1

دانشکده مهندسی

گروه برق

پایان نامه کارشناسی

الکترونیک: گرایش

:عنوان پروژه

طراحی و ساخت هلیکوپتر نحوه چهار روتوره و بررسی نحوه عملکرد آن

دکتر یارقلی: استاد راهنما

87442111شیما پویان :گردآوري و تنظیم

87442115 لیال توکلی 91شهریور : تاریخ دفاعیه

2

فهرست

5.......................................................................................................................................مقدمه

6....................................................................................................................معرفی :فصل اول 7...................................................................................................................طرح اصلی 1-1 9..................................................................................تطرح پیشنهادي براي ساخ 1-2 10........................................................................................................................اهداف 1-3 10..............................................................................................زمینه پیش اطالعات 1-4

12...............................................................................................جزئیات طراحی : فصل دوم 13.....................................................................................................................ساختار 2-1 15........................................................................................................................موتور 2-2 15.........................................................................................................هلیکوپتر ملخ 2-3 15..................................................................................................................گیربکس 2-4 16........................................................................................................................بازوها 2-5 16........................................................................................................................باتري 2-6 16......................................................................................................مرکزي بدنه ي 2-7 17......................................................................................................موتور پایه هاي 2-8

18..............................................................................................................کنترل :فصل سوم 19..................................................................................................شماي کلی کنترلر 3-1

20..............................................................................................کنترل موقیعت 3-1-1 23.....................................................................تجهیزات مورد استفاده در کنترل 3-2

23........................................................................................فرستنده و گیرنده 3-2-1 24............................................................................................................سنسور 3-2-2

3

24.....................................................................................................ژیروسکوپ 3-2-3 XY .........................................................................................24سنج شتاب 3-2-4 24..........................................................................................................نرم افزار 3-2-5 27..................................................................................................................مدار 3-2-6

28..............................................................................................................آنالیز :فصل چهارم 29............................................................................................شبیه سازي دینامیکی4-1

29...............................................................سیستم هاي معادله دیفرانسیلی 4-1-1 33...............................................................................................شبیه سازي ها 4-1-2

35.....................................................................................1شبیه سازي 4-1-2-1 37.....................................................................................2شبیه سازي 4-1-2-2 38.....................................................................................3شبیه سازي 4-1-2-3

40.......................................................................................آنالیز فشار عنصر محدود 4-2 41........................................................................................................آزمایشات :فصل پنجم

42.........................................................................................آزمایشات سخت افزاري 5-1 44..............................................................................................آزمایشات نرم افزاري 5-2

49................................................................................................شماتیک مدارات:1پیوست MATLAB.............................................................54کدهاي شبیه سازي : 2پیوست 56.............................................................................ا و کنترلر آنهاانواع موتوره: 3پیوست

DC........................................................................................................56موتورهاي ) الف DC.............................................................................57کنترل جهت موتور ) 1-الف 58.....................................با استفاده از ترانزیستور DCکنترل موتورهاي ) 2-الف DC.............................................................60هاي درایو موتور ICبررسی ) 3-الف

L298.......................................................................................61درایور ) 1-3الف L293.........................................................................................64درایو ) 2-3الف

4

DC...............................................................67کنترل سرعت در موتورهاي ) 4-الف 70........................................................................................................موتورهاي پله اي) ب

72.............................................................................................................زاویه پله) 1-ب RPM......................................................................................72پله در ثانیه و ) 2-ب 73.........................................................................................................پله درثانیه) 3-ب RPM................................................................................................................73) 4-ب 73.................................................................یم پله راه انداز موتور به صورت ن )5-ب 74........................................................................مدارهاي درایور موتور پله اي) 6-ب MOSFET........75راه اندازي موتور پله اي با استفاده از ترانزیستور و )1-6-ب 75...........................................................آي سی هاي درایور موتور پله اي) 2-6-ب

ULN2003...................................76و ULN2002درایور ) 1-2-6-ب 79........................................................................................................انواع کنترلر گرها) ج

80.................................................................................................................منابع :مششفصل

5

قدمهم

طرح. می باشد UAV روتوره ساخت هلیکوپترچهار و هدف از این پروژه بررسی نحوه طراحی با مهارت و سرعت عمل باال وزن، ساخت ، وسیله اي سبک و طراحی براي این پیشنهادي

خارج ساختمان و داخل همزمان در تواند می که است تقل و با قابلیت مانور باال،مس قدرتمند، .هوایی مورد استفاده قرار گیرد و آب شرایط هر تحت

.کند و سرنشین پرواز خلبان بدون قادر است وسیله ایست که )UAV(سرنشین هلیکوپتر بدونکنترل صورت به توانند می یا شوند، کنترل اپراتور یک توسط دور راه از توانند می این وسایل

حاضر حال هلیکوپتر در این نوع.کنند پرواز شده ریزي برنامه مسیرهاي از پیش طریق از خودکار این بر عالوه. شود می نجات استفاده و نامه ها و عملیات جستجو تعهد براي ارتش توسط

عملیات.و جستجو براي ابزاري عنوان به خاص طور به نظامی، نیروهاي توسط UAV از استفادهمی UAVتکنولوژي اینگونه استفاده ها متضمن توسعه .و امدادرسانی استفاده می شود نجات، .باشد

.شود می انجام روتور چهار روتوره وسیله ایست که بلند شدن آن توسط چهار یک هلیکوپتر نسبت هم وابسته می باشند موتور که به چهار از سرعت هریک تغییر وسیله اي با کنترل چنین

.شود می انجام یکدیگر بهپرواز متعادل و منظور به پیشرفته کنترل سیستم یک نیازمند به طور طبیعی روتوره وسایل چهار

.با ثبات می باشندمی موتور چهار بطور همزمان براي هر دقیق و ثابت تنظیم نیازمند سیستمی دینامیک چنین

.باشد به قادر طراحی و ساخته شود که وسیله اي است ،که ین پروسه اي اینهدف از انجام چن

خارجی ساختمان باشد و بتواند در هر دو و داخلی محیط در استفاده روتور قابل چهار از پشتیبانی .پرواز کرده و یا به حالت شناور در هوا باقی بماند مکان

از مستقل عملکرد به قادر چه،این وسیلهیکپار کنترلی دقیق، کامل و یک سیستم از بدلیل استفاده ریزي برنامه پیش از پرواز مسیرهاي طریق از فرود ، وقابلیت شناوربودن در هوا، برخاستن ، قبیل

.بود شده خواهد

6

فصل اول معرفی

:شامل زیر بخش هاي

طرح اصلی 1-1 تطرح پیشنهادي براي ساخ 1-2

اهداف 1-3 زمینه پیش اطالعات 1-4

7

:طرح اصلی 1-1

این در هرتز ، کیلو 1 در فرکانس باال، دستیابی به سیستم کنترل طرح اصلی این اهداف از یکی وسیله می باشد

آن سیستم در است که موجود تجاري و پژوهشی هاي عامل سیستم با تضاد در رویکرد این .کار می کند Hz100 تا 50 حدود با فرکانسی در کنترل محیطی شرایط سریع در مقابل تغییرات بسیار باعث ایجاد پاسخ باال بسیار فرکانسهاي در کنترل

آکروباتیک را شدید انجام مانورهاي اجازه همچنین .بادهاي متالطم و شدید می شود ، قبیل از .می دهد

.علمکرد پایدارتري حاصل می شود) هرتز 5در حدود (از طرف دیگر در فرکانسهاي پایین

کنترل در وقابل وزن سبک مینیمالیستی هاي عامل ساخت سیستم هدف این به دستیابی کلید .باال می باشد بسیار فرکانس

کنترل پذیري بیشتر آن انجام می و وزن کاهش تالش بسیاري براي در ساخت این نوع هلیکوپتر .شود

وزن حمل براي ابراین سبک می باشد،، بن نقل و حمل تنها براي روتوره چهار به طور کلی وسایلاجزاء تمام وزن کاهش بنابراین، .پردازنده دیگري نیاز است تغذیه، باتري هاي سنگین ،به منبع

.است ضروري براي داشتن نیروي مناسب جهت حمل کلیه ي اجزاي آنکارکرد سازي نیازمند هماهنگ پیچیده است بطوریکه وسیله اي چنین براي کنترل نیز سیستم

شوند تا تغییر و دقیق و نزدیک هم کنترل باید به طور موتورها این .می باشد موتور چهار هریک از .اختالف بین موتورها مشخص شود

. (خارجی باید هماهنگی بین موتورها صورت گیرد اختالالت تعدیل منظور به موثر طور به ونیزوسیله بهم ریخته و ار کند تعادلبقیه موتورها ک از ترو بیشتر قدرتمند کمی اگر یکی از موتورها

.).واژگون می شود

8

نرم و افزاري قسمت سخت دو بر عهده ي هر نوع سیستم کنترل این به دستیابی براي تالش .افزاري می باشد

سریع به گیري میزان حرکات است که قادر افزاري وسیله نیازمند واحدي براي اندازه سخت نظر از .بک باشدس وزن و داراي پاسخ دادن

افزاري که در ارتباط نزدیکی با قسمت سخت کنترلی بسیار قوي هاي الگوریتم افزاري نرم نظر از .هستند نیاز مورد می باشد

سه از متشکل موجود است که باال سرعت پردازنده ي سیستم، قطعه اي براي سنجش در .هلیکوپتر می باشد زاویه نسبی گیري ژیروسکوپ براي اندازه

می جاروبک تجاري از کنترل کننده ي موتور بدون استفاده مانع باال فرکانس کنترل در سیستم .باشد هرتز 50داراي فرکانسی در حدود موتور سرعت دهند می اجازه فقط و باشد ،

این نوع سیستم کنترلی داراي زمان مرده ي بسیار کم و توانایی باال در کنترل بسیاري از مانورهاي ، چرخش هاي سریع و ها حلقه با آکروباتیک پروازهاي از جمله حرکتهاي دینامیکی

.سخت می شود، می باشد شرایط که مانع تعادل سیستم کنترلی در ترکیبی ، پایدار بسیار بدنه ي اصلی ایجاد اجازه ي ما به باالیی فرکانس سیستم کنترلی چنین داشتن

.دهد میدارد، را گرم 350تا که توانایی حمل باري با وزن ردیابی را سیستم قسمت سخت افزاري و ویژگی و توانایی مقاومت این بدنه، ترکیب پردازنده

.می سازد پذیر امکان .می شوند ثابت تصویر یک مندي از شده بر روي بدنه اصلی باعث بهره نصب هاي دوربین

پالستیک و کربن از فیبر هاستفاد، بک و هم محکم باشد سهم کهوسیله اي ساختار ایجاد درABS مثمر ثمر می باشد.

دینامیک در که استفاده شده است متناسببسته حلقه یک سیستم کنترل از وسیله این درشیب و نوسان ،استفاده گیري دوتایی از سنسورهاي اندازه محور دو و محورجایرو آن یک پرواز

.شده استچهار با متناسب یکنترل و ها را در خود نگه می داردسنسور این ورودي ،کامپیوتر میکرو یک

که به هر یک از موتورها فرستاده می شود، انجام می PWMموتوراز طریق تغییر سیگنالهاي .دهد

.است چهار موتوره ي بدون سرنشینهلیکوپتر براي پیشرفته ي نمونه یک هپروس ي این نتیجه

9

اعتماد قابل غیر عملکرد گرچه است، و قابل اجرای عمل کامل طور به کنترل آن افزار نرم .می باشد عمل این مانع شیب هاي سنسور

دهد می اجازه افزار سخت کنترل سیستم در اصالحات آینده درپیش بینی ها نشان می دهد که .با ثبات و نامحدود انجام شود پروازي که :طرح پیشنهادي براي ساخت 1-2

به نحوه کنترل آن سیستم تعادلبرقراري است بطوریکه بسیار مهم پروژهاین کنترل قابلیتدر صورت عدم وجود آن و یا اختالل در سیستم کنترلی سیستم از لحاظ دینامیکی بستگی دارد و

.ناپایدار خواهد بودبدون سرنشین بیشتر از یک هلیکوپتر تک روتوره یا دو روتوره با هرروتو چهارهلیکوپتر یک

.رل و هماهنگی روتورها دست و پنجه نرم می کندمشکل کنتتغییري در وضعیت هر یک از هنگامی اتفاق می افتد که کردن، توسط موتورها کنترلاي تقاض

نها ایجاد شود که باعث اختالفی هرچند کم د و یا اختالفی بین چرخش همزمان آموتورها رخ ده .در بلند شدن و حفظ تعادل وسیله می شود

یک سطح در موتور چهار باید هر ، ه پایداري و تعادل داشته باشدروتور چهارهلیکوپتر که براي این است که تفاوت در چرخش بین موتورها کنترل سیستم وظیفهدر نتیجه ،ارتفاع بگیرند انزمهمو

.منتقل شده از منبع تغذبه به هر موتور کنترل کند قدرت تنظیم با آنها را تغییرات و نیزه نیازمند تالش بسیاري است و کار مشکل و در عین حال مهمی می روتور چهارهلیکوپتر کنترل

.باشد چهارهلیکوپتر افزایش بازده و سرعت عمل ،چنین سیستم کنترلی طراحیدر مهارت مزایاياز

. بسیار سریعتر عمل می کند هروتور کتهلیکوپترهاي طوریکه نسبت به می باشد ب هروتورمی استفاده و عمودي کوچکتر ملخبراي تغییر جهت از یک که ،هروتور تککوپتر هلی خالف بر

آن روتور چهارموتوره از طریق چهارهلیکوپتر مختلف و تغییر جهت در تاجهبه حرکت،کند جهت یابی به نیاز بدونخود را مسیر تواند می هروتور چهارهلیکوپتر همچنین،.انجام می شود

.دهد یرتغیچندباره چهارهلیکوپتر در .داردن وجودحرکت کردن آن عقب و جلو بین الویتی هیچولی در این وسیله

در حفط تعادل و جهت یابی وسیله همانند بلند شدن و ارتفاع گرفتن ه هر یک از موتورها روتور

10

خاص کار یک روتور هر هروتور تک رایج هلیکوپتر هاي طرح بیشتر خالف بر. وسیله نقش دارند .را انجام می دهند دو هر و نه )جهت کنترل- یا کردن وسیله بلند( :اهداف 1-3

.:می شوددنبال UAVه روتور چهارهلیکوپتر پروژه ي براي زیر اهداف ازدینامیکی را اطالعات کنترلی که سیستم هاي حالت شناور پرواز کردن وسیله همراه با در ) 1

.له دریافت می کندبر وسی شده نصب سنسورهاي براي هاي دستی ورودي اساس بر ارتفاع در با تغییراتی ،در حالت شناور پرواز کردن وسیله )2

.از مسیر فانحرپرت شدن، غلطیدن، ا ، کنترل فشار و ضربه هاي ناگهانی قابلیت بازگشت به مسیر اصلی در صورت انحراف از مسیرهاي از پیش برنامه ریزي شده )3 :زمینه پیش طالعاتا 1-4

زیادي اطالعات واقع، در .است شده منتشر روتوره با هلیکوپتر چهار رابطه در ات زیاديتحقیق هلیکوپتر چهارملخه " تعداد کمی آنها میان در .ثبت شده استهلیکوپتر راجع به این نوع

:اند ساخته شده"(Dammar, Michael. "Four Propeller Helicopter." US Patent D465196.

November 2002.) هچهار روتور هلیکوپترهاي برخی

(DeTore, John A., Richard F. Spivey, Malcolm P. Foster,

and Tom L. Wood. "Quad Tiltrotor." US Patent D453317. February 2002.),

عمودي باالبر هايهلیکوپتر انواع و(Smart, R.C. "Vertical Lift Aircraft." US Patent 3185410. May1965)

شامل را زیادي اطالعات شده ثبتدار ملخ هايهلیکوپتر در شده یاد مورد چهار که حالی در

.هستند UAV کواد روتور مشابهاما بدون شک این وسیله ها شود نمیجزئیات اجرائی از جمله شامل ، باالبر عموديهلیکوپتر "هوشمند . R.C" دیگر طرف از

.راجع به دینامیک ویژه آن وسیله است اولیه اطالعات .تحقیقات و نتایج کارهاي خود را به اشتراك گذاشته اند از افراد تعداد بسیار کمی ، دنیادر

11

و موجود در بازار می توان به موارد زیر اشاره مشابه هروتور چهار پرنده ياز جمله هلیکوپترهاي :کرد

. Silverlit X-UFO ، Draganflyer V Ti ،

GMBH Microdrones MD4-200 . .کرده اند استفاده روتور چهار از محصوالت این سه هر

می ژیروسکوپ داراي فیدبک می باشد سه از متشکل که یکنترل سیستم با رابطه درهمچنین ناسایی می ش مقاصد پردازنده براي دوربین یک داراي این بر توان به موارد زیر اشاره کرد که عالوه

:.باشندGMBH MicrodronesMD4-200و

Draganflyer V Ti از خاصی مدل نام به توسعه حال در پروژه حاضر حال در ،بزرگتر بسیار صنعتی مقیاس در

Bell Boeing Quad TiltRotor . دارد وجود. حال در. شددولت می با پشتیبانی و تحت حمایت و بزرگ، مقیاس در روتوره چهارهلیکوپتر ینا

هاي سیستم وBell Helicopter Textron بین مشترك گذاري سرمایه یک عنوان به حاضر .و در حال توسعه می باشد .است شده ساخته بوئینگ دفاعی

.می باشد موجود هاي پروژه تمامدر بین مقیاسپروژه از نظر بزرگترین پروژه این

81

منابع : ششمفصل [1] 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation Roma, Italy, 10-14 April 2007

[2] M. Valenti, B. Bethke, G. Fiore, J. P. How and E. Feron, Indoor Multi-Vehicle Flight Testbed for Fault Detection, Isolation, and Recovery,AIAA 2006 [3] Draganfly Innovations, RcToys, http://www.rctoys.com [4] Atmel Corperation, http://www.atmel.com

[5] Murata Manufacturing Co.,Ltd., http://www.murata.com

[6] Zoltek Panex 33 48K Continuous PAN Carbon Fiber Properties. 2007. <http://www.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=ECZO00>.

[7] Allug, E. et al. Control of a Quadrotor Helicopter Using Visual Feedback. International Conference on Robotics &Automation, Washington, DC May 2002. <http://ieeexplore.ieee.org/iel5/7916/21826/01013341.pdf>. [8] Bouabdallah, S. et al. PID vs LQ Control Techniques Applied to an Indoor Micro Quadrotor. <http://asl.epfl.ch/aslInternalWeb/ASL/publications/uploadedFiles/330.pdf>. [9] Chen, M. and Mihai Huzmezan. A Simulation Model and H-infinity Loop Shaping Control of a Quad Rotor Unmanned Aerial Vehicle. Proceedings of the IASTED International Conference on Modelling, Simulation and Optimization, Banff, Canada, July 2-4, 2003. [10] Guo, W. and J. Horn. Modeling and Simulation for the Development of a Quad-Rotor UAV Capable of Indoor Flight. Department of Aerospace Engineering, Pennsylvania StateUniversity, University Park, PA, 2006. [11] Nice, Eryk B. Design of Four Rotor Hovering Vehicle. Thesis presented for the degree of Masters of Science, Cornell University, May 2004. Wright, Douglas. Stress, Strength, and Safety. 2005. <http://www.mech.uwa.edu.au/DANotes/ SSS/safety/safety.html>.

[12] MECE E3410.001: ENGINEERING DESIGN,Quad-rotor Unmanned Aerial Vehicle Final Report,Columbia University in the city in New York,May 2, 2007. <http://www.columbia.edu> [13]Juergen Eckert, Falko Dressler and Reinhard German, “An Indoor Localization Framework for Four-rotor Flying Robots Using Low-power Sensor Nodes,” University of Erlangen, Dept. of Computer Science 7, Technical Report 02/09, May 2009.

<AVR <http://www.eca.ir ,و پله اي توسط DCراه اندازي موتورهاي [14]