عنوان پایان‌نامه
طراحی مسیرهای مرجع پروازی جهت عبور از موانع
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکاترونیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 60832;کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 94
- تاریخ دفاع
- ۱۷ دی ۱۳۹۲
- دانشجو
- حسین مقصودی دهاقانی
- استاد راهنما
- مهدی فکور ثقیه, امیر رضا کوثری
- چکیده
- در این پژوهش مسال? طراحی مسیر بهین? پروازی برای هدایت یک ربات هوایی با هدف تعقیب عوارض زمینی و اجتناب از برخورد با عوارض زمین در حالت دو بعدی، در صفح? قائم مورد توجه قرار گرفته است. برای حل این مساله از روش هم مکان سازی مستقیم که یکی از پرکاربرد ترین روش های حل عددی مسائل کنترل بهینه می-باشد، استفاده شده است. در این پژوهش ابتدا مسئل? تعقیب عوارض زمین به عنوان یک مسال? کنترل بهینه فرموله شده است، سپس مسئل? کنترل بهینه با استفاده از روش هم مکان¬سازی مستقیم کاملا گسسته شده و به یک مسال? برنامه ریزی غیرخطی تبدیل گردیده است. برای یافتن یک جواب مناسب مسئل? برنامه ریزی غیرخطی از جعبه ابزار بهینه¬سازی متلب که در آن از روش برنامه ریزی درجه دوم متوالی استفاده می شد بهره گرفته شده است. در اینجا سعی شده است تا قید¬های مسئل? مانور تعقیب عوارض زمین و اجتناب از عوارض زمین همانند یک مسئل? شبه¬واقعی در نظر گرفته شود. در این راستا چندین مساله از جمله مسال? حداقل زمان پرواز و کمترین میزان سوخت مصرفی به طور جداگانه مورد بررسی قرار گرفته است. برای مدلسازی عوارض زمین چندین روش از جمله روش حداقل مربعات، بسط سری فوریه، روش گوسین و چندجمله¬ای¬های چبیشف بیان گردیده و در شبیه سازی های مساله از روش چندجمله¬ای¬های چبیشف استفاده شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی حاکی از کارامدی روش مورد استفاده می باشد به طوری که در نهایت مقادیر بهینه حالت و کنترل در طول باز? زمانی به گونه ای بدست می آیند که کلیه قید ها و خواسته ای مساله از قبیل کمترین زمان پرواز و یا کمترین میزان مصرف سوخت و غیره در بازه پرواز برآورده گردد. در این پژوهش همچنین سعی شده تا پس از طراحی مسیرهای بهینه با استفاده از روش هم مکان سازی¬مستقیم، از شبکه عصبی برای انجام طراحی مسیر استفاده شود، بدین صورت که از چندین مسیر بهینه طراحی شده برای آموزش شبکه استفاده می شود و در نهایت بجای انجام فرایند زمان بر حل معادلات غیرخطی و تولید مسیر بهینه از شبکه عصبی برای طراحی مسیر بهینه استفاده شود. با توجه به این که روش های متعددی برای حل مسائل طراحی مسیر های بهینه وجود دارد، اما تعداد زیادی از این روش ها اساسا قادر به حل مسائلی با این پیچیدگی نمی باشند. کارایی روشِ هم مکان سازی مستقیم، در این پژوهش به وضوح مشخص می باشد که قادر بوده بدون هیچ گونه ساده سازی در ساختار مساله، آن را به صورت نسبتا دقیق حل نماید. بنابراین می توان از رویکرد مطرح شده در این مقاله برای مسائل گوناگونی در حوزه بهینه سازی و طراحی مسیر های بهینه استفاده نمود به نحوی که پژوهش حاضر می تواند زمینه ساز حل مسائل مختلفی در آینده باشد. واژه‌های کلیدی: مانور تعقیب عوارض زمین و اجتناب از عوارض زمین، طراحی مسیر بهینه پروازی، روش هم-مکان سازی مستقیم، مدلسازی عوارض زمین، کنترل بهینه.
- Abstract
- This project investigates the optimal path planning of an aerial robot considering two-dimensional terrain following and terrain collision avoidance in a vertical plane. Direct Collocation Method has been used to solve optimal path design problem, as a useful numerical method for solving optimal control problem. The terrain following is formulated as an optimal control, then converted to a discrete nonlinear programming problem, through resorting to the Direct Collocation. In order to solve the latter problem, the MATLAB Optimization Toolbox has been utilized with the aid of sequential quadratic programming, intending to accommodate the dummy constraints of the aforementioned problems. Two separate procedures are implemented so as to minimize the time-interval and fuel-consumption of the flight, respectively. Numerous methodologies, including Least Squares, Fourier series, Gaussian and Chebyshev Polynomials are taken into account for the terrain modeling. The latter is also considered for the simulation process. Finally, the results confirm the validity of the foregoing procedure, as the optimal values obtained for the state and control variables satisfy all of the above constraints and objectives in the whole flight period. Moreover, in order to accelerate the path planning process, instead of solving nonlinear equations, neural networks are utilized, whose inputs are the results of the Direct Collocation procedure. Despite almost all other path planning approaches proposed in the Literature, Direct Collocation is able to solve complex path planning problems without demanding any simplification, and with great accuracy, which has been certified in this project, and may be well-developed to other similar contexts. Keywords: Terrain Following and Terrain Collision Avoidance, Optimal Flight Trajectory Planning, The Direct Collocation Method, Terrain Modeling, Optimal Control.
