تكنولوجيات طيار آلي محدود التكلفة للطائرات الموجهه بدون طيار باستخدام تصميم وتنفيذ

الخوارزمات الجينية ضبط بارمترات التحكم بواسطةرخيصة الثمن ومتاحة عالميا مع حسابيا

مقدمة:

بشكل تلقائي عن طريق معالجاتآلي عملي ومحدود التكلفة لتنفيتهدف هذه المقالة إلى شرح كيفية تصميم وتنفيذ طيار ذ مهام مخططه مسبقا

باإلضافة إلى ونظام التوجيه لنظام التحكم متاحة ورخيصة الثمن, وتعرض هذه المقالة بشكل تفصيلي أسلوب وطريقة التصميم ودوائر إلكتروتنية

والتأكد من دقة أداءات نموذج الهيل الموجهه بدون طرق التحقق بعض معالمتاحة المحاكاة عرض عدة نتائج حقيقية عن طريق إستخدام أساليب

والطيار اآللي )كنموذج تجريبي( طيار صميم الطيار اآللي للقيام ببعض المناورات بسرعة محددة للمرور بنقاط تم ت, وقد وفقا لمهمة مخططه مسبقا

ي عن طريق تجميع معادالت الحركة لألجزاء الديناميكية المكونة إستنتاج النموذج الغير خط في هذا البحث تممسبقا قبل الطيران, المخططه المسار

وضبط لنموذج الهيل الموجهه بدون طيار ثم تحويل المعادالت النهائية الغير خطية إلى معادالت خطية حتى يمكن إستخدامها في إستنتاج

ح أو أي مؤثر خارجي آخــر, تم إستخــدام اعلى النموذج بأي ريلطيار اآللي و الحصول على أداءات مستقرة حتى أثناء التأثير التحكم ل بارامترات

لزيادة درجة إستقرار النموذج و ذلك عن طريق تحريك أقطاب اإلستقرار إلى الجهه اليسرى على إحداثيات (Pole Placement) أسلــوب

(Root Locus) ت الطيار اآللي ,ثم بعد ذلك تطبيق وتنفيذ خوارزمات جينية مهيئة إلستنتاج بارامترا(PID) لكل إشارات التحكم المدمجة لكل

أداءات النموذج طبقا وتقييم أساسي, تم تنفيذ عدة نماذج تحكم للنموذج الهيل الموجهه بدون طيار وكذلك خوارزمات التوجيه لقياس معزز تحكم

للحصول على أفضل أداءات وأقل نسبة خطأ, الطيار اآللي المق م في هذه المقالة أثبت قدرته على التحكم وتوجيه النموذج د لمهمة مخططة مسبقا

وذلك طبقا مرورا بنقاط المسار المطلوب وبنسبة خطأ مناسبة ومقبولة داخل محددات الطيران المعروفة هاالهيل الموجهه بدون طيار أثناء طيران

للمقارنة بين نظامي تحكم وتوجيه مختلفين مختصرةهذه المقالة دراسة , كما تعرض لنتائج جميع برامج ونماذج المحاكاة المستخدمة في هذا البحث

وي تم ذلك للطائرات الهيل الموجهه بدون طيار, النظام األول يعتمد على توجيه الهيل الموجهه بدون طيار في إتجاه نقاط المسار المحددة مسبقا

وجيه التاليه وزاوية اإلتجاه أو اإلرتفاع الفعليه للهيل الموجهه أثناء الطيران, بينما بحساب الفارق بين زاوية اإلتجاه أو اإلرتفاع بالنسبة لنقطة الت

النسبة لنظام النظام اآلخر يعتمد على المسافات النسبية بين إحداثي الهيل الموجهه والقطاع الحالى من المسار المحدد مسبقا قبل الطيران محسوبا ب

في اإلتجاه العمودي أو اإلتجاه الجانبي, أو بتعبير آخر يعتمد النظام األول على توجيه الهيل الموجهه بدون إحداثي منطبقا على هذا القطاع سواء

طيار في أتجاه أحداثيات نقط المسار بينما يعتمد النظام الثاني على توجيه الهيل بالنسبة للمسار ذاته المار بين إحداثيات نقاط المسا .ر المحددة مسبقا

اإلسلوب المعروض في هذه المقالة على أحد أنواع نماذج الطائرات الموجهه بدون طيار األتية: يمكن تطبيق

نماذج مختلفة لطائرات موجهه بدون طيار صغيرة الحجم والوزن يمكن إستخدام الطيار اآللي محدود التكلفة عليها

:اآللي نظام التحكم

ددة وهي محاولة ضبط أداءات الطائرة طبقا لألداءات المطلوب, وال تعتبر هذه العملية بسيطة كما تبدو ولكن ألي طائرة بوظيفة أساسية محيقوم نظام التحكم

أو األرضية قبل تحتاج إلى جهد كبير سواء أثناء التصميم وحساب بارامترات التحكم الخاصة بكل نوع دوران أو سرعة للطائرة, أو أثناء التجارب المعملية

سبيل المثال لكي نضبط معدل دوران الطائرة حول المحور العرضي على سرعة دوران معينة يجب إيجاد البارمترات بشكل عملي, فعلى الطيران لضبط هذه

, يتم تطبيق خوارزمات جينية لحساب مقدار مشوار المعزز المسئول عن هذه الحركة بدقة متناهيه حتى يمكن الحصول على معدالت الدوران المطلوبه

.نظام التحكم اآللي بشكل مبسط وضح الشكل اآلتييكما نظام التحكم في مرحلة التصميم قبل الضبط أثناء مراحل التجارببارمترات

ألي طائرة موجهه بدون طياراآللي شكل مبسط لنظام التحكم

نظام التوجيه اآللي:

السابق ذكره في قلب نظام التوجيه, بحيث يقوم نظام التوجيه اآللي بإجراء عدة يحتوي نظام التوجيه اآللي ألي طائرة موجهه بدون طيار على نظام تحكم آلي ك

لي بمعلومية أحداثيات الطائرة الحقيقة ومدى إنحرافها عن المسار المخطط ثم تحويل قيمة هذا اإلنحراف إلى أداء مطلوب من نظام التحكم اآل حسابات فورية

وفقا طيرانها عن المسار المخطط مسار إنحراف يقل مدىدوران حتى تحقق الطائرة األداء المطلوب منها لالذي يقوم بدوره ليحدد مقدار مشوار كل معزز

لبيانات نظام التوجيه اآللي كما هو موضح في الشكل اآلتي.

ليين مم إستخدامه كطيار للي عل محدود التكلفة ومتاح في السوق العالمي يمكن برمجته بنظام التحكم والتوجيه اآل (ArduPilot Mega) كارت إلكتروني

إحدى نماذج الطائرات الموجهه بدون طيار المذكورة

ألي طائرة موجهه بدون طيار شكل مبسط لنظام التوجيه اآللي

أساليب التوجيه المستخدمه:

-يوجد عدة أساليب مستخدمه في أنظمة التحكم والتوجيه اآللي أشهرها النظامين التاليين:

بغض النظر عن مدى اإلنحراف بين مسار طيران (WayPoints)المخطط اإلحداثيات األساسية المكونة للمسار اآللي عن طريق تتبع نظام التوجيه .1

بغرض تصوير أو الطائرة والمسار المخطط المطلوب تحقيقه حيث تتطلب المهمة في هذا النظام الوصول فقط أو التحليق فوق هذه اإلحداثيات

.(WayPoints Tracking Methodology WPTM) قع الموجوده في هذه اإلحداثياتإستطالع بعض الموا

نفسه وتقليل مدى اإلنحراف عنه حيث تتطلب المهمة في هذا النظام التحليق فوق مسار محدد أو المخطط نظام التوجيه اآللي عن طريق تتبع المسار .2

.(Trajectory Tracking Methodology TTM) متوقع مروره في هذا المسارطريق معين بغرض تتبع هدف متحرك أو

نظام التوجيه اآللي عن طريق تتبع اإلحداميات األساسية المكونة

(WayPoints Tracking Methodology WPTM) المخطط للمسار

نفسه المخطط نظام التوجيه اآللي عن طريق تتبع المسار

(Trajectory Tracking Methodology TTM)

-جدول يوضح مزايا وعيوب كل من نظامين التوجيه المذكورين:

المخطط نظام التوجيه اآللي عن طريق تتبع المسار المحدد نفسه

(Trajectory Tracking Methodology TTM)

نظام التوجيه اآللي عن طريق تتبع اإلحداثيات المخطط األساسية المكونة للمسار

(WayPoints Tracking Methodology WPTM)

اإلنحراف النسبي عن المسار (Cross Track Error)

كبير وملحوظ محدود جدا

الطاقة الكهربية المستهلكة في حركة معززات التحكم

طاقة أقل مستهلكة عن طريق معززات التحكم طاقة كبيرة مستهلكة عن طريق معززات التحكم

المختلفة للطائرة عند إستخدام كل إسلوب من أساليب التوجيه:األداءات

نظام التوجيه اآللي عن طريق تتبع اإلحداميات األساسية المكونة

المخططللمسار (WayPoints Tracking Methodology WPTM)

نفسه المخطط نظام التوجيه اآللي عن طريق تتبع المسار (Trajectory Tracking Methodology TTM)

أداءات الطائرة تشير إل حركة محدودة لمعززات التحكم في حالة نظام المخطط التوجيه اآللي عن طريق تتبع اإلحداميات األساسية المكونة للمسار (WayPoints Tracking Methodology WPTM)

أداءات الطائرة تشير إل حركة أكبر وإهتزازات أعل لمعززات التحكم في نفسه المخطط نظام التوجيه اآللي عن طريق تتبع المسار حالة (Trajectory Tracking Methodology TTM)

المحطة األرضية المطلوبة:

:كاآلتييتم تداول البيانات بين الطائرة والمحطة األرضية عن طريق وصالت البيانات والتي تنقسم إلى قسمين

على هيكل الطائرة نفسها ومتصلة بالطيار اآللي للحصول على كل البيانات الخاصة بأداءات الطائرة المختلفة بيانات مثبته مع هوائياتها نقل وصلة .1

ثم إرسالها إلى المحطة األرضية.مثل )السرعة واإلتجاه ومعدل التسلق والدورانات المختلفة باإلضافة إلى اإلحداثيات الحقيقية للطائرة(

طة األرضية )وهي عبارة عن جهاز حاسب آلي يحتوي على برامج التتبع والعرض ألداءات الطيران وأحداثيات بيانات مثبته على المح نقل وصلة .2

.إلستقبال البيانات المرسلة من الطائرة الطائرة الحقيقية اللحظية( ويتم توصيل وصلة البيانات األرضية مع الهوائيات المناسبة لنصف قطر الطيران

لتي تلتقطها كاميرات الفيديو المحمولة على هيكل الطائرة بنفس األسلوب عن طريق وصالت نقل الصور الفورية والتي تنقسم يتم إرسال الصور الفورية ا

:كاآلتي بدورها إلى قسمين

لمطلوبة ثم إرسال وصلة نقل الصور الفورية مثبته مع هوائياتها على هيكل الطائرة نفسها ومتصلة بالطيار اآللي لتشغيلها وإيقافها عند األحداثيات ا .1

الصور فوريا في الزمن الحقيقي إلى المحطة األرضية.

ئرة ثم وصلة نقل الصور الفورية مثبته على المحطة األرضية مع الهوائيات المناسبة لنصف قطر الطيران إلستقبال الصور الفورية المرسلة من الطا .2

عرضها على شاشة عرض مجهزة لذلك.

رسال الصور الفورية بين الطائرة والمحطة األرضيةكيفية تداول البيانات وإ

ومعدل التسلق واإلرتفاع وكذلك أنواع البيانات المختلفة التي يتم إرسالها إل المحطة األرضية لعرضها وتشمل األداءات المختلفة ممل السرعة واإلتجاه

ة والمحدد عن طريق مجموعة اإلحداميات الموضوعة مسبقا إحداميات الطائرة الحقيقية اللحظية أمناء تتبعها المسار المخطط للمهم

وصالت نقل البيانات المحمولة جوا على الطائرة والمثبتة على المحطة األرضية على الترتيب

:المراجع العلمية

[1] Shamsudin S. S., “The Development of Autopilot System for an Unmanned Aerial Vehicle

(UAV) Helicopter Model”, "University of Technology, M.Sc." August, 2007, pp. 1-147.

[2] Hosny A. M., Chao H., “ Development of Fuzzy Logic LQR Control Integration for Aerial

Refueling Autopilot”, " Proceedings of the 12th International Conference on Aerospace

Sciences and Aviation Technology, ASAT-12," May 29-31, 2007.

[3] Hosny A. M., Chao H., “Fuzzy Logic Controller Tuning Via Adaptive Genetic Algorithm

Applied to Aircraft Longitudinal Motion”, " Proceedings of the 12th International

Conference on Aerospace Sciences and Aviation Technology, ASAT-12," May 29-31, 2007.

[4] Goldberg, D., Genetic Algorithms in Search, Optimization & Machine Learning,1st. ed.,

Vol. 1, Addison Wesley Longman, 1989.

[5] Flying Qualities of Aeronautical Design Standard for military helicopter (ADS-33C) (US

Army Aviation Systems Command, 1989).

[6] Hosny A. M., Hosny M. M. and Ez El-Deen H., “Development of a Customized Autopilot

for Unmanned Helicopter Model Using Genetic Algorithm via the Application of Different

Guidance Strategies” International Conference on Aerospace Sciences and Aviation

Technology, ASAT-14," May 24-26, 2011.

[7] Lennart Ljung, “System Identification - Theory for the User”, Prentice Hall, 2nd edition,

1999, Prentice Hall, 2nd edition, 1999.

[8] Vishwas Puttige and Sreenatha Anavatti. “Real-time Neural Network Based Online

Identification Technique for a UAV Platform”, In International Conference on

Computational Intelligence for Modeling Control Application, page 92, Washington, DC,

USA, 2006, IEEE Computer Society.