کاربردهای پایتون در مهندسی هوافضا

در دهه ی اخیر یکی از معیارهای سواد بر اساس مراجع جهانی مانند سازمان آموزشی، علمی و فرهنگی سازمان ملل متحد (یونسکو UNESCO ) داشتن مهارت در علوم کامپیوتری و توانایی برنامه نویسی است. از طرفی امروزه اکثر فعالیت ها در صنایع مختلف به سمت استفاده از کدنویسی برای سهولت فرآیندها، کاهش استفاده از نیروی انسانی و کاهش احتمال خطا، رفته اند. زبان های برنامه نویسی متفاوتی در سالیان گذشته توسعه یافته اند، توسط عده ای از کاربران استفاده شده اند و سپس وارد دوره رکود شده اند. در این میان برخی از زبان ها به دلیل ویژگی هایی که داشتند، در بین قشر خاصی از کاربران ماندگار شده اند. مانند زبان متلب یا فرترن که همچنان مورد توجه مهندسان هستند. اما پایتون زبان برنامه نویسی است که توانسته پس از حدود 30 سال همچنان در بین کاربران حوزه های متفاوت طرفداران زیادی را با خود حفظ کند. کاربردهای فراوان پایتون در مهندسی هوافضا باعث شده علاقه مندان و شاغلان در این شاخه از مهندسی نیز، به استفاده از آن روی آوردند.

مقدمه

با شنیدن لغت برنامه نویسی، چه مفهومی به ذهن شما می رسد؟ برای اکثر افراد، برنامه نویسی تصویری از ریاضیات پیشرفته و پیچیده تداعی می کند. برای مهندسان و دانشجویان مهندسی، برنامه نویسی به خاطره ی مشقت های درس آشنایی با علم کامپیوتر بر می گردد.

این درس های سنتی علوم رایانه برای مهندسی، بر اصول برنامه نویسی تمرکز می کند، بدون اینکه دامنه وسیع از کاربردهای عملی در زمینه های مختلف را نشان دهد. در نتیجه دانشجویان مهندسی، اصول وراثت و شی گرایی را یاد می گیرند، اما این دروس در ارتباط دادن این مفاهیم با کاربردهای واقعی مهندسی موفق نیستند. بنابراین، رشته های مهندسی مکانیک و هوافضا، به سمت متلب (MATLAB) هدایت می شوند، زیرا منجر می شود توانایی های محاسباتی از زبان های برنامه نویسی برجسته نشوند. متلب فضای مهندسی را احاطه کرده است و در سال های گذشته کمتر صحبتی از پایتون در مهندسی هوافضا در میان بود، زیرا به متلب عنوان یک بسته نرم افزاری که بر برنامه نویسی براساس توابع تمرکز دارد، در نظر گرفته می شود. در بیان معایب متلب می توان گفت، یک نرم افزار اختصاصی است که لایسنس گرانی دارد و برای برخی از فعالیت های محدودیت های بیشتری نسبت به python دارد.

پایتون چیست و چه مزیت هایی دارد؟

پایتون (python) یک زبان برنامه نویسی همه منظوره است که می تواند برای نوشتن کد برای پروژه های بسیار کوچک تا بسیار بزرگ، استفاده شود. شرکت هایی مانند دراپ باکس (dropbox)، اینستاگرام (instagram)، اینستاکارت (Instacart)، و ...... در همه یا بخشی از کد تولیدی شان از python استفاده می کنند. این زبان 3 نکته مهم بازاریابی دارد، رایگان است، خوانایی خوبی دارد و همچنین اصطلاحا باتری سر خود ( batteries-included) است. به این معنا که هر آنچه کاربر به آن نیاز دارد را درون خود به همراه دارد. اکثر مواقع کد پایتون در مهندسی هوافضا خیلی مشابه و گاهی عینا معادل عبارات انگلیسی رایج، خوانده می شود. این موضوع کمک می کند زمانی که ایده کلی اینکه کد قرار است چه کاری انجام دهد به ذهن تان رسید و اصطلاحا شبه کد آماده کردید،  شبه کدها را به راحتی به کد تبدیل کنید.

مزیت بعدی که  pythonبه آن شناخته می شود، محدوده وسیع کتابخانه ها است. یک کتابخانه که گاهی ماژول هم نامیده می شود، یک پوشه از کدهای از قبل آماده شده است که شما می توانید بارها و بارها استفاده کنید. استفاده از یک ماژول پایتون مانند این است از تعمیرکار اتومبیل خود بخواهید ایراد آن را تشخیص دهد. در واقع شما از تخصص او استفاده می کنید بدون اینکه لازم باشد جستجوی های طاقت فرسا یا کار پیچیده ای انجام دهید.

یکی دیگر از مزیت های پایتون در مهندسی هوافضا، متن باز بودن است که باعث می شود بتوان از فعالیت دیگر نیز استفاده کرد.  همچنین python علاوه بر کتابخانه های استاندارد خوبی که دارد، دارای سیستم توزیع و پشتیبانی کتابخانه نیز می باشد. این یک سیستم مدیریتی بنام pip است که کتابخانه ها را با یک دستور با این فرمت (pip install library_name) دانلود می کند. شما می توانید از روش های عددی گسترده ای به کمک کتابخانه Numpy بهره ببرید و نگران برنامه های داخلی استفاده شده نباشید. Numpy یک راهنما دارد که سینتکس های متلب را به python تبدیل می کند.

چرا پایتون؟

حتما این ضرب المثل معروف در ذهن تان هست که اگر به کسی ماهی بدهی، او را برای یک روز سیر میکنی و اگر به اون ماهیگیری بیاموزی، او را برای یک عمر، سیر خواهی کرد. آموزش برنامه نویسی با پایتون، آموزش ماهیگیری نیست، آموزش انتخاب بهترین روش برای یافتن غذاست. زبان پایتون در مهندسی هوافضا ممکن است که همیشه بهترین انتخاب نباشد، اما در اکثر مواقع دومین انتخاب مناسب است و گزینه دوم در اکثر موارد، بهتر از بهترین گزینه در تعداد محدودی از زمینه ها است. همه کاره بودن به این معناست که python می تواند برای ضبط یا داده ها، تحلیل ، نشان دادن، ذخیره سازی، انتشار آن ها در یک وبسایت و ارسال آنها از طریق ایمیل استفاده شود.

کاربرد هوش مصنوعی و پایتون در مهندسی هوافضا

به کمک زبان برنامه نویسی python می توان کدهایی برای بررسی تراست تولید شده و تراست مورد نیاز در هواپیما، فشار دینامیکی و نحوه تغییر آن با ارتفاع و سرعت در طول پرتاپ یک راکت، مختصات ایرفویل ها، مدل سازی 2 بعدی و 3 بعدی مدارها، تبدیل واحدها و .... نوشت.

بعنوان مثال از کاربرد پایتون در مهندسی هوافضا می توان استفاده آن را در تهیه گراف هایی از میزان تراست در دسترس و میزان تراست مورد نیاز برای هواپیمای ایرباس Airbus A321 در سطح دریا، در ارتفاع 10،000 پایی و ارتفاع 35،000 پایی، بیان کرد. این مثال این امکان را به ما می دهد که قابلیت python در رسم نمودار، کتابخانه ی مرتبط با گراف و توانایی در قبول ورودی های برنامه نویسی مثل نوشتن معادلات و تکرار آنها را مشخص کنیم.

هوش مصنوعی (Artificial intelligence) یا به اختصار AI علم هوشمند کردن ماشین ها است که بیش از 60 سال از ظهور آن می گذرد. در این دوران فراز و نشیب های زیادی را تجربه کرده است و امروزه شاید در پرکاربردترین حالت خود به سر می برد. با بررسی آمار می توان نشان داد امروزه استفاده از هوش مصنوعی برای سهولت فرآیندها یا کاهش هزینه های مالی، زمانی و انرژی در همه زمینه های زندگی بشر، نفوذ کرده است. صنعت هوافضا نیز از این قائده مستثنی نیست. در ادامه به چند کاربرد از هوش مصنوعی به کمک پایتون در مهندسی هوافضا می پردازیم.

•        پردازش تصویر های دریافت شده با استفاده از ماهواره ها به کمک هوش مصنوعی

•        هدایت و کنترل پهپادها و کمک به انجام ماموریت ها

•        پیش بینی تاخیر در پروازها

•        کمک به فضانوردان

•        ربات های فضایی

و ......

بررسی موارد بالا و بسیاری کاربردهای دیگر پایتون در مهندسی هوافضا که روز به روز در حال گسترش هستند نشان می دهد در آینده ی نزدیک، هوش مصنوعی و مهارت های مرتبط با آن از الزامات همه افراد فعال در حوزه های علمی، فناوری خواهد بود. مطمئنا یکی از مسیرهای فراگیری مباحث مربوط به هوش مصنوعی، آموختن تخصص یادگیری ماشین (machine learning) و سپس یادگیری عمیق (deep learning) است. و همانطور که می دانیم یکی از زبان های برنامه نویسی رایج برای کار در زمینه یادگیری ماشین، زبان برنامه نویسی پایتون است.

نویسنده: ستاره دهقان، کارشناس دپارتمان مهندسی هوافضا گروه آموزشی پارس پژوهان