İnsansız Hava Araçları için Kontrol Yüzey Kaybını Dengeleyici ve Yan Rüzgâr Koşullarında Çalışabilen Otomatik Uçuş ve İniş Sistemi Tasarımı

Transkript

1 İnanız Hava Araçları için Kontrol Yüzy Kaybını Dnglyici v Yan Rüzgâr Koşullarında Çalışabiln Otomatik Uçuş v İniş Sitmi Taarımı Coşku Kanakoğlu, Ünvr Kaynak, Arif Öndr Işıkman, Abdullah Giray Yağlıkçı, Fahrttin Koç Elktrik v Elktronik Mühndiliği Bölümü TOBB Ekonomi v Tknoloji Ünivriti/Ankara kanakoglu@tu.du.tr Makin Mühndiliği Bölümü TOBB Ekonomi v Tknoloji Ünivriti/Ankara ukaynak@tu.du.tr Öztç Bu çalışmada, haarlı bir inanız hava aracının (İHA) harktinin otomatik düzltilmi, özrk yrüfri v yan rüzgâra rağmn inişi götrilmktdir. Örnk olarak bir yön dümni kontrol rvou kilitlnmi l alınmıştır. Dğişik naryolara dayalı bnztimlr onucunda, taarlanan bu yni otopilotun bu kabil durumlarda uçağı başarı il mniyt ulaştırdığı görülmüştür. Anahtar Klimlr: Srvo kilitlnmi, otomatik düzltm, özrk yrüfr, doğrual olmayan dinamik modl, dümn kilitlnmi, alışılmadık durum, şgüdümüz harkt, otomatik iniş, yan rüzgâr.. Giriş Havacılık alanında karşılaşılan uçak kazalarının bir bölümünün kontrol yüzylrini dntlyn rvoların kilitlnmi onucu oluştuğu bilinmktdir vya bundan şüphlnilmktdir []. Bilhaa yön dümni kilitlnmi bu konuda başta gln şüphli durumdur [-3]. Pk çok uçak kazaının tmlind yattığı düşünüln başka bir bp d, yan rüzgâr koşulları altında yapılmaı grkn inişlrdir. Bu tür inişlrd uçağı kontrol tmk oldukça güçtür v buna ilavtn iniş takımlarının bu tür rüzgârlara dayanıklılığı ınırlıdır. Bu ndnl özllikl iniş ıraında mydana gln güçlü yan rüzgârlar, vahim onuçlar doğurma potaniylin ahip bir thlikdir [8-9]. Bir uçağın kontrol yüzyi kaybına uğramaı durumunda takip dn uçuş durumuna alışılmadık durum dnmkt olup uçuş a olarak şgüdüm dışıdır. Bunun bbi ağlam kalan kontrol yüzylrinin, ortaya çıkan anormal kuvvt v momntlri karşılamak üzr, normal olarak açılmaları grkn yönün tr yönünd açılmaları grkmidir. Kontrol yüzyi rvo kilitlnmi vya haarı oluştuğunda, haarın rkn vya otomatik tşhii, kalan yüzylri kullanarak uçuşa dvam dilmi v nihayt uçağın alimn yr indirilmi hayatı idam açıından çok önmlidir [4]. Hangi haar Şkil. RQ- Pionr İHA. (Fotoğraf: ABD Dniz Piyadlri) durumunda kalan kontrol ytnğiyl uçuşun dvam ttirilbilcği d önmli bir huu olup, kalan kontrol ytnği ytrli bil ola pilot için grkn iş yükü aşırı olabilir. Buna bir d haarlı uçağı mümkün olan n kıa ürd indirm zorunluluğu klnir v bu inişin yan rüzgâr koşularında grçklştirilmi grkbilcği hatırlanıra bu durumun bir inan pilot için n kadar zorlayıcı olabilcği takdir dilbilir. Bu ndnl böyl bir durumda kontrolü l alacak bir otomatik pilot taarımının ağlayacağı fayda açıktır. Bu konularda yapılan otomatik pilot taarımı il ilgili çalışmalar daha ziyad akıllı kontrol yönünd glişmktdir [5]. Bunlar araında bilhaa gürbüz kontrol, doğrual olmayan kontrol v on zamanlarda bulanık, gntik v inir ağı kontrol tkniklri göz çarpmaktadır [6]. Yukarıda özü gçn yüzy kaybı durumu il ilgili çalışmaların yanı ıra, yan rüzgâr koşulları altındaki uçuşlar v inişlr il ilgili d litratürd çalışmalar bulmak mümkündür [6-7]. Ancak hm yüzy kilitlnmi hm d yan rüzgârın aynı anda tkili olduğu durumlar için yapılmış bir çalışma bilinmmktdir.

2 Bu bildirinin amacı, bu iki ıkıntılı durumun birlikt görüldüğü koşularda uçağın kontrolünü ağlayacak v alimn yakın bir pit inişi grçklştirck bir otomatik pilot taarımı üzrind durmaktır. Bildirinin bundan onraki kımı aşağıdaki gibi düznlnmiştir: Önc problmin tanımı vrilck, ardından bnztimlrd kullanılan doğrual olmayan uçak modli tanıtılacaktır. Takip dn bölümd olağandışı uçuş durumu için otomatik pilot taarımından bahdilck, bu taarımın tkinliği MATLAB/Simulink bnztimlri il götrilcktir v Sonuç kımı il bildiri onlandırılacaktır.. Problmin Tanımı Bu çalışmada bir inanız hava aracı için alışılmamış (olağandışı) durumları v yan rüzgârları karşılayacak uçuş kontrol yaalarını kapayan bir otomatik pilot taarlanacaktır. Bu otopilotun bir yön dümni kilitlnmini takibn uçağı otomatik olarak düzltbilcği, uçağın abit irtifada bir manvra yaparak yakındaki bir havaalanının yaklaşma hattına girbilcği v uçağı indirbilcği götrilcktir. Bu amaçla, uçuş kontrol yaalarını türtmk için rbtç bulunabiln FDC. A SIMULINK Toolbox for Flight Dynamic and Control Analyi [7] bilgiayarlı bnztim v kontrol yazılımı kullanılacaktır. Bnztimlrd Airlib kütüphanindki RQ- Pionr inanız hava aracının (Şkil ) doğrual olmayan dinamik modli kullanılacaktır [5]. 3. Doğrual Olmayan Uçak Modli Doğrual olmayan uçak modlinin durum uzayı şkli uçak gövd, kararlılık v rüzgâr knlrind () d vrilmiştir. Burada x durum vktörü, F tot v M tot ıraıyla dış kuvvt v momntlrdir. x f( x, Ftot ( t), Mtot ( t)) () Durum vktörü rüzgâr knlrind T x V,,, p, q, r,,,, x, y, h () şklind vrilmkt olup burada V toplam hızı α v β hücum v kayış açıları, p, q, r gövd açıal hızları, φ, θ, ψ Eulr açıları, x, y v h yr bağlı ataltl knlrdir [7]. Arodinamik, itkil, yrçkimi v atmofr kuvvtlri F f ( x( t), u( t), v( t), t) (3) tot F M tot fm ( x( t), u( t), v( t), t) (4) şklind vrilmkt olup, örnğin arodinamik kuvvt v girdi vktörlri F f ( x, x, u ) (5) aro aro aro uaro, a, r, Fx, uw, vw, ww (6) şklinddir. Burada δ lvatör açıını, δ a lron açıın, δ r yön dümni açıını, F x uygulanan itkiyi, u w, v w, v w w d uzunlamaına, yanlamaında v dik knlrdki rüzgar şiddtlrini tmil tmktdir. Arodinamik kuvvt v momntlr i kararlılık türvlri adı vriln boyutuz katayılarla (C Xa, C Ya, C Za, C la, C ma, C na ) tanımlanırlar [7]. Örnğin, uzunlamaına knd arodinamik kuvvt aşağıdaki gibi vrilir: 3 X X X X X C C C C C a 3 qc CX C q X r CX f C X f V r f f T (7) Pionr inanız hava aracının bilgiayar modli için FDC yazılımı içind MATLAB/SIMULINK in Airlib [5] modli kullanılmaktadır. 4. Olağandışı Uçuş Durumu v Yan Rüzgâr İnişi için Otomatik Pilot Taarımı Bu bölümd örnk olarak uçak 4 m/ hızla v m yükklikt normal uçuşunu grçklştirirkn yön dümninin on drclik bir açıda (yani r.745 rad ) ıkıştığı durum inclncktir. Buna k olarak uçağın iniş naında 8 m/ şiddtind bir yan rüzgâra maruz kaldığı farz dilcktir. Kontrolüz uçuş durumu için Airlib Kütüphani dâhilindki doğrual olmayan Pionr İHA modli kullanılarak grçklştiriln SIMULINK bnztim onuçları Şkil v 3 t görülbilir. Şkillrdn görülbilcği üzr uçak kndi kni trafında dönmy başlamakta, irtifa kaybtmkt v 4 aniydn daha kıa bir ür içind yükk bir hızla yr vurmaktadır. Bu ür bir inan pilotun uçağı kurtarmak için uygun bir tpki götrbilmi için oldukça kıa v ytriz bir ürdir. Bu da, böyl acil durumlara müdahal dck bir otomatik pilot taarımının büyük fayda ağlayacağının bir götrgidir. Otomatik pilot taarımı için ilk adım, itniln şartları ağlayan bir çalışma noktaı haplanmaıdır. Bunun için MATLAB altındaki Control and Etimation Tool Managr aracından v Airlib kütüphanindki fonkiyonlardan faydalanılmıştır. Uçağın yön dümninin on drcy kilitlndiği durumda, ağlanmaı grkn şartlar aşağıdaki gibi ifad dilbilir v 4 m /, z m, δr.745 rad, vw 8 m / α β p q r (8) t t t t t ψ θ z t t t t Bu şartları ağlayan bir çalışma noktaı aşağıdaki gibi haplanmıştır x v,,, p, q, r,,,, x, y, z 4,.68,.5,,,, -. 5,.8,.75,,, (9), 8, -.5,.75 u Fx,, a, r Yön dümni kilitlnmi durumunda İHA, itniln hız v yükklikt uçmaya dvam dbilmk için olağandışı bir durumda uçmak zorundadır. Bu durumu daha nt anlayabilmk için yana kayma açıı ( rad ) v yatış açıı ( rad ) dğrlrinin ıfırdan farklı olduğu gözlmlnbilir ki bu da uçağın yana yatmış olduğu v kayarak uçmakta olduğu anlamına glmktdir. Yön dümni kilitlnmi durumunda griy kullanılabilck adc üç tan giriş ( F, v ) kaldığı için bu girişlri kullanarak n fazla üç çıkışı kontrol tmk mümkün olacaktır. Bu çıkışlar uçağın hızı vm ( / ), yükkliği z( m ) v uçuş yönü ( rad ) olarak y v, z, olarak çilmiş olup, bu durumda çıkış vktörü x a

3 v (m/) q (rad/) alpha (rad) r (rad/) bta (rad) pi (rad) p (rad/) thta (rad) v, dz, + - Dış Kontrolcü -.5 phi (rad) - - z (m) Ay (g) chi (rad) İç Kontrolcü Uçak Modli Şkil. Doğrual olmayan uçak modlinin v 4 m/ hızda v h m yükklikt yön dümni ıkışmaı v yan rüzgâr durumu altındaki kontrolüz SIMULINK bnztimlri. z (m) y (m) - - x (m) 3 Şkil 3. Doğrual olmayan uçak modlinin v 4 m/ hızda v h m yükklikt yön dümni ıkışmaı durumu v yan rüzgâr altındaki kontrolüz SIMULINK bnztimlri. ifad dilbilir; burada ( rad ) uçağın apma açııdır. Uçuş yönünü ( ) dğiştirmk için uçağın yana yatırılmaı (yani açıının dğiştirilmi) grklidir. Bu ndnl önc yatış açıı yi itniln bir dğr gtirck bir iç kontrolör taarlandıktan onra, uçuş yönünü itniln bir açıına gtirmk için grkn yatış açıını ürtck bir dış kontrolör oluşturulacaktır (bkz Şkil 4). İç kontrolörün taarımı için önc doğrual olmayan uçak modli çalışma koşulları olan ( x, u ) noktaı trafında doğruallaştırılmıştır. Bu işlmin onucunda aşağıdaki gibi bir doğrual durum uzayı itmi ortaya çıkmıştır. vdz,, Şkil 4. Otopilot taarımı için kullanılan kapalı çvrim itminin yapıı. x Ax Bu G () y CxDu Burada çıkış vktörü y kontrol dilmi itniln inyallrdn oluşmaktadır, yani y [, v dz, ] ; burada dz : dz / dt olup uçağın yüklm/alçalma hızını tmil tmktdir. Bu aşamada amaç, G itmi için vriln bir y ( v, dz,, ) rfranını takip dck bir kontrolcü taarlamaktır; bunun için çvrim şkillndirm tkniği kullanılacaktır. Kıaca öztlmk grkir çvrim şkillndirm tkniği il taarlanan K kontrolcüü, kapalı çvrim itmini kararlaştıracak v GK tranfr fonkiyonun igma çizginin şklini itniln bir G d şklin mümkün olduğunda yakın kılacak bir H kontrolördür [-4]. Eldki kontrolör taarımı için itniln çvrim şkli G d aşağıdaki gibi çilmiştir Gd diag,,, () Burada diag kıaltmaı köşgn (diyagonal) matri için kullanılmıştır. Yukarıda çiln çvrim şklinin ld dilmi dmk, ( v, dz,, ) rfranlarından (, vdz, ) çıkışlarına tanımlanan kapalı çvrim tranfr fonkiyonu matrii T() G () d I Gd in yaklaşık olarak aşağıdaki gibi olmaı dmktir T diag,,, () Bu da köşgnlrd kalan kanalların 5 5 içind bir yakınamaı, köşgn dışı kanalların da ıfırda kalmaı dmktir. Bu da itniln rfran takiplrinin başarılmaı, bunun yanında ilgiiz komutlar v tpkilr araındaki tkilşimin ortadan kaldırılmaı anlamına glir. Taarlanan kontrolcü v doğruallaştırılmış uçak modli il oluşturulan kapalı çvrim itminin birim baamak cvabı Şkil 5 t görülbilir.

4 Amplitud To: v (m/) To: z dot (m/) To: phi (rad) Sonraki adım, itniln bir uçuş yönündn ( ) grkli yatış açıı komutunu ( ) ürtn bir dış kontrolör taarlanmaı v yukarıda ld diln iç kontrolörün çvrin arılmaıdır (bkz. Şkil ). Bu iş için ihtiyaç duyulan kontrolcü tk giriş v tk çıkışlı bir kontrolcü olduğundan, bait bir oranal türvl intgral (PID) kontrolcü kullanılmaı uygun görülmüştür. Sitmin fizikl olarak daha grçklnbilir olmaı v türvdn gln gürültü tkilrinin azaltılabilmi için türv trimin bir filtr klnmiştir. Öztl, kullanılan kontrolcü aşağıdaki biçimddir Φ Ki Kd K p (3) Χ / N Burada kontrolcü katayıları dnyl olarak K p 4, Ki 3, Kd 3 v N biçimind blirlnmiştir. Son olarak bu dış kontrolcü, daha yukarıda taarlanan iç kontrolcü v doğrual olmayan Pionr İHA modli Şkil 4 t götrildiği gibi bağlanarak SIMULINK bnztimlri yapılmıştır. Bnztimlrd l alınan naryo aşağıdaki gibidir: Pionr İHA pcurrnt (,) konumunda ikn, currnt yönünd v 4 m/ hızla v z m yükkliğind ilrlrkn t anında yön dümni rvou ıkışmış v yön dümni lik bir açıya kilitlnmiştir. Bu durumda İHA nın acil iniş yapmaı grklidir. İHA nın inbilcği n yakın pit prunway (399 m,5 m) konumunda bulunmaktadır v pit yaklaşma yönü 3 drcdir. İlk amaç İHA nın hızını v yükkliğini muhafaza drk aracı pit n az 5 m uzaklıkta bir hdf noktaya gtirmk v bu noktadaki uçuş yönünü pit yaklaşma yönü il uyumlu hal gtirmktir; yani bu noktadaki uçuş yönü targt rad olmalıdır. Bu hdf nokta bait gomtrik haplamalar il p ( m, m) olarak ld dilbilir. Uçak targt From: v (m/) command Stp Rpon From: z dot (m/) command Tim (c) From: phi (rad) command Şkil 5. v 4 m/ v h m çalışma noktaı trafında doğruallaştırılmış uçak modlinin kapalı çvrim birim baamak cvabı. v (m/) (rad) bu noktaya ulaştıktan onra iniş prodürlri başlatılarak uçağın p runway konumundaki pit indirilmi grkmktdir. Bu iniş, 8 m/ şiddtindki bir yan rüzgâr altında yapılacaktır. İniş ıraında uçağın hızını 4 m/ dn 5 m/ y indirmi grkmktdir. Aynı zamanda uçağın, inişin on kıımlarında alçalma hızını azaltmaı, yani dz yi arttırmaı arzulanmaktadır. Bunun bbi uçağın yr iniş anında burnunun havada olmaını, başka bir dyişl açıının pozitif olmaını ağlamaktır. Uçağı başlangıç noktaı p currnt dan hdf nokta p targt a yönlndirck v daha onra prunway konumundaki pit indirck manvralar için uygulanan rfran inyallri Şkil 6 da götrilmiştir. Burada inyalinin iç kontrolcü tarafından otomatik olarak ürtildiğini hatırlayınız (bkz. Şkil 4); bu bpl bu rfran diğrlrin gör daha az düzgün nitliktdir. Ayrıca inişin on aşamalarında dz nin arttığına dikkat diniz. Kapalı çvrim itminin yukarıda anlatılan naryo altındaki SIMULINK bnztim onuçları Şkil 7-8 d görülbilir. Bu şkillrdn uçağın itniln yörüngyi oldukça yakın bir biçimd takip ttiği, itniln uzaklıkta ( 5 m ) pit il hizalandığı v bunun ardından başarılı bir şkild pit iniş yaptığı gözlmlnmktdir. 5. Sonuçlar -4 5 Bu çalışmada, haarlı bir inanız hava aracının harktinin otomatik düzltilmi v özrk yrüfri için alışılmadık durumları v yan rüzgâr koşullarını kapayan bir otomatik pilot gliştirilmiştir. Otomatik pilot taarımı çvrim şkillndirm tkniklri kullanılarak yapılmış olup uzunlamaına v yanlamaına harktlrin tkilşimi açık olarak l alınmıştır. Glck çalışmalarda, farklı rvo kilitlnmlri v farklı uçak modllri l alınacaktır. (rad) dz (m/) Şkil 6. Doğrual olmayan uçak modlinin v 4 m/ hızda v h m yükklikt yön dümni ıkışmaı v yan rüzgâr durumu altındaki kontrollü SIMULINK bnztimlrind kullanılan rfran inyallri.

5 y (m) v (m/) q (rad/) x phi (rad). 5 alpha (rad) r (rad/) z (m) x (m) x 4 6. Tşkkür Yazarlar Th Flight Dynamic and Control (FDC) Toolbox için Dr. Marc Rauw v Airlib toolbox için Dr. Giampiro Campa ya tşkkür drlr. 7. Kaynakça Ea Gzing Rfran Gzing Balangıç Konumu İniş Başlangıcı Pit Konumu Şkil 8. Doğrual olmayan uçak modlinin v 4 m/ hızda v h m yükklikt yön dümni ıkışmaı v yan rüzgâr durumu altındaki kontrollü SIMULINK bnztimlri. [] National Tranportation Safty Board, Aircraft Accidnt Rport, PB9-946, NTSB/ARR-9/6, Unitd Airlin Flight 3, McDonnll Dougla DC-, Sioux Gatway Airport, Sioux City, Iowa, July 989. [] Th Joint Unmannd Combat Aircraft Sytm (J-UCAS) program ponord by DARPA. bta (rad) Ay (g) pi (rad) p (rad/) thta (rad) chi (rad). 5-5 Şkil 7. Doğrual olmayan uçak modlinin v 4 m/ hızda v h m yükklikt yön dümni ıkışmaı v yan rüzgâr durumu altındaki kontrollü SIMULINK bnztim onuçları. [3] Brady C., Th Ruddr Story, Th Boing 737 Tchnical Guid, 7. [4] Burcham, Frank W., Jr., Trindl A. Main, C. Gordon_Fullrton, and Lanni Dan Wbb, Dvlopmnt and Flight Evaluation of an Emrgncy Digital Flight Control Sytm Uing Only Engin Thrut on an F-5 Airplan, NASA TP-367, Spt [5] Gundy-Burlt, K., Krihnakumar, K., Lim, G., Bryant, D., "Augmntation of an Intllignt Flight Control Sytm for a Simulatd C-7 Aircraft". JACIC 4, Vol. no. (56-54). [6] Kanhig, John, John Bull, and Joph J. Totah, Gnric Nural Flight Control and Autopilot Sytm, AIAA -48, Augut. [7] Rau, M., FDC. A Simulink Toolbox for Flight Dynamic and Control Analyi, nd Edition, May,, [8] Rydyk, Rolf T., and Anthony J. Cali, Fault Tolrant Flight Control via Adaptiv Nural Ntwork Augmntation, AIAA , Augut 998. [9] Stvn, B.L. and Lwi, F.L., Aircraft Control and Simulation, Wily,, 3. [] Tj, R.T.H., Muldr, J.A., Stability and Control Drivativ of th D Havilland DHC- Bavr Aircraft, Rport LR-556, Dlft Univrity of Tchnology, Faculty of Aropac Enginring, Dlft, Th Nthrland, 988 [] Gag, S., Fly a Plan, Sptmbr, 4, 4, MATLAB Cntral. [] L, V.X., and Safonov, M.G., Rational matrix GCD' and th dign of quaring-down compnator--a tat pac thory. IEEE Tran. Autom.Control, AC- 36(3):384-39, March 99. [3] Gundy-Glovr, K., and McFarlan D., Robut tabilization of normalizd coprim factor plant dcription with H-boundd uncrtainty. IEEE Tran. Autom. Control, AC-34(8):8-83, Augut 99. [4] Chiang, R.Y., and Safonov, M.G., H-infinity ynthi uing a bilinar pol-hifting tranform. AIAA J. Guidanc, Control and Dynamic, 5(5):-5, Sptmbr-Octobr 99. [5] Campa, G., Airlib Toolbox, Fbruary 3, 3, 9-airlib, MATLAB Cntral. [6] Riborough, P., Automatic tak-off and landing control for mall UAV, 5th Aian Control Confrnc, 4. [7] Booth, E.M. and Lddr, H.J., Dirct Sid Forc Control for STOL Crowind Landing, Journal of Aircraft, : , 974. [8] CBS Nw, Exprt Cit Crowind In Dnvr Crah, January 9. n html [9] Pirc County Hrald, Crowind may hav caud plan crah in Sauk County, April. 4/group/Nw/