روشهای عددی در مهندسی

روشهای عددی در مهندسی

تخمین ضرایب هیدرودینامیکی رونده‌ زیرسطحی ریموس با استفاده از فیلتر کالمن توسعه‌یافته مقاوم در شرایط دینامیکی مختلف

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران
3 دانشکده مهندسی مکانیک ، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران
چکیده
مدل‌سازی دقیق دینامیک رونده‌های زیرسطحی از الزامات اصلی شبیه‌سازی، تحلیل پایداری و طراحی سامانه‌های کنترل در وسایل زیرآبی است. در این میان، شناسایی ضرایب هیدرودینامیکی به دلیل وابستگی به هندسه شناور، سرعت پیشروی و شرایط عملیاتی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این پژوهش، یک چارچوب مبتنی بر فیلتر کالمن توسعه‌یافته مقاوم (REKF) برای تخمین آنلاین ضرایب هیدرودینامیکی کلیدی مدل شیرجه‌ای رونده زیرسطحی ریموس ارائه شده است. در این ساختار، بردار حالت تقویت‌شده شامل متغیرهای دینامیکی q، θ، zو ضرایب هیدرودینامیکی M_q، M_q ̇ و 〖 M〗_(δ_s )به‌صورت همزمان و آنلاین تخمین زده می‌شوند. برای بررسی عملکرد روش پیشنهادی، سه سناریوی عملیاتی شامل سرعت‌های 1.5، 1.75 و 2 متر بر ثانیه و زوایای سکان 5.5، 7.5 و 10 درجه در نظر گرفته شده است تا اثر سطح تحریک دینامیکی بر دقت و همگرایی تخمین ارزیابی شود. در ساختار فیلتر، بهره 〖 K〗_kبه‌صورت بازگشتی و مبتنی بر کوواریانس خطای پیش‌بینی، ماتریس اندازه‌گیری و نویز اندازه‌گیری در هر گام زمانی محاسبه می‌شود که موجب بهبود پایداری عددی و عملکرد تخمین در شرایط دارای عدم‌قطعیت می‌گردد. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که روش پیشنهادی قادر به تخمین پایدار ضرایب هیدرودینامیکی و بازتولید رفتار دینامیکی ریموس در مود شیرجه در هر سه سناریوی عملیاتی است. همچنین، افزایش سطح تحریک دینامیکی در بازه بررسی‌شده منجر به بهبود اطلاعات‌پذیری اندازه‌گیری و کاهش خطای تخمین شده است. در نتیجه، REKF می‌تواند به‌عنوان یک ابزار مؤثر برای تخمین برخط ضرایب هیدرودینامیکی و پشتیبانی از طراحی کنترل وسایل زیرسطحی در شرایط عملیاتی متغیر مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Estimation of Hydrodynamic Coefficients of the REMUS Underwater Vehicle Using a Robust Extended Kalman Filter Under Various Dynamic Conditions

نویسندگان English

Sadegh Dastorani 1
Reza Hasanzadeh Ghasemi 2
Ali Vahabi 3
1 Department of Mechanical Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Iran
3 Department of Mechanical Engineering, Kashan University, Kashan, Iran
چکیده English

Accurate modeling of underwater vehicle dynamics is essential for simulation, stability analysis, and control system design. In this context, hydrodynamic coefficient identification plays a crucial role due to its dependence on vehicle geometry, forward speed, and operating conditions. In this study, a Robust Extended Kalman Filter (REKF) is employed for the online estimation of key hydrodynamic coefficients in the diving dynamics model of the REMUS autonomous underwater vehicle. An augmented state vector formulation is used to simultaneously estimate the dynamic states q, θ, and z, together with the hydrodynamic coefficients M_q, M_q ̇ , and M_(δ_s ). To evaluate the influence of operating conditions, three scenarios are considered with forward speeds of 1.5, 1.75, and 2 m/s and rudder angles of 5.5°, 7.5°, and 10°. The Kalman gain K_kis recursively updated at each time step based on the prediction error covariance, measurement matrix, and measurement noise covariance, following the standard REKF formulation. Simulation results indicate that the proposed method achieves stable estimation of hydrodynamic coefficients and effectively reproduces the diving dynamics of the REMUS vehicle across all scenarios. Furthermore, increased forward speed and rudder deflection enhance system excitation, leading to improved estimation accuracy and faster convergence behavior within the considered operating range. Finally, the comparison between the responses obtained using estimated and reference coefficients demonstrates the capability of the proposed framework for accurate system identification and potential support for control design under varying operational conditions.

کلیدواژه‌ها English

Underwater Vehicles
Robust Extended Kalman Filter (REKF)
Hydrodynamic Coefficients
REMUS
Estimation
Modeling

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 28 شهریور 1405

تحت نظارت وف بومی