وبلاگ

فصل اول مقدمه: پلتفرم­های ۲ درجه آزادی و یا ۳ درجه آزادی قطعاتی هستند که به منظور قرار گرفتن در یک زاویه خاص و یا دنبال کردن یک زاویه مورد نظر مورد کنترل قرار می­گیرند. یکی از مواردی که در آن می­توان از یک صفحه پایدار ۳درجه آزادی سود برد در عکسبرداری­های هوایی می­باشد. برای این منظور می­توان یک پلتفرم را روی یک وسیله پرنده قرار داد و با کنترل آن و پایدار نمودن آن در یک زاویه خاص از منطقه و یا هدف خاصی عکس­برداری و یا فیلم برداری نمود. مواردی که به طور گسترده از این گونه اطلاعات هوایی استفاده می کنند عبارتند از: کنترل بحران، مطالعات محیطی و کشاورزی، نقشه برداری و همچنین این اطلاعات به طور گسترده­ای توسط پلیس مورد استفاده قرار می­گیرد. نمونه ­ای از این نوع تصویر برداری در شکل ۱-۱ نشان داده شده است. شکل ۱-۱ – نمونه ­ای از عکس­برداری­های مختلف در زمینه ­های متفاوت استفاده از ژیروسکوپ به عنوان یک سنسور زاویه و سرعت زاویه­ای در پلتفرم­های پایدار شده مورد استفاده قرار می­گیرند. ژیروسکوپ وسیله‌ای برای اندازه‌گیری و یا حفظ جهت می‌باشد که از اصل بقای تکانه­ی زاویه‌ای استفاده می‌کند. یک ژیروسکوپ مکانیکی همیشه یک چرخ یا دیسک چرخنده با محور آزاد دارد که می‌تواند در هر جهتی بایستد. این جهتگیری بسیار کمتر بر اثر گشتاور خارجی تغییر می‌کند که این به دلیل ممان زاویه‌ای بزرگ خود به همراه نرخ زیاد چرخش آن است]۵[. صرفنظر از اینکه سطحی که وسیله روی آن قرار گرفته چقدر حرکت می‌کند و چون گشتاور خارجی توسط نگاه داشتن وسیله در یک حلقه کمینه می‌شود جهت آن تقریبا ثابت می‌ماند. ژیروسکوپ‌های با تکنولوژی حالت جامد هم وجود دارند مانند ژیروسکوپ‌های حلقه­ی لیزری. نمونه ­ای از این ژیروسکوپهای پیچیده در شکل ۲-۱ نشان داده شده است. شکل ۲-۱- ژیروسکوپ حلقه لیزری برای آشنایی با پلتفرم­های پایدار شده ابتدا باید باید زیروسکوپ­ها و نقش آنها در پلتفرم­های پایدار شده را بررسی نمود. از لحاظ فنی زیروسکوپ وسیله­ای است که سرعت زا ویه­ای را اندازه بگیرد. در قرن هجده، ادوات چرخانی برای ناوبری کشتی­ها در هوای مه آلود مورد استفاده قرار گرفت. ژیروسکوپ­های چرخان قدیمی در اوایل قرن ۱۹ اختراع شد و نام ژیروسکوپ در سال ۱۸۵۲ برای آن انتخاب گردید. در اواخر قرن ۱۹ و اوایل قرن ۲۰ از ژیروسکوپ بر روی کشتی­ها به طور گسترده ای استفاده شد. در حدود سال ۱۹۱۶ از ژیروسکوپ­ها در هواپیماها استفاده گردید و هنوز هم در این مورد استفاده می­ شود. در قرن ۲۰ ژیروسکوپ­های چرخان تکامل یافتند. در سال ۱۹۶۰ ژیروسکوپ­های نوری برای اولین بار معرفی شدند و به سرعت در بازارهای جهانی و کاربرد­های نظامی مورد استفاده قرار گرفتند. از ۱۵ سال پیش تا کنون ژیروسکوپ­های MEMS معرفی شدند و پیشرفت­هایی برای تولید انبوه آن­ها نسب به ژیروسکوپ­های قدیمی کوچک به دست آمد. عملکرد ژیروسکوپ­ها با توجه به نوع آن­ها متفاوت می­باشد. ژیروسکوپ­های چرخان قدیمی بر اساس یک شئی چرخنده کار می­ کند که انحراف زاویه آن بصورت عمودی نسبت به جهت چرخش تقدم خواهد داشت. این تقدم وسیله را در جهت عمودی نگه می­دارد و بنابراین زاویه نسبت به سطح مرجع می ­تواند اندازه گرفته شود. ژیروسکوپ­های نوری معمولا ژیروسکوپ­های لیزری حلقوی هستند. این ادوات دو لیزر را در یک مسیر دایره­ای در جهت مخالف ارسال می­ کنند. اگر مسیر چرخش داشته باشد، اختلاف فاز اندازه ­گیری می­ شود. این امر با توجه به این قضیه که سرعت نور ثابت می­ماند انجام می­گیرد. معمولا مسیر حلقه­ای مثلث یا مربع هستند که با بهره گرفتن از آینه­هایی در گوشه­ها تولید شده ­اند. ژیروسکوپ­های نوری به عنوان یک پیشرفت بزرگ در ژیروسکوپ­های چرخشی به حساب می ­آید چراکه فرسایشی نداشته و علاوه بر قابلیت اعتماد بالا از حجم کمی نیز برخوردار هستند. حتی پس از معرفی ژیروسکوپ­های حلقوی، ویژگی­های دیگری از ژیروسکوپ­ها انتظار می­رفت. ژیروسکوپ­های MEMS به منظور تولید ادوات حساس تر و کوچک تر مورد توجه قرار گرفتند. کاربردهای ژیروسکوپ شامل هدایت، زمانی که قطب‌های مغناطیسی کار نمی‌کنند (مانند تلسکوپ هابل) و یا به اندازه کافی دقیق نیستند و یا برای پایدارسازی ماشین‌های پرنده مثل هلیکوپترهای هدایت شونده توسط رادیو و یا UAVها به منظور عکس­برداری­های هوایی می‌باشد. به دلیل دقت بالاتر، ژیروسکوپ‌ها همچنین در حفظ جهت در معدن کاری تونل‌ها هم به کار می‌روند. پلتفرم­های ژایروسکوپی قرار گرفته بر روی وسایل پرنده مخصوصا موشک­ها و هواپیماهای بدون سرنشین (UAV) به عنوان یک مسئله مهم در تجهیزات ناوبری تبدیل شده ­اند. همچنین این ادوات به عنوان تجهیزات مناسبی برای دیده­بانی، سیستم­های تعقیب، موقعیت­یابی هدف و دوربین­های تلوزیونی مورد استفاده قرار می­گیرند. شکل ۳-۱ نمونه ­ای از استفاده از پلتفرم­های پایدار شده را در یک ناوچه نظامی نشان می­دهد. شکل ۳-۱- کاربرد نظامی پلتفرم پایدار شده در یک ناوچه نظامی در ادامه پلتفرم­های ژایروسکوپی باید با بالا بردن قابلبت اعتماد عملیاتی آن­ها و دقت بالای آن­ها بهبود داده شوند تا بتوانند یک حرکت از پیش تعیین شده را به خوبی دنبال کنند. از آنجا که موقعیت­های عملیاتی شامل لرزش­ها و اغتشاشات خارجی می­باشد انتخاب پارامترهای پلتفرم هم در مرحله طراحی و هم در مرحله عملیاتی از اهمیت بالایی برخوردار خواهد بود. ۱- ۱- عکس برداری و فیلم برداری هوایی اولین عکس برداری هوایی در سال ۱۸۵۸ توسط یک بالون سوار به نام گاسپار فلیکس تورناچون (Gaspard- Felix Tournachon) انجام گرفت. شکل ۴-۱ عکس هوایی گرفته شده از پاریس توسط وی را در سال ۱۸۶۸ نشان می دهد [۲۰]. عکس برداری و فیلم برداری های هوایی باعث شده است تا انسان بتواند اطلاعات بسیار بیشتر و مناسب تری را از محیط اطراف خود به دست آورد. برای مثال در بعضی کاربردهای خاص اطلاعاتی مورد نیاز است که تنها با بهره گرفتن از این گونه عکس ها و فیلم ها قابل دسترسی بوده و با اطلاعات معمولی قابل انجام نمی باشند. بعضی زمینه هایی که به طور گسترده از این گونه اطلاعات هوایی استفاده می کنند عبارتند از: کنترل بحران، مطالعات محیطی و کشاورزی، نقشه برداری و همچنین توسط پلیس [۲۱]. شکل ۴-۱- عکس هوایی گرفته شده از پاریس توسط تورناچون (۱۸۶۸) به منظور عکسبرداری مناسب توسط یک دوربین سوارشده روی یک وسیله نقلیه در ابتدا باید بتوان حرکت دوربین و وسیله نقلیه را از یکدیگر جدا نمود. این جداسازی با سوارکردن دوربین روی یک پلتفرم که بتواند یک ورودی مرجع ثابت را در فضای اینرسی دنبال کند امکان پذیر است. برای این منظور یک سیستم متشکل از سنسورها برای اندازه گیری جهت پلتفرم در مختصات اینرسی و عملکردها برای چرخاندن پلتفرم به منظور جبران حرکات وسیله نقلیه مورد نیاز می باشد. تاکنون پلتفرم های زیادی به منظور پایدارسازی دوربین در مطالعات سطح زمین مورد استفاده قرار گرفته است. جدول ۱-۱ بعضی از این پایدارکننده های پلتفرم را نشان می دهد. این پلتفرم ها عمدتاً به منظور نصب بر روی هلیکوپترها و یا وسایل پرنده بدون سرنشین (UAV) طراحی شده اند. field of view stabilisation bandwidth Maximum rotation rate platform manufacturer Pitch/Roll Az/EI Not specified Tenix UAV stabilised gimbal Floatograph skydoc