מערכת הנחיית טיל בשיטת לוגיקה עמומה

1. מערכת הנחיית טיל בשיטת לוגיקה עמומה ספטמבר 2003 מגישים: אייל בן איסטי 041959255 אסף צבירן 042256040 מנחה: ד"ר מרק מולין

2. מטרות הפרוייקט • מטרת על • מימוש מערכת הנחיית טיל בשיטת Gain Scheduling תוך שימוש בלוגיקה עמומה • מטרות משנה • פיתוח וחקירת המודל הדינמי של תעופת הטיל וחלוקה למצבי טיסה • מציאת מקדמי בקרה אופטימליים בשיטות: • 1. סריקה ומיפוי • 2. גישה איטרטיבית • מימוש הבקר בלוגיקה עמומה וחקירת ארכיטקטורות שונות

3. מה עשינו ? (1) • חקרנו את מודל הטיל שניתן לנו והרחבנו אותו, ובפרט חקרנו את אופן תלות המודל הדינמי במצבי הטיסה • חילקנו את מעטפת הטיסה ומצאנו פרמטרי בקרה מתאימים בשלוש שיטות שונות: • 1. סימולציות על המערכת • 2. סריקה ומיפוי של מרחב הפרמטרים • 3. אלגוריתם איטרטיבי לקבלת פרמטרים אופטימליים

4. מה עשינו ? (2) • מימשנו את הבקר בלוגיקה עמומה וחקרנו ארכיטקטורות שונות: • 1. מערכת Fuzzy כוללת המקבלת את כל מקדמי התזמון • 2. מערכת Fuzzy סדרתית עם פיצול מקדמי התזמון למערכות ייעודיות • 3. מערכת Fuzzy מקבילית עם פיצול מקדמי התזמון למערכות ייעודיות • מימשנו את הבקרים השונים במערכת משולבת הבוררת אחד מביניהם, וכן במערכות נפרדות. כתבנו קוד Matlab להפעלת המערכות ביחד ולחוד, תוך מעבר בין מצבי הטיסה לשם השוואה ביניהן

5. המערכת הדינמית המערכת הכללית מנגנוני הרעש מערכת ההנחיה לקוח מתוך המאמר "Adaptive Fuzzy Gain Scheduling in Guidance System Design" שפורסם ב-2001 על-ידי Chun-Liang Lin ו-Haui-Wen Su.

6. Apparent Target Body Axis Target Seeker - זווית התקפה - זווית גוף הטיל - זווית מסלול - זווית ה-Seeker - זווית LOS (Line Of Sight) { היא זווית ה-LOS האמיתית} - זווית הסטייה { היא זווית הסטייה האמיתית} Pursuer o שרטוט הזויות במערכת הטיל

7. מצבי טיסה • מעטפת הטיסה חולקה לתחומים על-ידי סימולציות וניתוח • כמו כן חילצנו פרמטרי בקרה מייצגים לכל מצב טיסה • מציאת פרמטרי בקרה אופטימליים: • פונקצית מחיר- • סריקה ומיפוי של מרחב פרמטרי הבקרה. מציאת פונקצית המחיר עבור כל צירוף , הצגתו ומציאת פרמטרים אופטימליים

8. שיטה איטרטיבית- Results of Optimization for Vm = 30 [m/sec], Hm = 5000 [m], Tc = 10 [sec] --------------------------------------------------------- n N_opt cost nN_opt cost 1 11.0000 39.1401 10 26.0983 14.5149 2 13.7118 29.2597 11 27.8043 9.7096 3 19.2093 22.0088 12 28.9519 7.2384 4 27.5923 10.2408 13 29.5275 6.1999 5 33.5403 20.1698 14 29.7747 5.7945 6 25.2283 7.9539 15 29.8739 5.6374 7 20.6476 14.5837 16 29.9127 5.5651 8 25.2760 7.8541 17 29.9277 5.5581 9 27.7947 9.7211 18 29.9334 5.5554

9. תוצרי המערכות האופטימליות 200 100 30 10 5 24.5953 38.4957 134.6783 111.2808 6 22.7334 34.5050 66.6934 104.5337 7 20.0386 42.1203 45.7274 47.3727 8 16.1348 35.9449 40.8267 41.6323 9 15.0083 35.8131 38.4731 39.4996 10 12.1114 29.9347 34.3125 39.6085 1111.8609 25.2185 34.2955 35.1781 12 10.4025 22.1859 34.3991 35.2561 13 10.5444 18.7555 30.5585 35.9711 14 8.4208 16.7790 25.4527 22.9701 15 9.0638 16.8364 24.8606 25.0174 200 100 30 10 5 4.4149 10.1941 2.3425 2.5471 6 8.7921 7.3284 7.9846 2.5471 7 9.2182 3.8533 9.0683 9.8458 8 9.2067 4.0629 6.4244 7.7143 9 15.9320 4.0062 8.6532 9.5563 10 18.7174 5.5548 6.7504 8.7237 11 21.2266 7.6791 6.3841 6.9547 12 15.8857 8.0904 6.0315 6.5791 13 14.1420 12.0555 13.0023 5.6278 14 23.0063 12.4466 16.9132 17.5804 15 23.4051 12.0385 8.9791 10.5170 תוצאות המערכת האיטרטיבית מיפוי מרחב הפרמטרים מיפוי מרחב הפרמטרים

10. מבנה יחידת Fuzzy- (לדוגמא, תת-המערכת הייעודית FlightState) פונקציות שייכות- מערכת חוקים לוגיים- לוגיקה עמומה • עקרון בסיסי- • מיפוי רציף של וקטור כניסה כלשהו לוקטור יציאה, תוך שימוש בסט חוקים מוגדרים מראש • הקצאת ערך רציף בין 0 ל-1 לכל איבר בוקטור הכניסה בהתאם למידת קיום או אי-קיום של מערכת החוקים הלוגית

11. מערכות ה-Fuzzy בארכיטקטורות שונות מערכת Fuzzy כוללת מערכת Fuzzy סדרתית מערכת Fuzzy מקבילית

12. בורר מצב Fuzzy או Non-Fuzzy המערכת המשולבת בורר מצב רעש בורר ארכיטקטורת Fuzzy

13. תוצרי סימולציות מערכות Fuzzy • החלקת מעברי • מצבי טיסה • במערכות ללא שינוי RMT עבור

14. גרפים ממערכות ה-Fuzzy עם שינוי RMT וכניסת שני מחזורי סינוס

15. השוואת זמני סימולציה עבור כל המערכות Simulation times for Vm = 30 & Hm = 5000 were ... [sec]: NoisyNF QuietF NoisyF SerialF ParallelF 16.374 68.899 613.842 380.207 283.082 • גרפים ממערכות ה-Fuzzy עם שינוי RMT וכניסה לא תקנית (כניסת מדרגה בגודל 3)

16. S_regularF- מערכת עם Fuzzy כולל • S_serialF- מערכת Fuzzy סדרתית • S_parallelF- מערכת Fuzzy מקבילית • קבצי Simulink (*.mdl) • S_NF- מערכת ללא Fuzzy • S_FuzzySys- מערכת Fuzzy משולבת • S_optimization- מערכת להרצת אופטימיזציות • scanNmap- הרצת שיטת סריקה ומיפוי • itterate_algorithm- הרצת האלגוריתם האיטרטיבי לאופטימיזציה • analize_Am- פונקצית עזר למציאת זמני ההתכנסות והעלייה (לשימוש ב- scanNmap ו- itterate_algorithm) • smooth- פונקצית עזר לדילול והחלקת וקטור רועש (לשימוש ב- analize_Am) • Oscost_Fcn – פונקצית עזר המחשבת את גודל הקנס על תגובת-היתר • קבצי קוד Matlab (*.m) • one_from_split- הרצת אחת מהמערכות הנפרדות עם וקטורי גבהים ומהירויות • compare_split- הרצת כל המערכות הנפרדות עבור גובה ומהירות אחידים • one_from_combined- הרצת אחת מהמערכות במערכת המשולבת עם וקטורי גבהים ומהירויות • compare_ combined - הרצת כל המערכות במערכת המשולבת עבור גובה ומהירות אחידים • getSYS_ID- פונקצית עזר המחזירה פרמטרי ברירה עבור המערכת המשולבת (לשימוש ב- one_from_combined ו- compare_ combined ) רשימת מערכות וקבצי קוד

17. סיכום ומסקנות • פיתחנו את מודל דינמיקת הטיל, חקרנו את תגובתו לכניסות שונות ולמצבי טיסה שונים. חמושים בידע זה, פיתחנו את הבקרים המתאימים • ניתחנו את מצבי הטיסה של הטיל בעזרת גישות שונות ומצאנו פרמטרי בקרה אופטימליים • נוכחנו לראות שגישת מיפוי מרחב המצבים פשוטה למימוש ויפה להצגה, אך זמן הריצה שלה וסיבוכיות החישוב גבוהים בהרבה משל הגישה האיטרטיבית, ועם זאת תוצאותיה אינן טובות יותר (וזאת בזכות שינוי הרזולוציה הדינמי באלגוריתם האיטרטיבי) • הראינו כי שימוש בלוגיקה עמומה מחליק את המעברים בין מצבי הטיסה ומשפר את ביצועי הבקרים

18. בנינו מערכות בקרי Fuzzy בעלות ארכיטקטורות שונות בנפרד, מהם גם הרכבנו מערכת משולבת הבוררת בין סוגי הבקרים • בדקנו את ביצועי המערכות עבור כניסות שונות עם ובלי רעש, וכן עבור RMT משתנה או מאולץ • הראינו כי ביצועי בקרי ה-Fuzzy טובים יותר עבור תרחיש בו מצבי הטיסה משתנים, וכן בהתמודדות עם מערכת רועשת • הראינו כי שימוש בארכיטקטורה סדרתית או מקבילית מוריד בצורה משמעותית את זמן הריצה (המקבילית מהירה מן הסדרתית), וביצועיהן אף טובים יותר (הסדרתית בעלת ביצועים טובים מהמקבילית)

19. הצעות לשיפור • יש לפתח מודל מלא ומדויק יותר לדינמיקה של הטיל ולמערכת ההנחיה שלו • עבור מערכת המשתנה באופן דינמי בעלת מודל שאינו ידוע בודאות (כמו אצלנו), אידיאלי להשתמש ברשת נוירונים במקום מערכת ה-Fuzzy, שתקשר בין שינוי המודל לבין פרמטרי הבקרה הנדרשים • שיטות האופטימיזציה עובדות יפה, אולם הן תלויות בפונקצית המחיר, אשר בעלת נקודות-כשל. לכן, על-מנת לשפר את הביצועים יש לפתח פונקצית מחיר טובה יותר • השימוש בארכיטקטורות Fuzzy סדרתי ומקבילי נותן ביצועים טובים, ולדעתנו- דורש מחקר נוסף