input for the next step. According to Results after about one revolution of orbit, the estimation is converging and the ratio of filter’s solution error to dynamic’s solution error for the roll and yaw angles is about 2 percent and for the pitch angle and angular velocities are about 33 percent. In order to reduce position and linear velocity errors, the filter needs more time and at the end of 6 cycles, the performance shows 40 percent improvement in average.
    Keywords: Simultaneously Attitude, Orbit Determination, Unscented Kalman Filter, Gravity Gradient Torque, Star Tracker, 6 D.O.F Simulation, Damper Torque
  • Hasan Sayyaadi, Ehsan Mostafavi Page 59
    In this article, for constructing a desired formation by a group of unmanned small helicopters, a novel control algorithm is presented. Firstly, by using Newton-Euler method, dynamics equations of motion of one helicopter is derived. Main rotor thrust, tail rotor thrust, longitudinal and lateral tilt angles of main rotor are four control inputs of each agent. Leader-follower method is used for controlling the formation of agents, for this purpose, motion of the follower relative to leaders is derived. Then, sliding mode control (SMC) method is used to design a lower level controller. Each agent does appropriate reactions and adjusts its relative distances and directions according to the information which are received from others. For evaluating the presented control algorithm, simulations results is shown at the end.
    Keywords: Unmanned Small Helicopters, Newton-Euler Method, Leader-Follower Method, Sliding Mode Control
  • Alireza Saidi, Hamed Rezaniaiee Aqdam, Reza Hassannejad Qadim, Zohre Mousavi Page 71
    In this paper, forced vibration steady analysis of thick functionally graded isotropic and transversely isotropic rectangular plates has been investigated. Based on the higher-order shear and normal deformable plate theory which was introduced By Batra and Vidoli, the governing equations are obtained using the principle of virtual work. In this theory, both shear and normal deformation effects in the thickness direction are considered. Also, the deflection of the plate along the thickness is not constant. A power law distribution is used to describe the mechanical properties of the functionally graded materials through the thickness. The numerical results have been presented for first to fifth order shear and normal deformable theory in tables and diagrams. The effects of functionally graded material properties and the geometric parameters of the plate on deflection and stresses have been studied. This investigation is shown that this theory gives accurate results not only for thin and moderately thick plates, but also for functionally graded thick plates.
    Keywords: Forced Vibration, Fuctionally Graded Material, Thick Plate, Higher-order Shear, Normal Deformable Theory
  • Mohammadhossein Sangdani, Alireza Tavakolpour-Saleh Page 89
    This paper focuses on modeling, simulation, and control of a vision-based target-tracker robot with active force control (AFC) capability. The direct and inverse kinematics of the target-tracker robot is first investigated and then, dynamic equations governing the robot system are extracted using Euler-Lagrange approach. Afterward, the robot control system is simulated by three controllers namely proportional-integral-derivative control, computed torque control, and active force control. Assuming a circle-like path for the movement of the target in camera coordinates, a circle trajectory is chosen as the reference input to the robot control system. One of the main challenging problems in such robotic systems is the existence of unwanted disturbance in military conditions, which results in deteriorating the performance of the control system. For instance, there is often a cyclic disturbance affecting the machine gun that reduces accuracy of the target tracking control system. In this work, the active force control method as an efficient disturbance rejection technique is proposed to remove the disturbance affecting the robot system and its performance is evaluated under a sinusoidal disturbance. Furthermore, the performance of the AFC method is compared to the rest of the controllers. The obtained results clearly demonstrate the priority of the AFC approach in comparison with PID and computer torque control methods when the robot system is under disturbance.
    Keywords: Target Tracker Robot, Active Force Control, Machine Vision