1. Giriş. 2. Dört Rotorlu Hava Aracı Dinamiği 3. Kontrolör Tasarımı 4. Deneyler ve Sonuçları. 5. Sonuç

Transkript

1 Kayma Kipli Kontrol Yöntemi İle Dört Rotorlu Hava Aracının Kontrolü TOK Ekim, Niğde M. Kemal BAYRAKÇEKEN k.bayrakceken@hho.edu.tr Hava Harp Okulu Elektronik Mühendisliği Bölümü Yilyurt İstanbul 1. Giriş Sunu Akışı. Dört Rotorlu Hava Aracı Dinamiği 3. Kontrolör Tasarımı 4. Deneyler ve Sonuçları Deney Düzeneği Deneysel Sonuçlar 5. Sonuç Ekim 1 Amaç Dört rotorlu, olduğu yerden kalkış ve iniş yapabilen bir hava aracının yalpa, yunuslama ve sapma eksenlerinde kontrolünü sağlamak amacıyla iç ve dış parametre değişimlerine ve dış bozuculara karşı dayanıklı olması arzulanan kontrol sistemi tasarımı ele alınmıştır. GİRİŞ İnsansız Hava Araçlarının (İHA) öne çıkan avantajları; İHA lar, dağlık ve ormanlık alanlarda kif faaliyetleri, yangınlar, meteorolojik araştırmalar, tarımsal ilaçlama, veri iletişimi, askeri amaçlı kif ve gözetleme gibi pek çok farklı alanda kullanılabilir. Görev maliyeti pilotlu sistemlere göre oldukça ekonomik olmaktadır. 3 4 Sensör teknolojisindeki gelişmeler, veri işleme hızındaki artış, eyleyicilerin boyut ve ağırlıklarının giderek küçülmesi ve enerji depolama alanındaki gelişmeler mini/mikro boyutlarda İHA yapılmasını mümkün kılmıştır. Yüksek bant genişliğine sahip fırçasız motorlar ve sürücülerin, MEMS (Micro Electromechanical Systems) teknolojisine sahip ataletsel ölçüm ünitelerinin ve oldukça yüksek enerji-ağırlık oranına sahip Li-Po (Lityum Polimer) bataryaların ucuz olarak temin edilebilmesi ile İHA lar kolayca tasarlanmakta ve üretilebilmektedir. Bu sistemlerin yapısı ve dinamiği nedeniyle otopilot veya kontrol sistemi tasarımı araştırmaları, halen çalışmaların yoğun olarak devam ettiği güncel bir alandır. Bu ilginin sebeplerinden bazıları; *Dört pervaneli hava araçlarının alışılmış helikopterlere göre mekanik aksamlar içermemesi, *Laboratuvar ortamında imalatının kolay olması, *Bununla birlikte doğrusal olmayan dinamiklere bağlı zorlayıcı bir kontrol problemi oluşturmalarıdır. 5 6 Programı 1

2 Dört Rotorlu Hava Aracı Dinamiği Dört rotorlu hava aracı dinamikleri bir cismin uzaydaki altı serbestlik dereceli hareketi gibidir. x z mg y Gövde üzerine etkiyen kuvvetler toplam dört motor tarafından üretilen itki kuvveti ve diğer aerodinamik etkilerdir. Dört motorun hızları değiştirilerek temel hareketler oluşturulur. φ θ (Yalpa) ψ (Sapma) (Yunuslama) (İrtifa) 1 Kullanılan deneysel platformda sadece üç serbestlik derecesi bulunmaktadır. Burada var olan serbestlik açıları yalpa, yunuslama ve sapma, olmayanlar ise x, y ve z eksenleridir Programı

3 Matematiksel modeli basitltirmek için yapılan kabuller : Karbon fiber olan gövde esnek değildir ve tam simetriktir. Ataletsel moment matrisi köşegendir. Karkas yapının orta noktası ile ağırlık merkezi çakışmaktadır. Yapının pozisyonu sabittir, xy düzleminde hareket yoktur. Bu nedenle de aerodinamik etkiler ihmal edilmiştir. Pervane kanadı çırpıntısı (blade flapping) ve sürtünme modellenmemiştir. Motorların ürettiği itki kuvveti açısal hızların karesi ile doğru orantılıdır. Yer etkisi ihmal edilmiştir. Pervanelerin yerden yeterli miktarda uzak olduğu varsayılmıştır. Yalpa ve yunuslama açılarının küçük değerlerle (<15 derece) sınırlı kaldığı kabul edilmiştir. Hareket Denklemleri Hareket denklemlerinde; İleri yol dinamikleri; Kontrolör Tasarımı / Yalpa, yunuslama ve sapma eksenlerinde 4R hava aracının hareket kontrolü için türetilen kayma kipli kontrol (KKK) kullanılmıştır. Kayma yüzeyi; sistem durum değişkenleri ve dinamikleri arasındaki ilişkiyi tanımlayacak şekilde seçilmiştir. Durum yörüngelerini kayma yüzeyine çekecek ve orada sınırlandıracak kontrolör tasarlanmıştır. Kontrolör, 4R hava aracının dinamik denklemlerine göre tasarlanmıştır Programı 3

4 Hata dinamiklerinin kararlılığının garanti edilebilmesi için seçilen Lyapunov fonksiyonu; 1 T V T V Belirlenen Lyapunov fonksiyonunun türevini negatif yapacak kayma yüzeyi fonksiyonunun türevi; D (D>) 19 D 1 T V T V V T T D r Ce e Ce x f bu Buna göre; değer kontrol ifadesi hesaplanır. u u D b( u u) D b( u u) D r Ce e Ce x f bu 1 b( u u) ( u u) D Bulunan bu ifadeler ayrıklaştırılırsa; Kontrol Sistemi Blok Diyagramı b ( k) ( k 1) bu ( k 1) u( k 1) T u ( k) u( k) D ( k) b ( k) ( k 1) u ( k 1) u( k 1) bt D u ( k) u( k) ( k) b SMC u (k) ortalama kontrol işareti olarak yani, kontrol işaretinin bir periyotta değişmediği kabul edilebilir. u ( k 1) u ( k) Kontrol Kuralı 1 u( k) u( k 1) ( k)(1 DT) ( k 1) bt 3 4 Programı 4

5 yalpa hareketi [radyan] kontol işareti sapma hareketi [radyan] yalpa harketi kontrol isareti zorlayıcı hareketler [radyan] 4. Deneyler ve Sonuçları Parametreler Parameter Description Value Quadrotor Moments of x and y axes 1.6 Moment of z axis.5 Moment of each rotor.58 Thrust coefficient,118 dspace DS113 Drag coefficient,11 Deney Düzeneği ve Bilenleri Single arm length.3 m Total weight zaman [sn.] Programı 5

6 5. Sonuçlar Kayma kipli kontrol (KKK) yöntemi ile tasarlanan kontrolörlerin, gerçek zamanda 4R olduğu yerden kalkış ve iniş yapabilen bir hava aracının yalpa, yunuslama ve sapma eksenlerinde kontrolünü sağlamak amacıyla dış bozuculara karşı dayanıklı kayma kipli kontrol yöntemi ile kontrolör tasarlanmış ve gerçeklenmiştir. Bu amaçla kayma kipli kontrol yöntemi bu sistem için ele alınmıştır. parametre ayarlamaya uygun donanımlı deney düzeneği kullanılarak performans değerlendirmeleri yapılmıştır. Darbe fonksiyonları uygulanarak yapılan dayanıklılık deneyleri sonuçlarının memnuniyet verici olduğu değerlendirilmektedir Dinlediğiniz için tekkürler & Sorular Programı 6