پروژه‌های شبیه‌سازی

اصولاً شبیه‌سازها را می‌توان در دو دسته کلی شبیه‌سازهای آموزشی و شبیه‌سازهای مهندسی طبقه‌بندی كرد. شبیه‌سازهای آموزشی برای بررسی رفتار سیستم‌هایی به كار می‌رود که ساخته شده و توسعه پیدا كرده است و هدف از طراحی و ساخت آنها آشنا کردن کاربران سیستم با عملکرد رفتاری آن، همراه با هزینه و خطر اندك است؛ حال آنکه شبیه‌ساز‌های مهندسی در حوزه طراحی سیستم‌ها به كار می‌روند و برای طراح این امکان را فراهم می‌كنند که پیش از آنکه دست به ساخت و آزمایش سیستم بزند، با هزینه‌ای بسیار کمتر، از عملکرد رفتاری طرح مورد نظر خود آگاه شود. در دسترس داشتن شبیه‌سازی که دورنمایی همه‌جانبه و کامل از رفتار سیستم مورد بحث در اختیار طراح قرار دهد، در حال حاضر به عنوان یک نیاز غیرقابل انکار در فرایندهای مهندسی مورد توجه قرار می‌گیرد.

با عنایت به اهمیت موضوع، پژوهشگاه هوافضا (وابسته به وزارت علوم، تحقیقات و فناوری) بر آن شد تا با برگزاری کنفرانس تخصصی شبیه‌سازی پرواز فرصتی فراهم آورد تا محققان و متخصصان این حوزه گرد هم آمده و با بحث، گفتگو و تبادل نظر، موجبات ارتقای سطح دانش را در این حوزه فراهم كنند. ویژه‌نامه‌ای كه پیش روی شماست، در همین راستا و با هدف معرفی فعالیتهای صورت‌گرفته در پژوهشگاه هوافضا در حوزه شبیهسازی پرواز منتشر شده است.

شبیه‌ساز پرواز ایران 140

شبیه‌سازهای پرواز ابزاری بسیار ضروری برای آموزش خلبانان محسوب می‌شوند، به طوری که امروزه به شکل گسترده‌ای در صنعت هوانوردی طراحی و ساخته می‌شوند و کاربردهای عمومی و نظامی پیدا کرده‌اند. در چنین شبیه‌سازهایی شرایط عادی و اضطراری برای نوع خاصی از یک هواپیما آموزش داده می‌شود. تاریخچه استفاده از شبیه‌سازهای پرواز در صنعت هوایی به سال 1948 برمی‌گردد که کورتیس رایت اولین سیمولاتور کامل خود را در خطوط هوایی پَن‌امریکن امریکا راه‌اندازی کرد؛ این سیمولاتور فاقد حرکت و تصویر مجازی (واقعیت مجازی) بود، با این حال کلیه ابزارآلات، سوئیچ‌ها و کابین خلبان را شامل می‌شد و نقش بسیار مؤثری در آموزش خلبانان داشت. به این گونه شبیه‌سازهای پروازی، اصطلاحاً شبیه‌سازهای ثابت می‌گویند که در آموزش خلبانان از سهمی 27 درصدی برخوردارند. این شبیه‌سازها، كه شبیه‌سازهای آموزشی پروازی (Flight Training Device: FTD) نیز نامیده می‌شوند، فاقد سکوی حرکتی هستند، اما می‌توانند دارای قابلیت نمایش تصویر محیط اطراف کابین باشند. مزایای استفاده از سیمولاتورهای ثابت عبارتند از: آموزش خلبانی، کاهش هزینه‌ها، بررسی کارایی و عملکرد سیستم‌ها، کاربرد در تحقیقات، عدم محدودیت در زمان و مکان استفاده، مدل‌سازی ایمن عیوب رفتاری هواپیما، کاهش ترافیک هوایی در مناطق آموزشی، افزایش ضریب ایمنی پرواز، و انعطاف‌پذیری برنامه آموزش.

ساختار سخت‌افزاری و عملکرد نرم‌افزاری

طراحی و اهداف عملی پیاده‌سازی شبیه‌ساز پروازی را می‌توان در چند مورد زیر خلاصه کرد: انجام آزمایش‌های پروازی و جمع‌آوری داده‌های پیش از پرواز، حل معادلات حرکت هواپیما، اجرای فرامین کنترلی و هدایت خلبان، نمایش گرافیکی پنل‌ها و ابزارآلات دقیق هواپیما، پیاده‌سازی شرایط اضطراری، و ثبت وقایع.

روش کار بدین صورت است که با انتگرال‌گیری عددی از معادلات دیفرانسیلی حرکت، مدل دینامیکی یک هواپیما به دست آمده و متغیرهای دینامیكی آن به‌روزرسانی می‌شوند؛ سپس خروجی‌های این مدل به عنوان ورودی سیستم‌های کنترلی و ناوبری به كار می‌رود؛ الگوریتم‌های گرافیکی کامپیوتری نیز به صورت بلادرنگ برای نمایش سیستم‌های تصویری و خروجی‌های گرافیکی هواپیما به کار گرفته می‌شوند. علاوه بر این، با طراحی پنل استادخلبان و ایستگاه‌ها، امکان ارزیابی فرایند آموزش توسط استادخلبان فراهم می‌شود. همچنین به منظور اعتبارسنجی و بررسی کیفیت سیستم‌های شبیه‌سازی‌شده تمامی وقایع به طور هم‌زمان ثبت می‌شوند.

سیمولاتور ثابت هواپیمای ایران 140 

سیمولاتور ثابت هواپیمای ایران 140 ـ موضوع قرارداد بین پژوهشگاه هوافضا و شرکت هسا ـ متشکل از کابین هواپیما به همراه سیستم‌های آن است که به طور ثابت در محل خود مستقر شده و فاقد قابلیت‌های حرکتی و بصری است. این سیمولاتور از قابلیت‌های زیر برخوردار است: شبیه‌سازی معادلات در شرایط پروازی مختلف هواپیما، شبیه‌سازی سیستم‌های هواپیما، شبیه‌سازی خرابی سیستم‌های هواپیما، شبیه‌سازی شرایط اضطراری، انعطاف‌پذیری برنامه آموزش.

فعالیت‌های صورت‌گرفته در زمینه ارتقای سیمولاتور ثابت ایران 140

پژوهشگاه هوافضا با رعایت استانداردهای موجود در شبیه‌سازهای پرواز، اقدام به راه‌اندازی و ارتقای برخی از سیستم‌های پروازی موجود در سیمولاتور ثابت ایران 140 كرده است که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • سیستم خلبان خودکار: امروزه جایگاه مهمی را در هدایت خودکار هواپیما در فازهای مختلف پروازی به ‌ویژه فاز کروز شامل کنترل ارتفاع و زوایای چرخشی حین پرواز، به خود اختصاص داده است.
  • سیستم GPS: امکان ناوبری را از طریق سیستم رهیاب ماهواره‌ای و هدایت هواپیما در کنار دیگر سیستم‌های ناوبری فراهم می‌کند.
  • سیستم TCAS: نقش بسزایی را در آموزش خلبانان حین مواجهه با ترافیک هوایی و رفتار مناسب در شرایط اضطراری برخورد هواپیما ایفا می‌كند.
  • سیستم EGPWS: امروزه به منظور آموزش در شرایط اضطراری نشست و پرواز در نزدیکی زمین به کار می‌رود که برای آگاهی خلبان از وضعیت ناهمواری‌های سطح زمین لازم و ضروری است.
  • پنل استادخلبان: کلیه مراحل آموزشی شامل تعیین برنامه آموزشی، تعیین نقشه پروازی و ردیابی و کنترل مسیر طی‌شده پروازی و همچنین نمایش گرافیکی سیستم ILS توسط این پنل قابل اعمال و پیگیری است.
  • سیستم صدا: سیمولاتور ثابت ایران 140 مجهز به سیستم صوت بوده و شرایط سمعی مناسب را در حین پرواز فراهم می‌کند. سیستم صدا شامل دو قسمت فایل‌های صوتی و برنامه صوتی است كه توسط آن كلیه صداها، هشدار‌ها و بوق‌های موجود در كابین خلبان شبیه‌سازی می‌شود. همچنین توسط این برنامه صداهای مربوط به خرابی موتور و شرایط اضطراری نیز پخش می‌شود.
  • نمایشگرهای تاچ‌اسکرین: از جمله قابلیت‌های گرافیکی سیمولاتور ایران140 می‌توان به نمایشگرهای تاچ‌اسکرین به عنوان جایگزین مناسبی برای پنل‌های واقعی اشاره کرد.
  • ارتقای برنامه مدیریت: به منظور مدیریت ثبت و انتقال داده‌ها و فرامین پروازی، در این شبیه‌ساز از روش پردازش موازی استفاده شده است. در واقع تبادل اطلاعات میان بخش‌های مختلف شبیه‌ساز توسط این برنامه صورت می‌پذیرد. این برنامه كه به صورت برنامه‌نویسی سوكت، اطلاعات را منتقل می‌كند قادر است تا اطلاعات مربوط به درگاه‌های RS232 و USB را خوانده و انتقال دهد.

شبیه‌سازی مسیر پرتاب ماهواره‌بر

عملکرد کلی یک ماهواره‌بر متشکل از عملکرد زیرسیستم‌های متعددی است که در حضور عوامل داخلی و محیطی دیگر نهایتاً رفتار سیستم را نتیجه می‌دهند. داشتن مدل مناسب از هریک از این زیرسیستم‌ها و همچنین مدل‌سازی کامل عوامل مؤثر داخلی و خارجی، فرایندی است که امكان تصمیم‌گیری مطلوب‌تری را برای طراح سیستم فراهم می‌كند. زیرسیستم‌های یک ماهواره‌بر که مدل‌سازی هرچه دقیق‌تر آنها می‌تواند در تخمین واقعی‌تر رفتار ماهواره‌بر مفید باشد عبارتند از: سیستم‌های پیشران، هدایت، ناوبری و کنترل. همچنین عوامل تأثیرگذاری که باید در شبیه‌سازی یک ماهواره‌بر اشراف قابل قبولی بر مدل آنها داشته باشیم عبارتند از: عوامل محیطی چون اتمسفر و مدل گرانش، و عوامل داخلی چون مدل ایرودینامیک پرنده، مدل‌های تلاطم سوخت و مدل ارتعاشات و تغییر شکل سازه.

در ادامه شبیه‌ساز شش درجه آزادی ماهواره‌بر پژوهشگاه هوافضای ایران (LV-sim) که در محیط سیمولینك تهیه شده است معرفی می‌شود.

شبیه‌ساز شش درجه آزادی ماهواره‌بر پژوهشگاه هوافضا برنامه‌ای کاربردوست بوده که در محیط نرم‌افزار متلب (نسخه 7.3.0) تهیه شده و برای شبیه‌سازی پرتاب یک ماهواره‌بر دومرحله‌ای به مدارهای ارتفاع پایین استفاده می‌شود. در حال حاضر دارای کاربری مطالعاتی بوده و به عنوان بستری مناسب برای تحقیق و آزمایش انواع زیرسیستم‌ها از جمله هدایت، ناوبری و کنترل به كار گرفته می‌شود. 

در این شبیه‌سازی به‌راحتی می‌توان از طریق پنجره اطلاعات ورودی‌، شرایط اولیه و اطلاعات مربوط به هریک از زیرسیستم‌ها را به شبیه‌ساز اعمال كرد.

اطلاعات مربوط به هر بخش را می‌توان بعد از کلیک کردن نام آن در پنجره ورودی‌ها، در پنجره مربوط به آن بخش وارد كرد. 

شبیه‌ساز یادشده این قابلیت را در اختیار کاربرانش قرار می‌دهد که با ورود به بخش مربوط به زیرسیستم‌های مختلف، با اعمال تغییرات در پارامتر‌ها، تغییر در عملکرد کلی مجموعه را بررسی كنند. بر همین مبنا این شبیه‌ساز تاکنون به عنوان بستر مطالعات باارزشی در حوزه الگوریتم‌های هدایت ماهواره‌بر، روش‌های نوین کنترل ماهواره‌بر و روش‌های تلفیقی ناوبری به كار گرفته شده است.

مدل‌های محیطی به کار رفته در این شبیه‌ساز با در نظر گرفتن بیضوی بودن زمین، تخمین قابل قبولی برای چگونگی تأثیر این عامل روی حرکت ماهواره‌بر در اختیار قرار می‌دهد. مدل اتمسفر براساس جدول‌های استاندارد اتمسفر به دست آمده و تأثیرات تصادفی باد در آن لحاظ گردیده است ـ که یکی از نقاط قوت آن به حساب می‌آید.

شبیه‌سازی مسیر پرتاب راکت کاوش

راکت‌ کاوش به موشک‌های عمدتاً تحقیقاتی اطلاق می‌گردد که معمولاً با هدف مطالعه و جمع‌آوری اطلاعات، به سمت لایه‌های بالای جو و در مواردی به فضای خارج از آن پرتاب می‌شوند. این وسایل پرنده صرف‌نظر از نوع مأموریت از جهات دیگری نیز دارای تفاوت‌های بنیادی با ماهواره‌برها هستند كه یكی از آنها عدم برخورداری این وسایل از زیرسیستم‌های هدایت و کنترل است. زیرسیستم ناوبری نیز در این مجموعه معمولاً جز در مواردی اندک نقش عملیاتی چندانی بازی نمی‌کند و بیشتر در مقام مطالعات تحقیقاتی مورد استفاده واقع می‌شوند. این دلایل باعث سادگی ساختاری آن و در نتیجه ارزان تمام شدن پرتاب یک راکت می‌گردد و آن را به عنوان وسیله‌ای مناسب و باصرفه برای آزمایش و تحقیق، در كانون توجه قرار می‌دهد.

اما این سادگی ساختار از سوی دیگر میزان اهمیت شبیه‌سازی پیش از پرتاب را به مراتب افزایش می‌دهد. عدم دسترسی به سیستم‌های هدایت و کنترل در طول پرواز، این راكت را به وسیله‌ای غیرقابل كنترل تبدیل می‌كند که تحت تأثیر اغتشاشات کوچک، رفتار‌هایی تصادفی از خود نشان می‌دهد و عملاً پیش‌بینی رفتار آن را غیرممکن می‌کند. تنها راه پیش‌بینی رفتار این وسیله، مدل‌سازی بسیار دقیق سیستم و عوامل محیطی و داخلی آن است.

راکت‌های کاوش عمدتاً دارای زیرسیستم بازیابی محموله نیز هستند که این مسئله بر ضرورت دقت شبیه‌سازی می‌افزاید. همان‌طور که از نام آن می‌توان حدس زد، سیستم بازیابی محموله به مجموعه ترمز‌های ایرودینامیکی سرعت، چترهای ترمزی و چتر فرود اطلاق می‌گردد که وظیفه سالم نشاندن محموله تحقیقاتی راکت را بر عهده دارد. عملکرد مناسب این سیستم بستگی زیادی به اطلاعات به دست آمده از شبیه‌سازی‌ها در زمان طراحی دارد. به عنوان مثال، زمان یا ارتفاع مناسب برای باز شدن چتر، به شکلی که ضربه وارده باعث پاره‌ شدن بند‌های چتر نگردد، به شکل مستقیم از شبیه‌سازی حاصل می‌گردد.

شبیه‌سازی راکت کاوش در زمان مأموریت نیز اهمیت پیدا می‌کند. رفتار تصادفی اتمسفر و بادهای منطقه پرتاب در روز پرتاب، شرایطی‌ است که نمی‌توان آن را در مراحل تولید یا روز‌های قبل از پرتاب پیش‌بینی كرد. به این ترتیب لازم است در روز پرتاب و لحظاتی پیش از پرتاب در منطقه مأموریت، اطلاعات رفتار لایه‌های مختلف جو را جمع‌آوری كرده و با وارد کردن به نرم‌افزار شبیه‌سازی، محل تقریبی فرود مراحل و محموله را تعیین كرد.

آنچه به آن پرداخته شد اطلاعات جامعی از لزوم استفاده از شبیه‌ساز در فاز‌های طراحی و عملیات راکت کاوش بود. در ادامه مثالی از این گونه شبیه‌سازها ارائه خواهد شد.

پژوهشگاه هوافضا با در اختیار داشتن تجربه پرتاب راکت‌های کاوش 1 و 2 و در دست اقدام داشتن پروژه‌های مشابه و پیشرفته‌تر دیگر، در حوزه شبیه‌سازی راکت‌های کاوش تجربه‌های گرانقدری را به دست آورده و در حال حاضر یکی از کامل‌ترین شبیه‌سازهای این حوزه را توسعه داده و مورد استفاده قرار می‌دهد. در سطرهای بعدی توضیحات مختصری درباره این شبیه‌ساز کاربردی در اختیار خوانندگان قرار خواهد گرفت.

شبیه‌ساز راکت کاوش پژوهشگاه هوافضا توانایی شبیه‌سازی رفتار شش درجه آزادی یک راکت کاوش یک‌مرحله‌ای با محموله جداشونده و سیستم بازیابی را داراست. ساختار داخلی این شبیه‌ساز در محیط سیمولینك نرم‌افزار متلب (نسخه 7.3.0) تدوین شده است.

این شبیه‌ساز توانایی حل معادلات حرکت راکت را در دو فاز پرتاب و بازگشت به جو دارا بوده و با داشتن مدل کاملی از سیستم بازیابی محموله به همراه مدل باد منطقه‌ای، توانایی تخمین مناسب نقطه فرود محموله را داراست.

شبیه‌سازی مدار ماهواره

مكانیك مدارهای فضایی علمی است كه چگونگی حركت اجرام سماوی را بررسی می‌كند. این علم به دو شاخه طبقه‌بندی می‌شود: شاخه نخست كه مرتبط با حركت فضاپیماهاست و دینامیك فضایی (Astrodynamics) نامیده می‌شود؛ و شاخه دوم كه پیرامون حركت اجرام طبیعی فضایی بحث كرده و به آن مكانیك فضایی (Celestial Mechanics) اطلاق می‌شود.

حركت فضاپیماها در زمانی كه نیروی موتور به آنها اعمال نمی‌شود یا در پرواز پهلوگیری، بسیار شبیه اجرام كوچك سماوی است بنابراین مدل‌های پایه در هر دو مورد یكسان استخراج می‌شود. دینامیك فضایی خود دارای دو بخش دینامیك موقعیت مركز جرم و دینامیك وضعیت حول مركز جرم است كه در اینجا فقط به موضوع اول پرداخته می‌شود.

در فرایند انجام پروژه به موارد زیر پرداخته شده است:

  • معرفی سیستم‌های مختصات فضایی
  • قوانین كپلر و استخراج آنها از قوانین نیوتن
  • تدوین نرم‌افزار شبیه‌ساز مدار در محیط سیمولینک
  • مطالعه و مدل‌سازی اغتشاشات مداری مانند جاذبه غیرشعاعی زمین، جاذبه اجرام سماوی غیر از زمین، فشار پرتوها و توفان‌های خورشیدی و پسای جو
  • نرم‌افزار تكمیل‌شده مدار كه قادر به شبیه‌سازی كامل مدارهای ماهواره‌ای با فرض وجود اغتشاشات است.

 

واقعیت مجازی

واقعیت ‌مجازی محیطی است كه توسط رایانه تولید می‌شود به نحوی‌ که كاربران این محیط خود را کاملاً در آن غوطه‌ور پنداشته و می‌توانند با آن دنیای مصنوعی تعامل كنند. در یک چنین دنیای ساختگی و در جایی که قوانین فیزیکی حاکم بر فضا، زمان، اجسام و غیره ممکن است معتبر یا بی‌اعتبار باشند، سعی بر آن است که ویژگی‌های خاص محیط‌های واقعی دوباره و به‌درستی تولید شوند.

از ‌نظر عملكردی، هر سامانه واقعیت مجازی را می‌توان یك شبیه‌سازی رایانه‌ای از دنیای واقعی توصیف كرد. در این دنیای شبیه‌سازی‌شده، كاربران می‌توانند با استفاده از واسط‌های ورودی و خروجی مانند دستکش‌های حسگر، نمایشگر‌های سه‌بعدی برجسته‌بین ـ كه بر روی سر نصب می‌شوند ـ و ردیاب‌های حركتی، با این محیط مجازی تعامل برقرار كنند و بلادرنگ اشیای مشاهده‌شده را به دست گرفته و آزادانه به‌ سوی مقصد مورد نظر خود حركت کنند.

کاربردهای رایج واقعیت مجازی در دو زمینه درمان بیماری هراسی و همچنین آموزش است. در درمان بیماری‌های هراسی مانند ترس از ارتفاع، ترس از حشرات یا اختلال استرس پس از سانحه، با ایجاد شرایط هراس‌انگیز به صورت مجازی تحت شرایط کنترل‌شده، ترس بیمار با روشی به نام درمان توسط مواجهه (Exposure Therapy) معالجه می‌شود. واقعیت مجازی همچنین برای آموزش مواردی که تجربه واقعی آنها به دلیل خطر یا بالا بودن هزینه ممکن نیست استفاده می‌شود مانند آموزش آتش‌نشانان، چتربازان و خلبانان.

با توجه به نیازهای طراحی و ساخت نرم‌افزاری که به وسیله آن بتوان بیمار را درون محیط مجازی غوطه‌ور کرد، طرحی کلی از روش درمان بیمار توسط مواجهه مجازی تعریف گردید که در آن بیمار با قرار گرفتن در محیط و تجربه پرواز در شرایط کنترل‌شده همراه با نظارت پزشک درمان می‌شود. توسعه این سیستم واقعیت مجازی در پژوهشگاه هوافضا به پایان رسیده است و در حال حاضر مراحل آزمون و بهبود كارایی را پشت سر می‌گذراند.

 

شما اینجا هستید: صفحه ی اصلی پروژه‌های شبیه‌سازی