فهرست مطالب

مکانیک هوافضا - سال هفتم شماره 1 (پیاپی 23، بهار 1390)

فصلنامه مکانیک هوافضا
سال هفتم شماره 1 (پیاپی 23، بهار 1390)

  • دینامیک، ارتعاشات و کنترل
  • تاریخ انتشار: 1390/12/02
  • تعداد عناوین: 7
|
  • داود نادری، مهندس محمودرضا عزیزی صفحه 1
    در این مقاله، مدل سازی دینامیکی و برنامه ریزی مسیر حرکت بهینه یک ربات کروی مورد بررسی قرار گرفته است. ربات کروی گونه ای از ربات های متحرک است که بیشتر برای کاوش در مناطق ناشناخته استفاده می شود. ربات کروی مورد مطالعه، پنج درجه آزادی داشته و مکانیزم محرک آن یک پاندول دو درجه آزادی است که توسط دو موتور حرکت می کند. این ربات یک سیستم غیر هولونومیک و غیرخطی می باشد. در این مقاله، ابتدا سینماتیک ربات تحلیل شده و پس از آن معادلات حرکت آن با استفاده از روش کین استخراج شده است. برای برنامه ریزی مسیر، حل دینامیک معکوس ربات در حرکت روی خط راست و حرکت روی مسیر دایره ای انجام شده و از یک روش جدید تکراری با استفاده از الگوریتم ژنتیک برای طراحی مسیر در حرکت روی مسیر استفاده شده است. در انتها، مسیر حرکت بهینه برای دستیابی به توان مصرفی و زمان حرکت کمینه با استفاده از یک الگوریتم ژنتیک چند هدفه بدست آمده است. نتایج حاصل از به کارگیری این روش با دقت بالایی بر نتایج حاصل از شبیه سازی کامپیوتری منطبق است.
    کلیدواژگان: ربات کروی، دینامیک کین، برنامه ریزی مسیر، دینامیک معکوس، الگوریتم ژنتیک چند هدفه
  • محمدرضا الهامی، مهندس مهدی زینلی صفحه 15
    در این مقاله پایداری دینامیکی یک تیر دو سر آزاد تحت نیروی ناپایستار محوری مورد بررسی قرار گرفته است. ابتدا، با استفاده از تحلیل مودال و روش المان محدود ارتعاشات عرضی تیر در حالت آزاد (بدون نیروی انتهایی) مورد بررسی قرار گرفته و شکل مودها و فرکانس های طبیعی آن با استفاده از روش المان محدود به دست آمده است. در مرحله بعد، با استفاده از شکل مودها و فرکانس ها و تعامد مودهای ارتعاشی نسبت به جرم و سختی، معادله حاکم بر مسئله با روش گالرکین حل شده است. نتایج حاصل نشان می دهد که در تیر یکنواخت دو سر آزاد با افزایش نیروی محوری فرکانس ارتعاشات عرضی تیر همواره کاهش می یابد و پدیده فلاتر در نیروهای چندین برابر نیروی کمانش تیر مشاهده می شود. در حالی که برای تیر غیر یکنواخت دو سر آزاد هر دو پدیده فلاتر و واگرایی ممکن است در تیر اتفاق افتد. دیگر اینکه، اثر فلاتر در سازه تیر به دلیل کوچک بودن نسبت نیروی تراست به وزن نسبتا ناچیز بوده، ولی اثر اتصال مفصلی به مقدار قابل توجهی نیروی بحرانی فلاتر را کاهش می دهد. لذا، می توان به این نتیجه رسید که بررسی پایداری سازه برای پرنده های هدایت شونده به دلیل تاثیر ارتعاشات سازه تیر روی سیستم هدایت و کنترل آن بسیار مهم می باشد.
    کلیدواژگان: پایداری دینامیکی، فلاتر، روش گالرکین، نیروی پیشران ناپایستار
  • رمضان هاونگی، محمد تشنه لب، محمدعلی نکویی، حمیدرضا تقی راد صفحه 27
    در این مقاله، به مسئله تخمین به صورت یک مسئله بهینه سازی مقید توجه شده و سپس با استفاده از روش های تکامل تفاضلی (DE) و اجتماع ذرات (PSO) حل شده است. فیلتر پیشنهادی به طور تصادفی در فضای حالت های سیستم شروع به جستجو می کند و بهترین تخمین را در هر لحظه به دست می آورد. عملکرد فیلتر پیشنهادی مبتنی بر تکامل تفاضلی و اجتماع ذرات با فیلتر کالمن توسعه یافته (EKF) و فیلتر ذره ای، برای یک سیستم غیرخطی در شرایط مختلف با هم مقایسه شده است. نتایج شبیه سازی ها نشان می دهد که عملکرد فیلترهای تکاملی در شرایط مختلف به مراتب بهتر از فیلتر کالمن توسعه یافته و فیلتر ذره ای است.
    کلیدواژگان: فیلتر کالمن توسعه یافته، فیلتر بیز، ماکزیمم کردن تابع چگالی احتمال پسین، تکامل تفاضلی، اجتماع ذرات
  • مجتبی مرادی، سیدعلی اکبر موسویان، اکبر دانشور قلعه لر صفحه 41
    در این مقاله، دیدگاه جدیدی برای مدل سازی دینامیک مداری معرفی می شود که بر اساس چگونگی تغییرات مولفه های مداری در حضور اغتشاشات است. دینامیک مدار ماهواره اغلب توسط روش های کول و انکه مطرح می شوند. این روش ها شامل حل معادلات دیفرانسیل مرتبه دوم غیرخطی مدار، به همراه تاثیر انحرافی تمامی نیروهای اغتشاشی، در فضای کارتزین هستند. این فرم های دینامیکی نیازمند تبدیل مختصات دکارتی به مولفه های مداری است تا از آن طریق تغییرات این مولفه ها به دست آیند. در این تحقیق، از روش گوسی برای تبدیل معادلات دیفرانسیل غیرخطی مدل های قبل به شش معادله دیفرانسیل مرتبه اول غیرخطی استفاده شده تا قادر به استخراج تغییرات مولفه های مداری به طور مستقیم از آن ها بود. سپس، «دیدگاه اغتشاشی اصلاح شده» برای مدارهای با ارتفاع کم معرفی شده است. در این دیدگاه، اثر تکرارشونده J2 جزء دینامیک مدار فرض شده و تاثیرات دیگر همچون اثر ترم های بالاتر عدم کرویت (J3- J6)، نیروی آیرودینامیکی جو، جرم سوم، فشارهای تشعشعی و تاثیرات طولانی مدت J2 به عنوان عوامل اغتشاشی در نظر گرفته شده اند. مزایای اصلی این دیدگاه نسبت به روش های قبلی شامل: الف) قابلیت جداسازی تاثیرات تکرارشونده و طولانی مدت اغتشاشات بر مولفه های مداری، ب) محاسبات کم حجم تر و دقیق تر، ج) کاهش مصرف سوخت در فرآیند کنترلی اصلاح مدار و د) ساده و عملی بودن روش های کنترلی هستند. نتایج بدست آمده شبیه سازی، مزایای فوق الذکر را تصدیق می کند.
    کلیدواژگان: دینامیک اغتشاشی، عدم کرویت، اصلاح مولفه های مداری، دیدگاه اغتشاشی اصلاح شده
  • علیرضا بابایی، مهندس جلال کریمی صفحه 55
    در این مقاله مسیر پرواز بهینه برای هدایت هواپیمای بدون سرنشین که از موقعیت شروع تا موقعیت هدف در فضای سه بعدی با ارتفاع پایین پرواز می کند، طراحی شده است. با تعریف تابع هزینه ای مرکب از زمان پرواز، ارتفاع عوارض و مدل مناطق تهدید و استفاده از روش های حل مبتنی بر کنترل بهینه، مسیری بهینه طراحی می شود، که با عدم برخورد با عوارض زمینی و عدم عبور از مناطق تهدید، پروازی ایمن را فراهم می نماید. این مسیر پرواز در قالب مجموعه معادلات دیفرانسیلی ارائه می شوند که حل زمان واقعی آن ها منجر به ارتفاع و زاویه ی سمت فرمان برای خلبان خودکار خواهد شد. علاوه بر این، با استفاده از سطوح اسپیلاین، داده های گسسته عوارض زمین میان یابی شده که منجر به کاهش حجم داده های مورد نیاز از ارتفاع عوارض زمین و هم چنین همواری مسیر پرواز می شود. برای ارزیابی الگوریتم ارائه شده، از نقشه های عوارض زمین در بخشی از ارتفاعات زاگرس استفاده شده و نتایج شبیه سازی برای دو حالت سرعت ثابت و انرژی ثابت ارائه شده است. این نتایج، کارآمدی الگوریتم را در مواجه با یک ماموریت واقعی نمایش می دهند. در حالت سرعت ثابت می توان قید حداکثر نرخ زوایای سمت و مسیر پرواز را به طور ضمنی تنظیم کرد. در حالی که، در حالت انرژی ثابت علاوه بر تنظیم این قیدها، می توان قید سرعت و حداکثر ارتفاع پرواز را نیز به راحتی برآورده کرد.
    کلیدواژگان: کنترل بهینه، هواپیمای بدون سرنشین، مسیر پرواز، عوارض زمینی، سطوح اسپیلاین
  • ایمان محمدزمان، حمیدرضا مومنی صفحه 69
    در این مقاله، یک قانون هدایت تناسبی- انتگرالی با همگرایی زمان محدود با استفاده از ایده ناوبری موازی و به منظور صفر کردن نرخ چرخش خط دید در زمان محدود ارائه شده است. در قانون جدید، نرخ چرخش خط دید پیش از پایان زمان محدود هدایت فاز نهایی به سمت صفر و یا همسایگی کوچکی از صفر میل می کند. همچنین، قانون هدایت تناسبی-انتگرالی مذکور برای حالت دینامیک مرتبه اول رهگیر و به منظور برقراری پایداری حلقه هدایت و همگرایی زمان محدود نرخ چرخش خط دید توسعه داده شده است. در این حالت، از مشتقات مرتبه بالاتر نرخ چرخش خط دید برای جبران اثر دینامیک رهگیر استفاده شده است. نتایج شبیه سازی نشان دهنده آن است که قانون هدایت جدید نسبت به قانون هدایت تناسبی با همگرایی زمان محدود و هدایت تناسبی حقیقی دارای قوام بیشتری نسبت به مانور هدف بوده و عملکرد بهتری از خود نشان می دهد.
    کلیدواژگان: هدایت تناسبی، انتگرالی، همگرایی زمان محدود، دینامیک رهگیر، ناوبری موازی
  • پوریا عظیمی، مهدی مقصودی مهربانی، علی اصغر جعفری صفحه 81
    در این پژوهش به تحلیل ارتعاشات آزاد پوسته استوانه FGM جدار نازک تحت فشار داخلی پرداخته شده و تاثیرات فشار داخلی بر رفتار فرکانسی این پوسته ها مورد مطالعه قرار گرفته است. تحلیل بر اساس روابط کرنش- جابه جایی تئوری پوسته لاو انجام می شود. سپس، به محاسبه انرژی کرنشی و پتانسیل پوسته استوانه ای تحت فشار داخلی پرداخته و معادلات ماتریسی با استفاده از لاگرانژین و تعریف یک فانکشنال انرژی و استفاده از روش رایلی-ریتز حاصل شده است. در نهایت، اقدام به استخراج فرکانس های طبیعی نموده و تاثیرات فشار داخلی بر رفتار فرکانسی این پوسته ها مورد مطالعه قرار گرفته و در نهایت انطباق نتایج با دیگر مراجع و نیز نرم افزار ABAQUS بررسی شده است.
    کلیدواژگان: ارتعاشات آزاد، پوسته استوانه ای، FGM، فشار داخلی
|
  • D. Naderi, M.R. Azizi Page 1
    This paper deals with dynamic modeling and path planning of a spherical mobile robot. Spherical robot is the prototype of mobile robot used in unknown environments. In this paper, it has five degrees of freedom such that its driver mechanism is 2DOF pendulum moved with two motors. This spherical robot is a non-holonomic and non-linear system. First, the kinematic of the spherical robot is analyzed and next its equations of motion are derived,using the Kane method. For path planning, inverse dynamic of the robot on straight and on circular trajectories are solved. For this, new iterative method, using genetic algorithm for path planning in motion on circular path is used.Finally, the optimal path for achieving minimum power and time of motion are obtained, using multi-objective genetic algorithm. Good agreements were observed between the results of this method and previous computer simulations.
    Keywords: Spherical Robot, Kane Dynamic, Path Planning, Inverse Dynamic, Multi, objective Genetic Algorithm
  • M.R. Elhami, M. Zeinali Page 15
    In this paper, dynamic stability of two free-end beam subject to a non-conservative following force has been investigated. In the first step, transverse vibration of beam structure in free-free mode with/without end force by modal analysis and FEM was analyzed and mode shapes and natural frequencies were obtained. Then, dynamic equations of the vibration with using the Galerkin method were solved. It can be seen that with increasing the axial force frequency of transverse the vibration of the beam decreased. Also, flutter phenomenon in the states of axial force much higher than buckling force is observed. Furthermore, in case of non-uniform beam, in free-free mode both flutter and divergence are occurred. It can be concluded that, due to low thrust weight ratio in nowadays flying objects, the effect of flutter on dynamic stability of structure itself is not significant. However, the effect of joint in beam significantly reduces the critical force of flutter.
    Keywords: Dynamic Stability, Flutter, Galerkin Method, Non, conservative, Thrust Force
  • R. Havangi, M. Teshnehlab, M.A. Nekoui, H. Taghirad Page 27
    In this paper, estimation problem is considered as a conditional optimization problem and then is solved using both differential evolution (DE) and particle swarm optimization (PSO).The proposed filter searches stochastically along the state space and obtains the best estimation at any time. The performance of the proposed filter, based on differential evolution (DE) and particle swarm optimization (PSO), is compared with extended Kalman filter (EKF) and with particle filter in different conditions for a non-linear system. Simulation results show that the performance of evolution filters in different conditions is superior to extended Kalman and particle filters.
    Keywords: Extended Kalman Filter, Bayes Filter, Maximum APosterior, Differential Evolution, Particle Swarm Optimization
  • M. Moradi, S.A.A. Moosavian, A. Daneshvar Page 41
    In this paper a new viewpoint to orbital dynamics simulation is introduced. The novel proposed method is based on the manner by which the orbital elements change in the presence of disturbances. Satellite orbit dynamics is often expressed by Cowll and Enke methods. These methods include solving a set of second-order non-linear differential equations, with all disturbance force deviation effects in the Cartesian space. These forms of dynamics require converting the Cartesian components to orbital elements so that these element changes can be obtained. Here,Gauss’s method has been used to convert the dynamics model into six first-order non-linear equations whereby orbital elements can be directly extracted from these equations. Then, “Corrected Disturbance Viewpoint” is defined for low-altitude orbits. In this viewpoint, J2 oscillatory effect is assumed as a part of orbit dynamics. Other effects such as higher order terms of oblateness (J3-J6), drag aerodynamic force, third-body, radiation pressure and J2 longterm effect have been considered as disturbance factors in the dynamics. The main advantages of this proposedviewpoint in comparison with the previously suggested methods are: a) separation capability between oscillatory and long-term effects in disturbances, b) more concise and accurate calculations, c) reducing fuel consumption in the orbit correction process, and d) simplicity plus feasibility of control methods. The performed simulation results support the aforementioned advantages.
    Keywords: Disturbance Dynamics, Oblateness, Orbital Elements Correction, Corrected Disturbance Viewpoint
  • A.R. Babaei, J. Karimi Page 55
    In this paper an optimal control-based approach is proposed for designing three-dimensional trajectory for unmanned aerial vehicles (UAV’s). In this approach, by defining a cost function, based on the flight time and the avoiding terrain and threat objectives, the safe trajectory is planned so that UAV avoids obstacles and threatened zone, as an optimal procedure. Besides, digital elevation map (DEM) is interpolated by using spline surfaces. This leads to reduction of digital data and further smoothing the trajectory. The algorithm is presented in terms of constant speed and energy assumptions. For constant speed situation, the heading and flight path angle rate constraints is satisfied implicitly. In contrast with constant speed assumption, constant energy assumption beside the mentioned constraints leads to satisfying speed and altitude limitations. Finally, this approach is recommended for trajectory planning of autonomous vehicles in presence of threatened zones.
    Keywords: Optimal Control, Unmanned Aerial Vehicles, Flight Trajectory, Terrain, Spline Surface
  • I. Mohammadzaman, H.R. Momeni Page 69
    In this paper, a PI guidance law with finite time convergence is proposed to nullify the LOS rate in finite time. With the new guidance law, the line-of-sight angular rate will converge to zero or a small neighborhood of zero before the final time of the guidance process. Furthermore, the proposed PI guidance law is extended to the first order pursuit dynamics which can guarantee the stability of the guidance loop and finite time convergence of the LOS rate. In this case, high derivatives of the LOS rate are appeared in the guidance law. Simulation results show the effectiveness and robustness of the proposed guidance law against maneuvering target as compared with finite time PN and true proportional navigation guidance law.
    Keywords: PI Guidance, Finite Time Convergence, Pursuit Dynamics, Parallel Navigation
  • P. Azimi, M.M. Mehrabani, A.A. Jafari Page 81
    In this article free vibration of a cylindrical shell with internal pressure made of a functionally gradient material (FGM) composed of stainless steel and nickel is studied. The objective is to study the influence of internal pressure on the frequency characteristics of the FGM shell. The boundary condition of this shell is simply supported. The properties are graded in the thickness direction according to a volume fraction power-law distribution. The analysis is carried out with strain-displacement relations from Love’s shell theory and the eigenvalue governing equation is obtained using Rayleigh-Ritz method. After solving the equation, the results were verified by comparing the obtained frequencies with the frequencies of the other literatures and also with the results from ABAQUS.
    Keywords: Free Vibration, Cylindrical Shell, FGM, Internal Pressure