Theses supervised by Doç. Dr. Coşku Kasnakoğlu
10 theses · TOBB Economics and Technology University
Logaritmik ve üstel fonksiyon hesaplamaları için bütünleşik yenilikçi donanım mimarisi geliştirilmesi
Bu çalışmada, belirli bir tabanda logaritma hesaplaması yapan İndirgemeli CORDIC Tabanlı Logaritma Çeviricisi (İCTLÇ) metodu tanıtılmış ve İCTLÇ'nin FPGA(Field-Programmable-Gate-Array) tabanlı donanım mimarisi ayrıntıları ile anlatılmıştır. İCTLÇ çok düşük kaynak kullanımı ile yüksek bit hassasiyetinde logaritma hesaplarını karmaşık olmayan bir donanım mimarisi ile yapabilmektedir. Toplama ve bit kaydırma işlemlerini barındıran CORDIC metodunun yanında hızlı bir sayı indirgeme yöntemi kullanarak çok geniş aralıktaki sayıların logaritmik çevrimini diğer metotlara kıyasla daha yüksek hassasiyetle ve az kaynak kullanımı ile mümkün kılmaktadır. İçerisinde bulundurduğu indirgeme metodu ile de aynı mimari ile geniş bir operasyon değer aralığı sunmaktadır.
Sabit kanatlı insansız hava araçları için döngüde donanımsal benzetim platformu kullanarak çevrim-şekillendiren otopilot tasarımı
İnsansız hava araçlarının yüksek manevra kabiliyeti ve zor şartlarda çalışabilir olması insansız hava araçlarının hem sivil hem de askeri alanlarda kullanımını yaygınlaştırmıştır. Başta yukarıda belirtilen sonrada sayamayacağımız birçok faydasından ötürü insansız hava araçları araştırmacıların ilgisini çekmiş ve insansız hava araçlarının modellenmesi ve kontrolünü yaygın başlıklar arasına çekmiştir. İnsansız hava araçlarını kontrol eden otopilot sistemleri geliştirme sürecinin en önemli kısımlarından biri de testlerdir. Gerçekleştirilen testler ne kadar tekrarlanabilir ve sistemin çalışacağı gerçek ortama yakın olursa sistem geliştirme süreci o kadar hızlanmaktadır. Bu çalışmada, otopilot geliştirmesi kapsamında çevrim-şekillendiren kontrolcü yöntemiyle tasarlanan otopilot sistemi ve tasarlanan bu sistemin testlerinin gerçekleştirildiği döngüde donanımsal benzetim sisteminin bileşenlerinden ve çalışma düzeninden bahsedilmektedir.
İki eksenli hassas gimbal stabilizasyonu için bozucu-etki gözleyicisi ile güçlendirilmiş LQG/LTR kontrol sistemi tasarımı
Gimbal yapıları ile veri aktarımı ve lazer atımı gibi çeşitli kavramlar son yıllarda büyük bir önem arz etmektedir. Bu kapsamda aktarılan/gönderilen verinin daha sağlıklı ve anlamlı olabilmesi için geçmişten günümüze çeşitli metotlar önerilmiştir. Bu çalışma kapsamında, savaş uçaklarına takılan ve dört-eksenden oluşan hassas hedefleme ve gözlemleme sisteminin hassaslığını sağlayan iki iç ekseni için, sistem tanımlama ile sistem dinamiği elde edilmiştir. Sistem dinamiğinin belirlenmesinin ardından sistemin kontrolü için bozucu-etki gözleyici yapısı ile güçlendirilmiş bir optimal kontrolcü önerilmektedir. Bu optimal kontrolcünün yapısı ise LQG/LTR yapısındadır. LQG/LTR yapısı klasik LQG yapısının gürbüzlük eksikliğini kapatmaktadır. Yapının temel önerilme amacı, görüş hattı hız kontrolü için gürbüz, sistem isterlerini karşılayan ve iyi bir bozucu etki giderim özelliği olan bir stabilizasyon döngüsünün tasarlanmasıdır. Tasarlanan bu kontrolcü ile sistemin, aerodinamik etkileri ve mekanik aksam kaynaklı ortaya çıkan bozucu etkileri bastırması, sistemde mevcut doğrusal olmayan etkileri minimize etmesi ve sistemin çalıştığı ve/veya çalışmasının amaçlandığı frekans bölgesinde gürbüz davranması hedeflenmektedir. Yukarıda belirtilen bu koşullar altında tasarlanan bozucu-etki gözlemleyicisi ile güçlendirilmiş LQG/LTR kontrol sistemi gerçek platforma uygulanmıştır. Yapılan deneyler sonucunda sistem performansına dair çeşitli sonuçlar elde edilmiştir. Önerilen tezin literatüre olan en büyük katkısı ise var olan LQG/LTR yapısının, bozucu-etki gözleyicisi ile güçlendirilmesi ve gerçek sisteme uygulanmasıdır.
Sabit kanatlı bir insansız hava aracı için takip ve stabilizasyon amaçlı otopilot sistemi geliştirilmesi
Bu çalışmada, takip ve stabilizasyon amaçlı özgün bir otopilot algoritması geliştirilmesi amacıyla Ardupilot Mega otopilot kontrolcü kartı üzerinde donanımlı döngü sistemi kurulmuştur. Ardupilot için hazırlanmış donanımlı döngü yazılımı ile Xplane uçuş simülasyon programı üzerinde uçuşlar yapılmış, uçuş modlarının ve kartın donanımsal olarak çalışma mantığı analiz yapılarak anlaşılmıştır. Analiz aşamasından sonra, donanımlı döngü sistemi üzerinde yatış ve yunuslama hareketlerini benzetim platformu oluşturulmuş ve gerçek sensör verileri kullanılarak Xplane üzerindeki PT-60 uçağı için uçuş benzetimi yapılmıştır. Ardından donanımlı döngü benzetim sisteminden elde edilen uçuş verilerinden yola çıkılarak sistem tahmini yapılmış, yatış ve yunuslama hareketleri için tahmin edilen sistemler üzerinde PID kontrolcüler tasarlanmıştır. Sonuç olarak önceki aşamalardan yola çıkılarak manüel, stabilize ve otopilot uçuş modlarına sahip takip ve stabilizasyon tabanlı özgün otopilot sistemi geliştirilmiştir. Bu otopilot sistemi için uçuş testleri yapılmıştır. Uçak tarafından gönderilen uçuş verileri, yer kontrol istasyonu tarafından kaydedilmiş ve incelenmiştir.
Şebekeden bağımsız fotovoltaik sistemlere yönelik çok girişli çok çıkışlı modelleme ve gürbüz kontrolcü tasarımı
Bu çalışmada, sık kullanılan şebekeden bağımsız çalışan ve sabit DC gerilim çıkışa sahip bir fotovoltaik (FV) sistemin etkenliğini artırmaya yönelik, sistemin yeni bir yöntemle çok girişli çok çıkışlı (Multiple Input Multiple Output - MIMO) yapıda matematiksel modellenmesi ve MIMO kontrolcülerin tasarlanarak uygulanması irdelenmiştir. Şebekeden bağımsız fotovoltaik sistemlere yönelik kontrolcüler incelendiğinde literatürdeki genel yaklaşımın tek girişli tek çıkışlı (Single Input Single Output - SISO) modelleme ve kontrolcü tasarımına yönelik olduğu görülmektedir. Ancak çok girişli çok çıkışlı yapıda olan bir sisteme yönelik tek girişli tek çıkışlı kontrolcüler uygulandığında, değişken yük, güneş ışınımı ve ortam sıcaklığı koşulları altında beklenmeyen sonuçlarla karşılaşılabilmektedir. Sisteme yönelik söz konusu beklenmeyen çalışma durumları, günlük olarak değişen ve değiştirilmesi mümkün olmayan çevresel koşulların güç üretimine doğrudan etkisi sonucu oluşmaktadır. Ayrıca çok girişli çok çıkışlı fotovoltaik sistem darbe genişlik modülasyon (Pulse Width Modulation - PWM) ile tetiklenen anahtarlamalı DC/DC dönüştürücüler içerdiği için geleneksel doğrusallaştırma teknikleri ile bu sistemlerin sağlıklı sonuçlar veren doğrusal modellerinin elde edilmesi ve uygun SISO model tabanlı kontrolcülerin tasarlanması oldukça zordur. Belirtilen sorunları çözmeye yönelik bu çalışmada MIMO Hammerstein-Wiener (HW) doğrusal olmayan sistem tabanlı bir modelleme yaklaşımından yararlanılmıştır. Elde edilen model, FV paneller, DC/DC dönüştürücüler, akü ve DC yük gibi tüm sistem bileşenlerini içermektedir. Ayrıca söz konusu modellemeye, giriş/çıkış doğrusalsızlıklarının terslenebilir olmaya zorlanması ve yeterli koşulların türetilmesine yönelik özgün bir ekleme gerçekleştirilmiştir. Bu sayede terslenebilir fonksiyonlar kullanılarak HW modelin doğrusal kısmına göre MIMO kontrolcü tasarımları gerçekleştirilmiş ve daha sonra doğrusal olmayan tüm HW modeline adresleme yapılarak sisteme yönelik doğrusalsızlıklar da modele dahil edilebilmiştir. Bu yöntem yardımıyla H∞ çevrim şekillendiren ve Linear-Quadratic-Gaussian (LQG) servo MIMO gürbüz kontrolcüleri tasarlanmıştır. Söz konusu gürbüz MIMO kontrolcülerin değişken yük ve atmosferik koşullar altındaki performans değerleri, sisteme yönelik tasarlanan Proportional-Integral (PI) ve PI/LQG hibrit SISO kontrolcüler ile kaşrılaştırılmıştır. MIMO ve SISO kontrol tasarımlarına yönelik, çıkış gerilimi düzenlemesinin gürbüzlüğü ve performansının yanısıra sistem bileşenlerinin parametrelerindeki belirsizliklere karşı hassasiyeti gibi sonuçlar ele alınmıştır. Sonuç olarak tasarlanan H∞ çevrim şekillendiren MIMO kontrol sisteminin değişken yük ve atmosferik koşullar altında, FV panellerin maksimum güç noktasını sürekli takip etmesini sürekli sağladığı, çıkış geriliminin diğer sistemlere göre daha kararlı olduğu ve bozucu etkenlere ve sistem belirsizliklerine daha dayanıklı olduğu görülmüştür.
Dört rotorlu bir insansız hava aracı için pıd ve kayan kipli kontrolcü tasarımı ve kıyaslanması
İnsansız hava araçları üzerinde pilot bulundurmayan hava araçlarıdır. İnsan pilotların limitleriyle sınırlı olmadıklarından insan için tehlikeli olabilecek ortamlarda bulunabilirler. Ayrıca insansız hava araçları çok geniş bir kullanım alanının bulunması nedeniyle de son yıllarda popüler hale gelmiştir. Arama kurtarma, ulaşım, gazetecilik, bitki sulama, yangın söndürme, savunma, bilimsel araştırma ve keşif insansız hava araçlarının kullanıldığı alanlardan bazılarıdır. Son zamanlarda dört rotorlu hava araçları kontrolcü tasarımında önem teşkil etmektedir. Küçük boyutları ve esnek manevra kabiliyetleri sayeside dörtdönerler açık havada uçabildiği gibi kapalı alanlarda da kullanılabilmektedir. Dört rotorunun ayrı ayrı kontrol edilebilmesi rotasyonel ve translasyonel hareket edebilme kabiliyetini kazandırmıştır. Kontrol tasarımlarında sıklıkla gerçek sistem ile kontrolcü tasarlanan matematiksel model arasında farklılıklar ortaya çıkar. Bu farklılıklar ve modellerdeki bilinmezlikler gürbüz kontrol adı verilen kontrol yaklaşımlarının geliştirilmesini gerektirmiştir. Kayan kipli kontrol de gürbüz kontrol yaklaşımlarından birisidir. Kayan kipli kontrolde amaç sistemi kayma yüzeyi olarak tanımlanan yüzey etrafında tutarak sistemin kontrolünü sağlamaktır. Bir diğer kontrol metodu olan oransal integral ve türevsel kontrolcüde ise istenilen değer ile mevcut değer kıyaslanarak fark hata olarak hesaplanır. Hatadaki değişim göz önünde bulundurulduğunda zaman açısından oransal kontrolcü mevcut hataya bağlıdır, integral kontrolcü geçmiş hataların toplamı ve türevsel kontrolcü gelecekteki hataların bir tahminidir. Bu tez çalışması bir dört rotorlu insansız hava aracı için kayan kipli kontrolcü ve oransal integral türevsel kontrolcü tasarımları yapılarak bu iki kontrolcü yaklaşımları kıyaslanmasına odaklanmıştır. Kontrolcü tasarımları, dörtdönerde en yaygın kullanılan her iki konfigurasyon (artı konfigürasyonu ve çarpı konfigürasyonu) için de yapılmıştır. Temel olarak dört dönerin yükseklik kontrolü ve üç eksende yaptığı dönme hareketinin sonucunda oluşan açılar (yalpa, yunuslama ve sapma açıları) kontrol edilmiştir. Kontrolcü katsayıları iterasyon metodu ile ayarlanmıştır. Ayrıca kayan kipli kontrolcüde sistemdeki süreksizlikler ve hızlı dinamikler nedeniyle oluşan ve kontrolcüler tarafından ihmal edilmesi durumunda sistemde hızlı salınımlar olarak karşılaşılan çatırtı sorunu da çözülmüştür. x ve y eksenlerinde yapılan translasyonel hareket için ise oransal türevsel integralci kullanılmıştır. Sonuç olarak tasarlanan kontrolcülerin istenilen değerleri takip edebildiği görülmüştür. Kayan kipli kontrolcülerin istenilen değerleri daha kısa sürede ve daha az salınımla takip edebildiği söylenebilir.
Sabit kanatlı bir insansız hava aracı için düşük bütçeli otopilot sistemi tasarımı
Havacılık endüstrisi, gelişen teknoloji ile beraber en hızlı gelişme gösteren alanlardan biri olmuştur. İnsansız hava araçları da bu gelişmenin bir ürünüdür. Dünyanın herhangi bir yerindeki bir istasyondan kontrol edilebilen bu araçlar, özellikle ülkelerin silahlı kuvvetleri için önemli rol teşkil etmektedirler. Tarımsal faaliyetler, orman yangınlarının erken tespiti ve boru hatlarının izlenmesi gibi sivil amaçlar için de kullanılmaktadırlar. Fakat sahip oldukları donanımlar nedeniyle kişisel kullanım için hala pahalı araçlardır. Bu çalışmada düşük bütçeli sensörler ve mikrodenetleyiciler kullanılarak sabit kanatlı bir insansız hava aracı için otomatik pilot sisteminin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Aracın verilen varış noktaları arasında seyrinin sağlanması ve davranışının kontrolü için PID kontrol metodu kullanılmıştır. Sistemlerin çıkışlarının ölçülmesinde karşılaşılan gürültü sorunu Kalman Filtresi kullanılarak aşılmaya çalışılmış, aynı zamanda yine Kalman Filtresi yardımıyla sistemin doğrudan ölçülemeyen durumları gözlenmiş ve kontrol döngüsü içerisinde kullanılmıştır.
Dört rotorlu insansız hava aracı için otopilot tasarımı
Günümüzde tehlikeli alanlarda arama ve kurtarma, haritalama, gözlem, ürün taşıma ve teslimi veya hedef tespiti ve takibi gibi çeşitli kullanım alanlarına sahip olan İHA'lar malzeme bilimi ve üretim alanlarındaki gün geçtikçe artan gelişmeler sayesinde daha farklı alanlarda ve daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Döner kanat İHA'lar dikey kalkış-iniş, bulundukları yerde havada asılı kalabilme ve agresif manevra yetenekleriyle ulaşılması zor alanlanlardaki görevleri rahatlıkla gerçekleştirebilmektedir. Bu görevler esnasında İHA'nın uzaktan kumanda ile pilot tarafından kontrol edilmesi yerine otopilot destekli uçuş moduyla yer istasyonu başındaki pilot tarafından veya tam otonom uçuş ile pilot olmadan kontrol edilmesi pilot hatalarının önüne geçmekle kalmayıp pilotun İHA'nın görev yerinden bağımsız olarak İHA'yı kontrol etmesine imkan tanımakta; aynı zamanda herhangi bir pilota ihtiyaç duymadan ön tanımlı görevlerin yerine getirilmesini mümkün kılmaktadır. Bu çalışmada bir dört rotorlu hava aracı için özgün bir otopilot sistemi geliştirilmiş, sistemin tasarımı, bileşenleri ve işleyişi üzerinde durulmuştur.
Sabit kanatlı bir insansız hava aracı için otopilot sistemi geliştirmede döngüde donanım tabanlı yaklaşım
Hedef tespiti ve gözlemden, tarımsal ilaçlamaya insansız hava araçları sivil veya askeri amaçlı pek çok farklı görev için kullanılmakta ve kullanımları her geçen gün hızlanarak artmaktadır. İHA?larda otonom uçuşlar otopilot sistemleri ile sağlanır. Otopilot sistemi geliştirme sürecinin en önemli kısmı ise uçuş testleridir. Uçuş testleri; maliyetli, zor ve bazen tehlikeli olabilen testlerdir. Ayrıca sık tekrarlı testler olmadıkları için geliştirme sürecinin de yavaşlamasına neden olurlar. Bu noktada araştırmacıya benzetim yazılımları yardım edecektir. Otopilot sisteminden donanımsal bileşenler katılarak oluşturulmuş bir benzetim döngüsü, tamamen benzetimsel bileşenlerden oluşan bir döngüye göre çok daha gerçekçi olacak ve gerçeği ile değiştirilen her benzetimsel bileşen için benzetimlerin doğruluğu daha da artacaktır. Bu çalışmada, sabit kanatlı bir insansız hava aracı için otopilot sistemi geliştirme sürecinde oluşturulmuş döngüde donanım benzetim sistemi ve bu sistemden faydalanılarak oluşturulmuş örnek bir otopilot sisteminin tasarımı, bileşenleri ve işleyişi üzerinde durulmaktadır.
Çeşitli akışkan akışı problemlerinin doğrusal veya doğrusal olmayan dinamik modellemesi ve kontrolü
Bu çalışmada; dinamik davranışının matematiksel olarak modellemenin çoğu zaman zor, olduğu, akışkan sistemlerinin dinamik modellerinin elde edilmesi ve girdaplılık ve sürüklenme/kaldırma katsayısı gibi değerlerin geri-beslemeli kontrolü, çırpma hareketi yapan NACA0012 kanat profili, sabit silindir gövde ve sabit hücum açılı NACA23012 geometrileri üzerinde incelenmiştir. Yapılan çalışmaları seçilen geometriler altında gruplandırıp incelenecek olursa; ilk olarak çırpma hareketi yapan NACA0012 kanat profili için parçacık görüntülemeli hız ölçümü (PGH) tekniği kullanarak akışın hız vektörleri elde edilmiştir. Bu hız vektörleri bir dizi ek işleme (görüntü işleme ile kanatın tespiti) tabi tutulduktan sonra uygun dikgen ayrışımı (UDA) ve sistem tanılama işlemleri uygulanarak doğrusal bir dinamik model elde edilmiştir. İkinci olarak ise silindir bir yapının etrafından akan akışın doğrusal ve doğrusal olmayan modellenmesi konusu incelenerek bu modeller için silindir arksında olu?an periyodik girdapları bastıracak kontrolcü tasarımları gerçekle?tirilmi?tir. Üçüncü olarak ise, sabit hücum açılı bir NACA23012 kanat profili için doğrusal olmayan modelleme yakla?ımı gerçeklenip, sürüklenme/kaldırma kuvveti oranının kontrolü konusu işlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Parçacık Görüntülemeli Hız Ölçümü (PGH), Uygun Dikgen Ayrışımı (UDA), Dinamik Modelleme Sistem Tanılama (ST), Girdap Kontrolü, K/S Kontrolü.