IJE TRANSACTIONS B: Applications Vol. 31, No. 5 (May 2018) 776-785    Article in Press

downloaded Downloaded: 0   viewed Viewed: 76

M. S. Mirzajani Darestani
( Received: September 10, 2016 – Accepted: December 02, 2017 )

Abstract    Stable platforms with different degrees of freedom (DOF) have numerous applications in industry and trade, such as in aerospace, astronomy and robotics. The advantage of these platforms is the sustainability of their behavior and performance under different environmental and work conditions. Different types of equipments like imaging systems are placed in them as a load to have stable behavior. Stable platforms with different DOF are either of the force or indicator stabilization types. The present study offers an overview of the structure and function of single axis force stabilizers and analyzes the dynamic and kinematic equations governing them. The behavior and performance of the target platform in open loop and closed loop conditions is simulated in MATLAB/SIMULINK using these equations and the characteristics of existing gyroscopic single axis force stabilizer. In open loop mode, the performance of the system under 11.5O/sec angular velocity of body is evaluated. In closed loop mode, system response is evaluated under the influence of an external sinusoidal wave with an amplitude of 0.3 Newton meters torque which is applied around the stability axis of the stable platform. The simulation result shows the consistency of the simulation results with the actual behavior of the platform under the same working conditions.


Keywords    gyroscope, indicator stabilizer, simulation, force stabilizer


چکیده    امروزه میزهای پایدار شده با درجات آزادی مختلف، کاربردهای متعددی در صنعت و تجارت مانند هوافضا، نجوم، کارخانجات خودرو سازی، ربات ها و ... دارند. با توجه به اینکه مهمترین مزیت اینگونه میزها، پایداری رفتار و عملکرد آنها در شرایط مختلف محیطی و کاری می باشد، لذا در بسیاری از کاربردها، بر روی آنها سیستم های تصویربرداری قرار می گیرد تا جهت جستجو و ردیابی هدف مورد نظر، تصویر پایداری در اختیار باشد. میزهای پایدار شده با درجات آزادی مختلف از نظر نوع پایدارسازی به دو دسته نیرویی و اندیکاتوری تقسیم می شوند. در این مقاله ابتدا یک نگاه اجمالی بر ساختار و نحوه عملکرد پایدارکننده های تک محوره نیرویی انجام می شود و سپس معادلات دینامیکی و سینماتیکی حاکم بر اینگونه پایدار کننده ها تحلیل و بررسی می شود. در انتهای این مقاله با استفاده از معادلات بدست آمده و با در نظر گرفتن مشخصات یک پایدار کننده ژیروسکوپی تک محوره نیرویی نمونه، به شبیه سازی رفتار و عملکرد پلتفرم مورد نظر در نرم افزار متلب / سیمولینک پرداخته می شود. در حالت حلقه باز، عملکرد سیستم تحت سرعت زاویه ای 11.5O/sec بدنه شبیه سازی شده است. در حالت حلقه بسته، پاسخ سیستم تحت تأثیر موج سینوسی خارجی با دامنه 0.3 نیوتن بر متر که حول محور پایداری پلتفرم پایدار اعمال شده مورد ارزیابی قرار گرفته است. در این شبیه سازی عملکرد پلتفرم مورد نظر در شرایط مختلف کاری مورد ارزیابی قرار می گیرد که نتایج شبیه سازی نشان دهنده مطابقت نتایج بدست آمده از شبیه سازی با رفتار واقعی پلتفرم مورد نظر در شرایط کاری یکسان می باشد.

References    [1]                 Salloum, R., Moaveni, B., Arvan, M.R., “Robust position control design for an electromechanical actuator with time delay”, The 22nd Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE), Tehran, Iran, (2014), 1227-1232. [2]                 Salloum, R., Arvan, M.R., Moaveni, B., “Robust Lead Compensator Design for an Electromechanical Actuator Based on H∞ Theory”, Automatic Control and Information Sciences, Vol. 2, No. 3, (2014), 53-58. [3]                 Fei, J., Yang, Y., “Comparative study of system identification approaches for adaptive tracking of mems gyroscope”, International Journal of Robotics and Automation, Vol. 27, No. 3, (2012), 1-8. [4]                 Masten, M., “Inertially stabilized platforms for optical imaging systems tracking dynamic targets with mobile sensors”, IEEE Trans. Control Systems Magazine, Vol. 28, (2008), 47-65. [5]                 Hilkert, J.M., “Inertially stabilized platform technology concepts and principles”, IEEE Trans. Control Systems Magazine, Vol. 28, (2008), 26-46. [6]                 Kennedy, P.J., Kennedy, R.L., “Direct versus indirect line of sight (LOS) stabilization”, IEEE Trans. Control Systems Technology, Vol. 11, (2003), 3-15. [7]                 Khodadadi, H., Jahed Motlagh, M., Gorji, M., “Robust control and modeling a 2-DOF inertial stabilized platform”, International Conference on Electrical, Control and Computer Engineering,  Pahang, Malaysia, (2011), 223-228. [8]                 Shan-zhong, L., Long-he, S., “Research on stabilizing and tracking control of electro-optical tracking and sighting platform based on fuzzy control”, International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation, Changsha, China, (2010), 175-178. [9]                 Abdoa, M., Toloei, A., Vali, A., Arvan, M.R., “Modeling, control and simulation of cascade control servo system for One axis gimbal mechanism”, International Journal of Engineering, Vol. 27, (2014), 157-170. [10]              Ji, W., Li, Q., Xu, B., Tu, J.j., Zhao, D.a., “Cascade servo control for LOS stabilization of opto-electronic tracking platform design and self-tuning”, International Conference on Information and Automation, Zhenjiang, China, (2009), 1034-1039. [11]              Eklånge, J., “Design and implementation of a test rig for a gyro stabilized camera system”, MSc, Linköping University, Linköping, Sweden, (2006). [12]              Zhi-qiang, L., Zhi-yong, Z., Qing-kun, Z., Da-peng, F., “Parameter identification of inertially stabilized platforms using current command design”, Springer,  Vol. 20, (2013), 342–353. [13]              Branes, F., “Stable Member Equation of  motin for a Three-Axis Gyro stabilized Platform”, IEEE Transactions on Aerospce and Electronics System, Vol. AES-7, No. 5, (1971). [14]              Aruga, T., Wada, N., Ming, A., Kurakane, N., Satoh, M., Takeuchi, H., Tazoe , S., “Development of a Small Tracking Camera System for Mobile Platforms”, International Conference on Information and Automation. Zhuhai/Macau., (2009), 939-944. [15]              Ashwin A., Seshia, R., Tim, H., Stephen M., “An Integrated Micro Electromechanical Resonant Output Gyroscope”, In Proceedings, 15th IEEE Micro Electro Mechanical systems Conference, Las Vegas, NV, Jan. 20-24 (2002). [16]              Ashwin, A., Seshia, B., “Integrated Micromechanical Resonant Sensor for Inertial Measurement Systems”, Indian Institute of Technology, Bombay, (1996).   [17]              Ljung, P.B., “Micro machined Angular Rate Sensor”, PhD  thesis, University of California, Berkeley, (1997). [18]              Trends, U.G., “Modern Gyroscope Technology”, Martinenko Education Journal of Sorosovski, No 11., Russian, (1997).

International Journal of Engineering
E-mail: office@ije.ir
Web Site: http://www.ije.ir