Dört Pervaneli Hava Aracı Deney Düzeneğinin Kontrol Eğitiminde Kullanılması

Transkript

1 Dört Pervaneli Hava Aracı Deney Düzeneğinin Kontrol Eğitiminde Kullanılması M.Kemal Bayrakçeken, Aydemir Arısoy Elektronik Mühendisliği Bölümü, Hava Harp Okulu, Yeşilyurt İstanbul {k.bayrakceken, Özetçe Bu bildiride, lisans düzeyinde kontrol eğitimini iyileştirme ana hedefi altında derse olan ilgi ve isteği artırma, öğrenmeyi geliştirme gibi alt hedefleri gerçekleştirmek üzere, dört pervaneli hava aracı deney düzeneği kullanılarak yürütülen ders içi faaliyetler ele alınmıştır. Tasarımdan imalata kadar her aşaması Hava Harp Okulu Elektronik Mühendisliği Bölümü nde gerçekleştirilen deney düzeneği ilgili kaynakçada detaylı olarak anlatılmıştır. Burada teknik içerikten ziyade öğrenme hedefleri, hedeflere ulaşma yöntemleri ve hedeflere ne ölçüde ulaşıldığına yönelik öğrenci geri besleme analizleri ele alınmıştır. Bu kapsamda ders için uygulamalar detaylı olarak incelenmiş ve anket değerlendirmeleri grafiksel olarak sunulmuştur. Genel olarak düzeneğin kontrol eğitimini iyileştirmede başarılı olduğu sonucuna varılmasına karşın devamlı gelişme ihtiyacı olduğu vurgulanmıştır. 1. Giriş Teknolojinin gelişmesi ile birlikte başta görsel ve işitsel olmak üzere her türlü sayısal bilgi paylaşımı önemli ölçüde kolaylaşmış ve hızlanmıştır. Buna bağlı olarak toplumun neredeyse tüm kesimlerine mensup öğrenciler bu sayısal medya çağlayanından az ya da çok etkilenmektedirler. Bu etkinin faydalı yoksa zararlı mı olduğu bildiri kapsamı dışındadır ancak öğrencilerin derslere olan ilgi ve isteklerinin artırılması konusunda eğitimcileri zor bir süreç beklemektedir. Özellikle lisans düzeyinde etkisini hissettiren bu süreçte tüm eğitim faaliyetlerinin çağın ihtiyaçlarına ve beklentilerine uygun olarak ele alınması ve değerlendirilmesi gerekmektedir. Aksi takdirde aktarılmak istenen bilgiyi almaya gönüllü olmayan, daha ötesi bu bilginin gerekliliğine inanmayan bir öğrenci kitlesi ile baş başa kalınabilir. Tek bir fare tıklaması ile onlarca saat ders içeriğine üstelik görsel ve işitsel olarak anında erişebilen öğrencilerin alışılagelmiş ders işleme yöntemleri ile isteklendirilmesi mümkün gözükmemektedir. Bu sorunu kökünden çözebilecek tek bir yöntem bulunmamakla birlikte, özellikle kontrol alanında ders içeriklerinin gerçek uygulamalarla zenginleştirilmesi ve laboratuvar uygulamalarının artırılması çözüm olarak önerilmektedir. Kuramsal bilginin deneysel çalışmalarla zenginleştirilmesi ve bu yöntemle kontrol eğitiminde iyileştirmenin hedeflenmesi pek çok çalışmada ele alınmıştır. Örnek olarak dspace gerçek zamanlı kontrol sistemleri ailesi işlemci gücü ve kullanımı kolay arayüzü ile eğitimci ve araştırmacıların ilgisini çekmektedir. Endüksiyon motor kontrolü [1,2]; eğitim amaçlı motor kontrol sistemi [3]; genel amaçlı doğrusal olmayan platform [4]; kaydırma önleyici fren sistemi düzeneği; rüzgârdan enerji üreten donanımlı benzetim sistemi [5]; etkileşimli gerilim dönüştürücü [6] ve manyetik kaldırma düzeneği için sayısal kontrol sistemi tasarlanması [7] gibi çalışmalar dspace mimarisi üzerinde gerçekleştirilmiştir. Diğer yandan sayısal işaret işleyiciler ve mikrodenetleyiciler de gerçek zamanlı çalışma ortamları oluşturmak için oldukça uygundur. Bu alanda, robot uygulamaları için ilk örnek oluşturma ortamı [8], kontrol deneyleri için eğitsel motorlu düzenekler [9,10] ve düşük maliyetli sıcaklık kontrolü deneyi [11] gibi çalışmalar örnek gösterilebilir. Örneklerin sayısı ve çeşitliliği artırılabilir. Daha ileri düzeyde araştırmalar için mühendislik eğitimi alanında hazırlanmış olan incelemelere [12-14] bakmak faydalı olacaktır. Dört rotorlu hava araçları araştırmacılar, akademisyenler ve her seviyede meraklılar için oldukça çekici bir çalışma ortamı sunar [15-19]. Bu ilginin sebeplerinden bazıları dört pervaneli hava araçlarının alışılmış helikopterlere göre mekanik aksamlar içermemesi, laboratuvar ortamında imalat ve idamelerinin kolay olması, doğrusal olmayan dinamiklere bağlı zorlayıcı bir kontrol problemi oluşturmalarıdır [17]. Ayrıca, dört pervaneli sistemlerin giderek yaygınlaşması, bu sistemlerin acrobot ve pendubot gibi bilinen doğrulama ortamları arasında yer almalarını sağlamıştır. Dört pervaneli hava araçları üzerinde farklı kontrol yöntemleri ile yapılmış pek çok çalışma mevcuttur [15,18,20]. Bu çalışmada anlatılan eğitsel düzenek çok yönlü bir mafsal üzerinde sabitlenmiştir. Bildiri boyunca düzenek kelimesi dört pervaneli yapıyı belirtmek için kullanılmıştır. Tüm mekanik ve elektriksel yapı eğitim ihtiyaçları düşünülerek laboratuvarda imal edilmiştir. Yapısal sabitler deneysel olarak hesaplanmıştır ve PD (Proportional Derivative - Oransal Türevsel) kontrol yöntemi kullanılmıştır. PD kontrol yöntemi lisans müfredatında bulunduğundan eğitim için uygun bir yöntem olarak değerlendirilmiştir. Lisansüstü çalışmalar 656

2 Otomati k Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK-2012, Ekim 2012, Niğde için ise bulanık mantık, sinir ağları ve kayan kipli kontrol gibi yöntemler kullanılabilmektedir [17]. Dört pervaneli hava aracının dinamiği ve kontrolü ile eğitim düzeneğinin tasarım ve imalatına ilişkin teknik detaylar ilgili kaynakçada [21] verilmiş olup bu bildiride sadece eğitim yönü incelenmektedir. Düzeneğin ana işlemci birimi dspace ds1103 sistemidir. Ürünün simulink yazılımı ile programlanabilme özelliği kolaylık sağlamakta, üretici tarafından sağlanan controldesk yazılımı ile de bilgisayar üzerinden tüm simulink değişkenleri gerçek zamanlı olarak değiştirilebilmektedir. Eğitim ortamı ile ilgili teknik detaylar ilgili kaynaklarda [21,22] bulunmaktadır. Eğitim düzeneği başta kontrol olmak üzere farklı disiplinlerde eğitim amaçlı olarak kullanılmaya uygundur. Özellikle Hava Harp Okulu gibi eğitim faaliyetini uçuş isteklendirmesi ile sürdüren okullarda bu tip düzeneklerin öğrenciler üzerinde oldukça olumlu etkileri olduğu gözlemlenmektedir. Eğitim düzeneği bu hedef doğrultusunda lisans düzeyinde Otomatik Kontrol, Uçuş Kontrol Sistemleri, Kontrol Sistem Teorisi/Tasarımı ve Kontrol Sistemleri Laboratuvarı gibi derslerde gerek ders içi uygulamalarda gerekse laboratuvar derslerinde kullanılmaktadır. Bu bildirinin temel amacı düzeneğin eğitim yönünü detaylı bir şekilde ortaya koymaktır. Bu kapsamda Otomatik Kontrol dersinde gerçekleştirilen ders içi uygulamalar ayrıntılı bir şekilde ele alınmıştır. Öğrenme hedefleri belirlenmiş, öğrenme çıktıları sorulu ifadelerle denetlenmiştir. Son kısımda öğrenci geri beslemeleri analiz edilmiş ve uygulanan yöntemin başarısı öğrenci ve eğitmenlerin gözüyle değerlendirilmiştir. 2. Ders İçi Uygulamalar Ders içi uygulamalar eğitmen tarafından 45 dakikalık ders saati içinde uygulanır. Eğitim düzeneğinin tüm yazılım ve donanım bileşenleri uygulamalarda kullanılır. Temel olarak kuramsal anlatımdan önce ve sonra olmak üzere iki tip uygulama mevcuttur. Kuramsal anlatım öncesi uygulamalar sorunu gösterip merak uyandırmak, kuramsal anlatım sonrası uygulamalar ise bilgilerin daha iyi yerleşmesi ve gerçek hayatla bağlantı kurma amacıyla gerçekleştirilir. Otomatik kontrol dersinde gerçekleştirilen ders içi uygulamalar Tablo 1 de özetlenmiştir. Detaylı anlatım ise takip eden paragraflarda verilmiştir. istenir. Birkaç adım sonra mutlaka çizgiden sapma olacaktır. Burada gözlerin geri beslemesi olmaksızın hatasız yürünemeyeceği vurgulanır ve ardından düzenek çalıştırılır. Ataletsel duyarganın düzeneğin bir anlamda gözleri olduğu belirtilir. Daha sonra ataletsel duyarga kapatılır ve düzeneğin sabitlenemediği görülür. Kuramsal anlatımdan sonra düzenek çalıştırılır ve Şekil 1 deki kontrol yapısı ve Şekil 2 deki Simulink modeli perdeye yansıtılır. Açık ve kapalı çevrim kontrolör yapısı hem şekiller üzerinde hem de düzenek üzerinde gösterilir. Gerçek hayattan açık ve kapalı çevrim kontrol sistemlerine örnekler verilen bir tartışma başlatılır. (ϕ,θ,ψ) Giriş φφ 0 θθ 0 ψψ 0 Yunuslama PD Sapma PD Yalpa PD 2.2. Dinamik Modelleme Denklem Çözme (φφ, θθ, ψψ, φφ, θθ, ψψ ) Şekil 1: Kontrol yapısı Kuramsal anlatımdan önce düzenek çalıştırılır ve Şekil 3 te verilen koordinat düzlemi ve (1)-(3) numaralı denklemler perdeye yansıtılır. Denklemlerdeki semboller [21] de verildiği üzere öğrencilere açıklanır ve öğrencilerin ön bilgi olmaksızın denklemlerle düzeneğin manevraları arasında bağıntı kurmaları istenir. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Ω 1 Ω 2 Ω 3 Ω 4 Ataletsel Duyarga Dinamik Sistem (1) (2) (3) 2.1. Geri Besleme Temelleri Kuramsal anlatımdan önce gönüllü bir öğrenciden gözlerini kapatması ve düz bir çizgi üzerinde yürümesi 657

3 Şekil 2: Simulink yazılımı ile oluşturulmuş model Konu No Tablo 1: Ders İçi Uygulamaların Öğrenme Hedefleri ve Çıktıları Öğrenme hedefleri (Öğrenci ) önce/ sonra Öğrenme çıktılarını denetleyici sorular Geri beslemeyi tanımlayın. 1 geri beslemenin ne olduğunu bilir. önce Geri besleme örnekleri verin Geri Besleme Temelleri Çevrenizde açık ve kapalı çevrim kontrol sistemlerine geri beslemenin kontrol sistemlerine 2 sonra örnekler verin. nasıl uygulandığını bilir. Basit açık ve kapalı çevrim kontrol sistemleri tasarlayın. Dinamik modelin çıkış noktası olan fiziksel bağıntılar nelerdir? 3 dinamik modelin ne olduğunu bilir. önce Bir sistemin dinamik modeli ile davranışları arasında nasıl bir Dinamik benzetim kurulabilir? Modelleme Sistem değişkenleri nasıl elde edilebilir? 4 dinamik model değişkenlerini bilir. sonra Herhangi bir sistem değişkeninin sistem üzerindeki etkisi nasıl bulunur? Kararlılık kararlılığın ne olduğunu bilir. 5 kararlı olma veya olmama belirtilerini bilir. önce Bir sistemin davranışlarını gözlemleyerek o sistemin kararlılığı hakkında nasıl bilgi edinilir? Kararlılık analizi neden gereklidir? Zaman Tanım 6 geçici ve kararlı hal yanıtlarını bilir. önce Geçici ve kararlı hal cevapları nasıl ayırt edilir? Bölgesi kararlı hal hatalarına nelerin neden Analizi 7 olduğunu bilir. sonra Gerçek hayattan kararlı hal hatalarına örnekler verin. Kuramsal anlatımdan sonra (1)-(3) numaralı denklemlerdeki değişken ve terimlerin etkileri gösterilir. Buradaki amaç sistemin dinamik modeli ile davranışları arasında var olan ilişkinin düzenek üzerinde görülmesidir. Bunun için controldesk arayüzü kullanılarak (1)-(3) numaralı denklemlerdeki,,,,,, ve değişkenleri ile coriolis terimleri olan,, ve gerçek zamanlı olarak değiştirilir ve sonuçlar öğrencilerle tartışılır Kararlılık Kuramsal anlatım öncesinde düzenek çalıştırılır ve sıfır konumuna getirilir. Şekil 4 de verilen controldesk arayüzü perdeye yansıtılır ve bu arayüz üzerinde düzeneğe 0.1 radyan yunuslama açısı uygulanır. Düzeneğin istenen açıda sabitlenmesi kararlılık örneği olarak gösterilir. Ardından yunuslama eksenindeki P oransal kazancı 2 katına çıkarılır ve düzenek tekrar sıfır konumuna getirilmek istenir. Salınıma başlayan ve sıfır konumunda sabitlenemeyen sistemin kararsız duruma geçtiği belirtilir. P kazancının önceki değer getirilmesi ile düzenek salınımdan çıkar ve istenen sıfır konumunda sabitlenir. Kararlı ve kararsız sistemlerin günlük hayatımızdaki örnekleri üzerine tartışma ile uygulama tamamlanır. 658

4 Fi* 3. Öğrenci Geri Beslemeleri Analizi *i= θ: pitch φ: roll 3 ψ: yaw z Şekil 3: Koordinat Sistemi 1 2 τ i * Öğrenci geri beslemeleri öğrenme hedeflerine ne kadar ulaşıldığını ölçmede önemli bir veri kaynağıdır. Sınav sonuçları öğrencilerin kavrama düzeyini ölçmede yeterli sayılabilir ancak dersin ne derece isteklendirildiği konusunda yetersizdir. Ders sonrası anketler bu açığı bir ölçü de kapatabilir ancak onlar da öğrencilerin içinde bulundukları ruh hali ve arkadaş ortamından etkilenmeye açık olduğundan yeterli olmazlar. Eğitmenlerin dikkatli gözlemleri ile geriye kalan açık noktaların da kapatılabileceği değerlendirilmektedir. Ders içi uygulamalar öğrencilerle doğrudan iletişim kurulduğu için öğrencilerin derse olan ilgi ve isteklerini devamlı takip edilebileceği bir faaliyet olmaktadır. Otomatik kontrol dersinde 2012 yılında yapılan ders içi uygulamaların öğrenciler tarafından değerlendirilmesi Şekil 5 te verilmiştir. Buna göre sadece 8 öğrenci uygulamaları beğenmemiştir. Bu karşın yetersiz cevapları ilgili konularda iyileştirme ihtiyacı olduğunu belirtmektedir. Anket sonuçlarına ek olarak 2011 ve 2012 yıllarında eğitimcilerin gözlemleri düzeneğin Otomatik Kontrol dersine yönelik isteklendirmeyi önemli ölçüde artırdığını işaret etmektedir. Diğer yandan, ders içi uygulamalar esnasında öğrencilerle yakın iletişimde bulunulmakta, bu sayede gerek öğrenme amaçlarına ulaşılma derecesi gerekse öğrencilerin isteklendirme seviyesi gözlemlenebilmektedir. 4. Tartışma Şekil 4: Controldesk arayüzü 2.4. Zaman Tanım Bölgesi Analizi Kuramsal anlatım öncesinde düzenek sıfır konumunda çalıştırılır ve Şekil 4 controldesk ekranı tahtaya yansıtılır. Yunuslama ekseninde 0.1 radyan giriş uygulanır ve sistem cevabı üzerinde en büyük aşım, en büyük aşım zamanı, yükselme zamanı ve yerleşme zamanı gibi değerler işaretlenir. Daha sonra tanım yapmaksızın bu değerlerin ne manaya gelebileceği tartışılır. Kuramsal anlatımdan sonra kararlı hal hatalarının doğrusal olmayan nedenleri üzerinde durulur. Eyleyicilerin doyuma ulaştığı ve ölü çalışma bölgelerinin oluşturulabilmesi için motorları süren analog işaretlere fazladan artı ve eksi yönde 0.25V dc gerilim uygulanır. Örnekleme hatası için ataletsel duyarga tazeleme frekansı 200Hz den 50Hz e düşürülür. Bu durumların gösterilmesinden sonra öğrencilerin benzer örnekler göstermesi ve çözüm yolları önermeleri istenir. Sunulan eğitsel düzenek ve ders içi uygulamalar Hava Harp Okulu Elkt.Müh.Böl. nde kontrol eğitimi alanında önemli iyileştirmeler sağlamıştır. Öğrencilerin uçuş faaliyetlerine yönelik isteklendirmeleri kontrol alanı ile birleştirilerek olumlu sonuçlar alınmıştır. Bu tip uygulamalarla zenginleştirilen derslerin gerçek hayatla bağlantıları kurulmakta ve giriş kısmının ilk paragrafında irdelenen dersin niye öğretildiği ve neden gerekli olduğu sorularına cevap verilmektedir. Ders içi uygulamaların öğrenme hedeflerinin, bu hedeflere hangi şekilde ve ne kadar ulaşıldığının ortaya konması faaliyetin devamı ve geliştirilmesi açısından önem taşımaktadır. Ayrıca öğrenci geri beslemelerinin düzenli olarak takip edilmesi ve her sene öncekilerle karşılaştırılması uygulamaları yapıcı hale getirecektir. Aksi takdirde ders içi uygulamaların temel çıkış noktası olan öğrencileri isteklendirilmesi ve bu yolla öğrenmenin iyileştirilmesi gerçekleştirilemez. Anket sonuçlarının olumlu olmasına karşın göre ders içi uygulamaların geliştirilme ihtiyacı bulunmaktadır. Bu kapsamda ders içeriklerinin de gözden geçirilmesinin faydalı olacağı değerlendirilmektedir. 659

5 Öğrencilerin yüzde oranı 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Çok iyi (5) İyi (4) Orta (3) Yetersiz (2) Kötü (1) Şekil 5: 2012 Yılı Otomatik Kontrol Dersi Anket Sonuçları 5. Kaynakça [1] S. Tuncer, "A new integrated education environment for induction motor drives," Computer Applications in Engineering Education, vol. 19, pp , [2] C. Versèle, O. Deblecker, G. Bury, and J. Lobry, "Implementation of advanced control schemes using dspace material for teaching induction motor drives," International Journal of Electrical Engineering Education, vol. 47, pp , [3] W. Dongmei, H. Ogai, M. Ogawa, M. Maruto, J. Kusaka, and J. Pengfei, "Engine control education system," in SICE Annual Conference, 2008, 2008, pp [4] Y. Tarte, C. YangQuan, R. Wei, and K. Moore, "Fractional Horsepower Dynamometer - A General Purpose Hardware-In-The-Loop Real- Time Simulation Platform for Nonlinear Control Research and Education," in Decision and Control, th IEEE Conference on, San Diego, 2006, pp [5] S. Hai-Hui and T. De, "Study on Hardware-inthe-loop-simulation of Wind Power Based on dspace," in Computational Intelligence and Natural Computing Proceedings (CINC), 2010 Second International Conference on, 2010, pp [6] I. Sefa, N. Altin, S. Ozdemir, and M. Demirtas, "dspace based control of voltage source utility interactive inverter," in Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, SPEEDAM International Symposium on, 2008, pp [7] P. S. Shiakolas and D. Piyabongkarn, "Development of a real-time digital control system with a hardware-in-the-loop magnetic levitation device for reinforcement of controls education," Education, IEEE Transactions on, vol. 46, pp , [8] H. Kao-Shing, H. Wen-Hsu, S. Gaung-Ting, and C. Kim-Joan, "Rapid Prototyping Platform for Robotics Applications," Education, IEEE Transactions on, vol. 54, pp , [9] A. Tekin, F. Ata, and M. Gökbulut, "Remote control laboratory for DSP-controlled induction motor drives," Computer Applications in Engineering Education, [10] D. Montesinos-Miracle, S. Galceran-Arellano, A. Sudrià-Andreu, and O. Gomis-Bellmunt, "A new low-cost DSP educational tool for a laboratory for motor control," International Journal of Electrical Engineering Education, vol. 46, pp , [11] M. Moallem, "Design and implementation of computer control software: a low cost laboratory setup," Control Systems, IEEE, vol. 25, pp ,

6 [12] P. M. Menghal and A. J. Laxmi, "Real time simulation: A novel approach in engineering education," in Electronics Computer Technology (ICECT), rd International Conference on, Kanyakumari,India, 2011, pp [13] R. Grepl, "Real-Time Control Prototyping in MATLAB/Simulink: Review of tools for research and education in mechatronics," in Mechatronics (ICM), 2011 IEEE International Conference on, Istanbul, 2011, pp [14] H. Ashrafiuon and D. S. Bernstein, "Innovations in undergraduate education. II," Control Systems, IEEE, vol. 25, pp , [15] C. Nicol, C. J. B. Macnab, and A. Ramirez- Serrano, "Robust adaptive control of a quadrotor helicopter," Mechatronics, vol. 21, pp , [16] G. M. Hoffmann, H. Huang, S. L. Waslander, and C. J. Tomlin, "Precision flight control for a multi-vehicle quadrotor helicopter testbed," Control Engineering Practice, vol. 19, pp , [17] M. K. Bayrakceken, M. K. Yalcin, A. Arisoy, and A. Karamancioglu, "HIL simulation setup for attitude control of a quadrotor," in Mechatronics (ICM), 2011 IEEE International Conference on, Istanbul, 2011, pp [18] J. Kim, M.-S. Kang, and S. Park, "Accurate modeling and robust hovering control for a quad-rotor VTOL aircraft," Journal of Intelligent and Robotic Systems: Theory and Applications, vol. 57, pp. 9-26, [19] A. Tayebi and S. McGilvray, "Attitude Stabilization of a VTOL Quadrotor Aircraft," IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 14, pp , [20] S. Bouabdallah and R. Siegwart, "Full control of a quadrotor," in 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IROS 2007, October 29, November 2, 2007, San Diego, CA, United states, 2007, pp [21] M. K. Bayrakçeken and A. Arısoy, "Dört Rotorlu Hava Aracının (Quadrotor) Durum Kontrolü İçin Donanımlı Simülatör Düzeneği Kurulması," in Türkiye Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK 2011, İzmir, Türkiye, 2011, pp [22] M. K. Bayrakçeken and A. Arısoy, "Enhancing Control Education with Real-time Experiments," in Scientific Research and Education in the Air Force, AFASES 2012, May 2012, Brasov, Romanya, 2012, pp