طراحی سیستم خلبان خودکار هواپیما در Python با استفاده از FlightGear

آنچه یاد خواهید گرفت:

• درک مبانی شبیه‌ساز پرواز FlightGear و چگونگی کنترل آن با استفاده از Python
• درک مفاهیم کلیدی دینامیک هواپیما: رول (Roll)، پیچ (Pitch) و یاو (Yaw)
• نوشتن اسکریپت‌های Python برای کنترل سطوح کنترلی هواپیما و تیک‌آف خودکار
• یادگیری و پیاده‌سازی کنترل PID برای تراز کردن بال‌ها و حفظ ارتفاع
• آشنایی با دور هماهنگ برای جلوگیری از یاو نامطلوب و مشکل داچ رول 
• ناوبری خودکار نقاط راه با استفاده از GPS، فرمول هاورسین و تنظیم زاویه سمت 
• استفاده از فیلتر مکمل به‌عنوان تکنیک تلفیق حسگرها برای تخمین وضعیت فضایی هواپیما
• پایدارسازی هواپیما بر اساس تلفیق داده حسگر IMU
• سیستم مختصات NED (شمال-شرق-پایین) برای نمایش موقعیت و جهت‌گیری هواپیما
• تبدیل دستگاه مختصات بدنه به دستگاه مختصات NED
• فیلتر کالمن برای تخمین حالت هواپیما
• ناوبری خودکار نقاط راه بر پایه فیلتر کالمن به‌عنوان یک تکنیک تلفیق حسگرها

پیش نیازهای دوره

• آشنایی با مبانی برنامه‌نویسی Python و اشتیاق به یادگیری

توضیحات دوره

به این دوره عملی خوش آمدید! در این دوره یاد می‌گیرید که چگونه یک سیستم خلبان خودکار هواپیما را در زبان Python و با استفاده از شبیه‌ساز FlightGear طراحی کنید. با شروع از اصول اولیه دینامیک هواپیما، راه‌اندازی FlightGear و ارتباط از طریق سوکت‌های UDP، به‌تدریج به نوشتن اسکریپت‌های Python مسلط می‌شوید که قادرند شهپر، الویتور و رادر را کنترل کرده و حتی برخاست خودکار انجام دهند. در ادامه، وارد مبحث پایدارسازی پرواز با استفاده از کنترل‌کننده‌های PID می‌شوید، نقش واحدهای اندازه‌گیری اینرسی (IMU) را درک می‌کنید و مانورهای کلیدی پرواز مانند تراز کردن بال‌ها، حفظ ارتفاع و دورهای هماهنگ را پیاده‌سازی می‌کنید.

با پیشرفت در دوره، ناوبری خودکار نقاط راه را با استفاده از مفاهیم GPS، فرمول‌های هاورسین و کنترل زاویه سمت توسعه خواهید داد. در نهایت، به بررسی تکنیک‌های پیشرفته تلفیق حسگرها - مانند فیلترهای مکمل و کالمن - برای تخمین وضعیت و موقعیت هواپیما می‌پردازید و از آن‌ها برای ناوبری مستقل نقاط راه استفاده خواهید کرد. چه یک دانشجوی مهندسی هوافضا باشید، چه یک علاقه‌مند به پرواز یا یک توسعه‌دهنده نرم‌افزار که به سیستم‌های خودمختار علاقه دارد، این دوره ترکیبی عالی از تئوری و کدنویسی عملی را به شما ارائه می‌دهد تا سیستم خلبان خودکار خود را به واقعیت تبدیل کنید.

محتوای دوره:

بخش 1: معرفی

• معرفی Flightgear و رابط Python آن
• درک سوکت‌های UDP مورد استفاده برای ارتباط بین Python و Flightgear
• درک مفاهیم رول (Roll)، پیچ (Pitch) و یاو (Yaw)
• نصب Flightgear و کتابخانه Python مربوط به آن در لینوکس
• اسکریپت Python برای کنترل آیلرون، الویتور و رادر هواپیما
• برنامه Python برای تیک‌آف خودکار هواپیما
• توابع مهم در برنامه Python برای تیک‌آف خودکار

بخش 2: پایدارسازی و کنترل اولیه پرواز

• تراز کردن بال‌ها با استفاده از کنترل‌کننده PID
• واحد اندازه‌گیری اینرسی (IMU) چیست و چه عملکردی دارد؟
• کنترل‌کننده تناسبی-انتگرال‌گیر-مشتق‌گیر (PID)
• کد Python برای تراز کردن خودکار بال‌ها
• چگونه ضرایب کنترل‌کننده PID را تنظیم (Tune) کنیم؟
• چگونه یاو نامطلوب می‌تواند مشکل داچ رول را تحریک کند؟
• دور هماهنگ برای جلوگیری از یاو نامطلوب چیست؟
• چگونه دور هماهنگ را پیاده‌سازی کنیم؟
• کد Python برای تراز کردن خودکار بال‌ها با منطق دور هماهنگ
• حفظ ارتفاع هواپیما با استفاده از کنترل‌کننده تناسبی
• کد Python برای حفظ ارتفاع هواپیما با استفاده از کنترل‌کننده تناسبی

بخش 3: ناوبری خودکار و دنبال کردن نقاط راه

• دنبال کردن نقاط راه چیست؟
• عرض و طول جغرافیایی چیستند؟
• فرمول هاورسین برای محاسبه فاصله و پیاده‌سازی آن در کد
• محاسبه زاویه سمت و پیاده‌سازی آن در کد
• کنترل‌کننده PID برای تنظیم زاویه سمت 
• چگونه نقاط راه را اضافه کنیم؟
• منطق سوئیچ کردن بین نقاط راه
• کد Python برای ناوبری خودکار نقاط راه

بخش 4: پایدارسازی پیشرفته هواپیما بر پایه تلفیق داده حسگر IMU

• تراز کردن خودکار بال‌ها بر پایه داده‌ IMU
• درک اندازه‌گیری‌های IMU
• تخمین رول و پیچ با استفاده از داده شتاب‌سنج 
• تخمین رول و پیچ با استفاده از داده‌ Gyroscope
• فیلتر مکمل برای تلفیق حسگرها 
• تخمین یاو با استفاده از Gyroscope
• نمودار بلوکی کلی برای تخمین رول، پیچ و یاو
• کنترل‌کننده‌های PID برای کنترل رول و پیچ
• برنامه Python برای تراز کردن خودکار بال‌ها بر پایه داده IMU

بخش 5: ناوبری خودکار پیشرفته نقاط راه بر پایه تلفیق حسگرها

• ناوبری خودکار نقاط راه بر اساس تلفیق حسگرها
• سیستم مختصات NED (شمال-شرق-پایین)
• سیستم دستگاه مختصات بدنه 
• تبدیل دستگاه مختصات بدنه به دستگاه NED
• مروری بر فیلتر کالمن 
• طرح مسئله: تخمین حالت هواپیما
• مرحله پیش‌بینی در فیلتر کالمن
• مرحله بروزرسانی در فیلتر کالمن
• پیاده‌سازی فیلتر کالمن در کد Python
• تبدیل دستگاه بدنه به دستگاه NED در کد Python
• کد Python برای ناوبری خودکار نقاط راه با استفاده از تلفیق حسگرها

این دوره برای چه کسانی مناسب است؟

• دانشجویان مهندسی هوافضا که به‌دنبال کسب تجربه عملی در سیستم‌های کنترل پرواز، ناوبری و تلفیق حسگرها هستند.
• علاقه‌مندان به پهپادها و UAVها که می‌خواهند با استفاده از ابزارهای شبیه‌سازی واقعی، سیستم‌های خلبان خودکار را درک کرده و بسازند.
• توسعه‌دهندگان Python که علاقه‌مند به کاربرد مهارت‌های کدنویسی خود در شبیه‌سازی هواپیما و کنترل خودمختار هستند.
• علاقه‌مندان به شبیه‌سازهای پرواز که می‌خواهند فراتر از صرفاً پرواز کردن رفته و علم و کدهای برنامه‌نویسی پشت رفتار خودمختار هواپیما را یاد بگیرند.
• اساتید و پژوهشگرانی که برای آموزش یا آزمایش دینامیک پرواز، پایدارسازی و سیستم‌های ناوبری، به یک رویکرد پروژه‌محور نیاز دارند.