3,770
Archived Theses
2
DOIs Assigned
0%
DOI Rate
Discipline
Kablosuz algılayıcı ağlarda veri saçılım potansiyeli ve ağ yaşam süresinin ödünleşmesinin modellenmesi ve analizi
Kablosuz algılayıcı ağlar (KAA) belirli bir coğrafi alana dağılmış küçük algılayıcı düğümlerden ve baz istasyonundan oluşmaktadır. Hedeflenen düğüm çiftleri dışında diğer düşman düğümlerin haberleşme menzili içine girmesi kulak misafirliği olarak tanımlanmaktadır. KAA'lara karşı bir tehdit olan gizli dinleme riskinin en aza indirgenmesi gerekmektedir. Gizli dinlemeyi azaltma çalışmaları, KAA'lara ait en önemli parametrelerden yaşam süresini olumsuz etkilemektedir. Bu çalışmada, gizli dinlemeyi en aza indirmeye ve gizli dinleme kısıtına bağlı ağ yaşam süresini eniyilemeye yönelik bir model tasarlanmıştır. Bu modelle gizli dinleme ve ağ yaşam süresi arasında ilişki analiz edilmiştir. Bu çalışma sonucunda, gizli dinlemeyi minimuma indirgemenin ağ yaşam süresinde azımsanmayacak ölçüde düşüşe neden olduğu gözlenmiş, kısıtlar belirli bir miktar genişletildiğinde KAA ömrünün maksimum seviyeye çıktığı görülmüştür.
Coğrafi konum ve sensör verileri ile gözetimsiz sürücü performansı skorlama
Araç sürüş performansının ölçülmesi, özellikle otomotiv ve sigorta sektörlerinde çalışan araştırmacıların ilgisini çeken, oldukça zorlu bir konudur. Bu alandaki geçmiş çalışmaların bir kolu Denetleyici Alanı Veri Yolu Ağı (CAN Bus) ve Küresel Konum Belirleme Sistemi (GPS) çıktıları, fizyolojik veriler, kamera kayıtları ve pek çok diğer veri tipini öznitelik olarak kullanarak, etiketli veri setleri üzerinde agresif/agresif olmayan, dikkatli/dikkatsiz, uykulu/uykusuz gibi davranışsal ayrımları istatistiksel olarak öğrenmeyi amaçlamışlardır. Bir diğer akımda ise, araştırmacılar sürüş davranışlarını kural-bazlı olarak değerlendirmeyi tercih etmişlerdir. Ancak, bu yaklaşımlar etiketli verinin çoğu zaman mevcut olmaması, bütün yol şartlarını temsil edebilecek kuralların öğrenilememesi ve standart bir aracın gerekli bütün sensör modalitelerine sahip olmamasından dolayı kullanışlı değillerdir. Çalışmamızda, bu problemlerin hepsinin üstesinden gelen, minimalistik bir veri üzerinde skorlama yapma kapasitesine sahip, gözetimsiz bir olasılıksal model tasarlanmıştır. Sunulan model, sürücüleri geleneksel anomali tespiti yaklaşımlarıyla değerlendirir. Buna göre, bir sürüş tecrübesinin geçmişte görülen örnekler üzerinden hesaplanan normlara ne kadar uyumlu olduğu, onun ne kadar yüksek skorlanacağını tanımlar. Bu normlar, diğer çalışmalardan farklı olarak, yolun tipine ve trafik akışına bağlı olarak bulunur. Takip edilen olasılıksal yaklaşım, bu sürekli değişkenlerin bileşik olasılık dağılımlarının bilinmesini gerektirmektedir; ancak bu matematiksel olarak oldukça zorlu bir problemdir. Bu işlemi kolaylaştırmak için, değişkenlerden her birini gözetimsiz öğrenme yöntemleri ile ayrıklaştırma yoluna gidilmiştir. Bu sayede, değişkenleri ayrık az sayıda küme ile temsil etmek ve bu kümeler arasındaki paylaşılan eleman sayılarını kullanarak bileşik olasılık dağılımlarını kestirmek mümkün olmuştur. Bileşik dağılım bilgisi, Birlikte Kümelenme Matrisi (BKM) adlı bir yapıda tutulmuştur ve bu matris elde edildikten sonra, skorlama sadece matris üzerindeki pozisyonu bulma problemine indirgenmiştir. Değişkenlerin gözetimsiz modellerle ayrıklaştırılması çalışmamızın merkez noktasını oluşturmaktadır. GPS verileri kullanarak yol tiplerinin kümelenmesi ve CAN Bus kayıtlarından yola çıkarak trafik akış tipi ve sürüş stili kümelenmeleri üzerinde durulmuş, doğru öznitelik seçimi hakkında bilgiler sunulmuş ve kümelenmenin farklı ayrışım metotları ve farklı benzerlik ölçütlerinden hangileriyle daha iyi başarıldığı saptanmıştır. Bu başarım sayısal olarak sunulmuş ve kullandığımız veri setinde en başarılı olan yöntemler saptanmıştır. Ardından bu başarının arkasında yatan faktörler sorgulanmıştır. Böylece alandaki gelecek çalışmalara ışık tutacak bir çerçeve oluşturulmaya çalışılmıştır. Buna ek olarak, kümelenmenin öznitelik uzayından değil de, daha düşük boyutlu bir uzaydan yola çıkılarak yapılmasının yararları açıklanmış, bu yöntem yol tipi ve sürüş stili kümeleme aşamasından uygulanmıştır. Değişkenlerin kümelenmeleri başarıldıktan sonra, elimizde bulunan küçük bir etiketli veri seti üzerinde skorlama işlemi yapılmıştır. Burada agresif şoförlerin, agresif olmayanlardan genellikle daha düşük skorlar alması amaçlanmış ve bu başarılmıştır. Son aşamada ise, aynı başarının literatürdeki diğer bir güçlü modelin varyasyonu ile başarılıp başarılamayacağına bakılmıştır. Bu metot, bizim skorlama yaklaşımımızın tersine, agresif ve agresif olmayan şoförler arasında herhangi bir skorlama farkı gösterememiştir.
İHA'larin iletişim için üstsezgisel metotlar kullanılarak optimal konumlandırılması
insansız hava araçları (iHA), mühendislik alanındaki problemlere farklı bir bakış açısıyla çözümler sunmuştur. Geniş bantlı kablosuz erişim için baz istasyonu olarak kullanımı bu çözümlerden biridir. Baz istasyonu olarak kullanılan İHA'ların optimum konumlarının hesaplanması uygulamanın başarımındaki önemli faktörlerden biridir. Ancak problemin doğrusal olmayan yapısı ve optimize edilmesi gereken parametre sayısının çok olması nedeniyle problemin kısa sürede çözülebilmesi için üstsezgisel arama metotları kullanılmı¸stır. Bu çalışmada, İHA'ların konumlandırılması için beş farklı metot kullanılmı¸stır. Bunlar parçacık sürü optimizasyonu(PSO), benzetimli tavlama, tabu arama, biojeografi bazlı optmizasyon(BBO) ve Taguchi metodudur(TM). Bu metotlardan parçacık sürü optimizasyonu, tabu arama, biojeografi bazlı optimizasyon ve benzetimli tavlama rastgele aramaya dayanan klasik üstsezgisel algoritmalardır. Sonuncu metot olan Taguchi metodu arama uzayını önceden belirlenen deney setleri ile küçülterek daha sistematik bir arama yapar. Bu metotların herhangi bir safhada optimuma yakın bir çözümü elde etmek için kısa bir süre sonra durdurulabilir olmaları oldukça elverişli bir özelliktir. Benzetim sonuçlarına göre PSO diğer metotlara kıyasla en iyi performansı göstermiştir. Taguchi metodu ise kabul edilebilir bir çözüme oldukça kısa bir sürede ulaşmıştır.
Heterojen ortamlarda çok-yol sömürülü radar ile uyarlanabilir hedef algılama
Nokta benzeri hedeflerin uyarlamalı sezimiyle ilgili şimdiye kadar çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmaların çoğunda hedeften yansıyan sinyalin radara geliş doğrultusunun bilindiği varsayılmaktadır. Bu varsayım, sinyalin yalnızca görüş hattı bileşenine sahip olduğu durumlarda doğru kabul edilebilir. Ancak, hedeften geri saçılan sinyal ortamla etkileşime girerek çoklu-yol bileşenlerine de sahip olmaktadır. Hedef sinyali çoklu-yol bileşenleri içerdiğinde, sinyalin geliş doğrultusunun bilindiği varsayılarak geliştirilen geleneksel uyarlamalı hedef sezimi algoritmaları ile hedef tespiti düzgün bir şekilde yapılamamaktadır. Hedef sinyalinin modellenmesi üzerine yapılan çalışmaların yanı sıra, gürültü sinyalinin modellenmesi üzerine de şimdiye kadar çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Uyarlamalı hedef sezimi algoritmalarında gürültünün olasılık yoğunluk fonksiyonu olarak Gauss dağılımının kullanıldığı homojen ortam modeli yaygın olarak kullanılmaktadır; fakat yapılan teorik çalışmalar ve yüksek çözünürlüklü radarlar kullanıldığında elde edilen ölçümler gürültünün olasılık yoğunluk fonksiyonunun Gauss dağılımından saptığını ortaya koymaktadır. Bu tez çalışmasında, nokta benzeri hedeflerin uyarlamalı sezimi çoklu-yol etkisi altında kısmi-homojen ve heterojen ortam modelleri kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Kısmi-homojen ortamlarda çalışacak uyarlamalı dedektörün tasarımında, test hücresine ait gürültü sinyalinin kovaryans matrisi ile ikincil veri kullanılarak kestirimi yapılan kovaryans matris arasındaki uyuşmazlığı temsil eden bilinmeyen bir gürültü ölçeklendirme faktörü kullanılmaktadır. Bu senaryoda, ikincil veri hücrelerinin her birinin aynı spektral özelliklere sahip olduğu varsayılmaktadır. Heterojen ortamlarda çalışacak uyarlamalı dedektörün tasarımında ise, test altındaki hücrenin kovaryans matrisinin kestirimi ikincil veri setine ait her elemanın gürültü ölçeklendirme faktörünün birbirinden farklı olduğu varsayılarak gerçekleştirilmektedir. Bununla birlikte, hedef sinyali görüş-hattı ve çok-yol bileşenlerinin üstdüşümü olarak modellenmektedir. Ayrıca, çoklu-yol bileşenlerinin pürüzlü bir yüzeye çarparak bir çok farklı yönde saçılan sinyaller olduğu varsayılarak tez kapsamında çoklu-yol sinyalleri Gauss dağılımlı rastgele vektör olarak ifade edilmektedir. Hedef tespit algoritması, bilinmeyen parametrelerin en yüksek olabilirlik kestirimi değerlerini bulmaya yönelik olan GLRT yöntemi kullanılarak oluşturulmaktadır. Algoritma oluşurulurken test altındaki hücrenin kovaryans matrisinin referans hücrelerden elde edilen kovaryans matrise gürültü ölçeklendirme faktörü ve çoklu-yol miktarı ile orantılı olarak benzediği varsayılmaktadır. Yapılan çalışmalar sonucu elde edilen sonuçlar, tasarlanan dedektörlerin homojen olmayan ortamlarda ve çoklu-yol etkisi altında geleneksel dedektörlerden daha iyi performans gösterdiğini ortaya koymaktadır.
Panoramik radyografi görüntülerinde maksiller ve mandibüler yapıların sınırlarının belirlenmesi için yarı-gözetimli bir metot
Dental radyoloji teknikleri (Röntgen, Tomografi vb.) maksillofasiyal bölgede bulunan göz ile zor tespit edilen diş rahatsızlıkları, çürükler ve iltihablar, lezyonlar, eksik veya gömülü dişler, kemik ve doku patolojileri gibi birçok dental ve anatomik anomalilerin tespitinde, bulguların doğrulanmasında ve teşhisinde önemli rol oynamaktadır. Maksillofasiyal bölgedeki anomaliler için teşhis koyma süreci, dental radyolojik görüntülerin bir yada birden çok klinisyen tarafından incelenmesi esasına dayanır. Dental anomalilerin ve anatomik yapılardaki varyasyonların yüksek olması, ayrıca radyolojik görüntülerin standardizasyonun zor olması, tanı ve tedavi sürecinin başarılı bir şekilde sonlandırabilmesi karşısında çıkan zorluklardan birkaçı olarak durmaktadır. Bunun yanında bazı komplike ve bulguların başka rahatsızlıklarla benzerlik gösterdiği durumlarda, teşhis ve tedavi süreci çok fazla vakit alabilmekte ve konulan teşhis ve izlenilen tedavi yöntemi diş hekiminden diş hekimine farklılık gösterebilmektedir. Bu zorlukları minimuma indirmek ve sorunları önlemek amacıyla diğer radyoloji alanlarında olduğu gibi dental radyoloji alanında da tanı işlemini kolaylaştırmak ve hata oranını düşürmek için tıbbi görüntüleme ve bilgisayar destekli tanı sistemleri üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmalar, radyografi görüntülerinin kalitesinin, çözünürlüğünün ve hassasiyetinin arttırılması, çeşitli yapıların (diş, çene vb) üzerindeki hastalık riski oluşturabilecek alanların bölütlenmesi ve bu yapılarda oluşan anomalilerin sınıflandırılması gibi konular üzerinde yoğunlaşmıştır. Bu çalışmalardan bir tanesi de dental X-ray görüntülerindeki maksiller ve mandübular yapıların yarı gözetimli olarak bölütlenmesidir. Maksiller ve mandibular yapıların bölütlemesi için geliştirilen metodun analiz edildiği bu çalışmada, panoramik radyografi görüntülerinin bölütlenmesinde, görüntüye özel maske tanımlama yöntemi uygulanmıştır. Bu maske, bölütleme algoritmasına başlangıç girdisi olarak tanımlanarak sınırları belirlenmek istenen yapılara en yakın sınırları vermesi beklenen aktif kontur tabanlı bir algoritma ile bu yapıların bölütlenmesi sağlanmıştır. İstenilen alanlar bölütlendikten sonra, bölütleme sınırlarına düzleştirme metodu uygulanarak bölütleme sonuçlarının keskin geçişler yerine daha yumuşak köşe geçişlerine sahip, yapıların gerçek sınırlarına daha benzer sonuçlar elde edilmesi amaçlanmıştır. Son olarak elde edilen sonuçların gerçek sonuçlara yakınlığını saptamak için diş hekimlerinin belirlediği alanlar ile önerilen yöntemin belirlediği alanların Sorensen-Dice benzerlik ölçütü(Sorensen-Dice measure of similarity) metodu ile benzerlik katsayıları karşılaştırılmıştır.
Dört rotorlu bir insansız hava aracının modellenmesi ve PID kontrolcü tasarımı
Çağımızda insansız hava araçlarının oldukça yaygın bir kullanım alanı bulunmaktadır. İnsansız hava araçları arama kurtarma, yangınla mücadele, kargo taşıma, tarımsal ilaçlama, haritalama, bilimsel araştırma ve savunma sanayii alanlarında kullanılmaktadır. İnsansız hava araçları üzerinde pilot bulundurmaması nedeniyle insanlı uçaklar için sert ve tehlikeli olabilecek manevraları yapabilmektedir. Ayrıca üretim maliyetlerinin insanlı uçaklara göre daha düşük olması onları daha avantajlı hale getirmektedir. Dört rotorlu insansız hava araçları ise dikine iniş kalkış yapabilmesi, havada asılı kalabilmesi, sert manevra kabiliyeti, açık ve kapalı alanlarda uçabilmesi ve küçük boyutları sayesinde popüler hale gelmiştir. Dört rotorlu bir insansız hava aracının dinamikleri uzaydaki bir cismin 6 serbestlik dereceli hareketidir. Euler açıları olan yalpa, yunuslama, sapma açıları ve üç boyutlu uzayda lineer hareketleri ifade eden x, y ve z eksenleri 6 serbestlik derecesini oluşturmaktadır. Quadrotorun rotorlarının birbirinden bağımsız olarak kontrol edilebilmesi bu hareketlerin yapılmasına olanak sağlamaktadır. Bu tez çalışması kapsamında öncelikle quadrotorun doğrusal olmayan matematiksel modeli çıkartılmıştır. Sonraki adımda matematiksel model Simulink ortamında gerçeklenmiştir. Daha sonra gerçek bir quadrotora ait fiziksel parametreler sisteme girilmiştir. Quadrotorun yükseklik, yalpa, yunuslama ve sapma açıları için farklı kontrolcü tasarımları yapılmıştır. Bu tez çalışması kapsamında oransal integral türevsel (PID) kontrolcü tasarımı kullanılmıştır. Tasarlanan PID kontrolcüler Simulink ortamındaki sisteme eklenmiştir. PID kontrolcüde çıkıştan geri besleme ile gelen sinyal referans sinyali ile karşılaştırılmakta ve farkından bir hata oluşmaktadır. PID kontrolcü oluşan hatayı en aza indirgemeye çalışacak bir etki yaparak çıkışa göndermektedir. Hata en aza indirilinceye kadar sürekli olarak çıkıştan girişe geri besleme ile hatalar belirlenmekte ve kontrolcü etkisini çıkışa göndererek hata azaltılmaktadır. PID kontrolcü oransal kazanç Kp, integral kazancı Ki ve türevsel kazanç Kd olmak üzere üç kazanç parametresine sahiptir. Oransal kazanç yükselme zamanını azaltmakta ancak sürekli hal hatasını kaldırmamaktadır. İntegral kazancı sürekli hal hatasını azaltmakta ancak geçici hal tepkisinin daha kötü olmasına neden olmaktadır. Türevsel kazanç ise aşımı azaltmakta ve sistemin kararlılığını arttırmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında farklı referans sinyalleri için farklı PID kontrolcü tasarımları yapılmıştır. Yükseklik, ve pozisyon kontrolü için tasarlanan kontrolcülerin söz konusu farklı referans değerlerini başarılı bir şekilde takip ettiği görülmüştür. Ayrıca PID Tuning yöntemiyle de kontrolcü tasarımı yapılmıştır. Bu yöntemde PID katsayıları Matlab tarafından otomatik olarak belirlenmektedir. Ancak bu yöntemle belirlenen kontrolcülerin quadrotorun fiziksel parametreleriyle uyumsuz olduğu anlaşılmıştır çünkü rotorların üretebileceği maksimum tork değeri aşılmaktadır. Bu tez çalışmasında parametre belirsizliği altında kontrolcülerin performansı da incelenmiştir. Qudrotorun kütlesi (m) ve eylemsizlik momentleri (Ix, Iy ve Iz) için parametre belirsizliği uygulanmıştır. Tasarlanan PID kontrolcülerin parametre belirsizliği altında birim basamak ve sinuzoidal referans değerlerini başarılı bir şekilde takip ettiği görülmüştür. Tasarlanan konrolcülerin gürültüye karşı dayanıklılığı da incelenmiştir. Sistemin giriş ve çıkışlarına ayrı ayrı gürültü verilerek, kontrolcülerin performansı incelenmiştir. Sonuç olarak tasarlanan kontrolcülerin gürültüye de dayanıklı olduğu görülmüştür. PID Tuning ile tasarlanan kontrolcüler için de parametre belirsizliği ve gürültü uygulanmıştır. Ancak kendi tasarladığımız kontrolcülerin PID Tuning ile tasarlanan kontrolcülere kıyasla parametre belirsizliğine ve gürültüye karşı daha dayanıklı olduğu anlaşılmıştır.
Doyum noktalarında çalışan 4-boyutlu uçak otopilotu için engelden kaçma performans ölçüleri
Sabit kanatlı hava araçları için engelden kaçma literatüründe, kaçınma yörüngesi hesaplayan birçok algoritma bulunabilir. Bu çalışmada, bu tarz algoritmalar tarafından hesaplanan yörüngeleri 3 uzaysal boyutta ve zaman boyutunda takip edebilen bir kontrolcü tasarlanmıştır. Kontrolcü iki negatif geribesleme döngüsü ile tasarlanmış olup, iç döngüde hava aracının ataletsel dengesini kontrol eden, gürbüz ve çok giriş çok çıkışlı bir durum uzayı kontrolcüsü kullanılmıştır. Dış döngüde ise hava aracının 4 boyuttaki seyrüseferini yaptıran birkaç PID kontrolcü kullanılmıştır. Engelden kaçma uygulamaları sırasında hava aracına agresif manevralar yaptırıldığı için eyleyiciler doyum noktalarına ulaşabilmektedir ve integral yığılması denilen problem sebebiyle kontrolcülerin durum değişkenlerinde istenilmeyen birikmeler olabilmektedir. Hava araçlarında bu durum özellikle itiş kuvveti eyleyicisinde yaşanmaktadır çünkü itiş kuvveti eyleyicisi ile hava sürati arasındaki dinamikler diğer eyleyicilere kıyasla yavaştır. Diğer taraftan iç geribeslemesinde kullanılan kontrolcünün de olduğu çok giriş çok çıkışlı durum uzayı kontrolcülerinde integral yığılması çözümleri karmaşıktır ve düzeltici nitelikte oldukları için performans düşürürler. Bu çalışmadaki kontrolcü için itiş kuvveti eyleyicisinin doyum noktalarını benimseyen ve bu probleme çözüm getiren bir durum makinası kurulmuştur. İtiş kuvveti eyleyicisinin doyuma uğradığı durum, yığılma probleminin çözümüne direk olarak entegre edildiği için performansı yüksektir. Üstelik çözümün tasarımı görece basittir ve kolayca anlaşılabilir, uygulanabilirdir. İntegral yığılmasını çözen durum makinası sistemi ile desteklenmiş kontrolcü sisteminin istenilen 4 boyutlu hedeflere başarıyla ulaşabildiği örnek benzetimlerle gösterilmiştir. Kurulan sistem hem yüksek performansıyla hem de varış zamanlarını doğru bir şekilde takip edebilmesi özelliğiyle engelden kaçma algoritmaları için özellikle uygun niteliktedir. Bu tezin katkıları arasında, literatürdeki engelden kaçınma algoritmalarının ürettiği yörüngeleri takip eden bir kontrolcü sistemi tasarlamanın yanı sıra bu yörüngelerin takip edilebilir olup olmadığının anlaşılabilmesi için bir engelden kaçma performans ölçüsü tanımlanması da vardır. Engelden kaçma manevraları için öncelikle bir agresiflik parametresi tanımlanmış, bu agresiflik parametresi ile tanımlanmış manevraların ne doğrulukta gerçekleştirilebildiğine Monte-Carlo testleri ile bakılmış, belli bir doğruluk ihtiyacına sahip olan uygulama için bir performans ölçüsü belirlenebilmiştir. Böylelikle engelden kaçınma manevralarına ihtiyaç duyabilecek uygulamalarda, hava aracına yaptırılacak kaçınma manevrası için maksimum noktalardaki 4 boyutlu hedef noktaları belirlenebilmiştir. Tezin üslubu uygulamalı yazılmıştır. Kontrol sistemleri tasarımlarının, integral yığılmasını önleyen sistem tasarımlarının ve performans ölçülerini bulan Monte-Carlo testlerinin hepsinde örnek olarak Cessna 172 uçağı üzerinden çalışılmıştır.
İnsansız hava aracı sistemlerinde hata tespit yaklaşımları
İnsansız hava araçlarının günümüzdeki kullanım alanının hızla artmasıyla birlikte özellikle kontrol yüzeylerinde oluşabilecek problemlein erken tespiti için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bu hata tespitleri, insansız hava araçları (İHA) için sistem güvenliği, dayanıklılık ve güvenilirliğin sağlanmasında önemli bir rol oynar. Bu tez, insansız hava araçlarında irtifa dümeni, yön dümeni ve kanatçık gibi kontrol yüzeylerinin kilitlenmesi, sisteme rastgele giriş değerlerinin verilmesi ve benzeri gibi farklı hata senaryoları için doğrusal olmayan sistemler için Genişletilmiş Kalman Filtresi ve Kokusuz Kalman Filtresi yöntemlerinin uygulanmasını göstermektedir. Sensör sonuçları ile tahmin sonuçları arasında karşılaştırma yapıp ilgili durumların tahminini sunmaktadır. İlk olarak,dinamik ve kinematik denklemlerin yardımıyla hava aracı sisteminin doğrusal olmayan durum uzay sistemi formüle edilmiştir. İnsansız hava aracının ayrodinamik parametreleri rüzgar tüneli deneyleri, uçuş testleri ve parametre benzetim yöntemleri gibi yöntemlerle belirlenmiş, gerekli varsayımlar yapılmış ve sistem matematiksel ortamdan çıkarılıp Simulink ortamında modellenmiştir. Ardından, filtreleri uygulamak için irtifa dümeni, yön dümeni ve kanatçık gibi farklı kontrol yüzeyleri için belirli sürelerde sistemde oluşan farklı hata senaryoları oluşturulmuş ve sistem modeline uygulanmıştır. Sonrasında hatalı kontrol yüzeyinin etkilediği yunuslama, yuvarlanma ve sapma hareketlerinden ilgili hareket durumları incelenmiş ve hata tespitleri gözlemlenmiştir. Son olarak, ölçüm ve filtre tahminleri yorumlanmıştır. Sistem MATLAB ve Simulink ortamında modellenmiştir. Yöntemlerin performansları simülasyon sonuçları kullanılarak yorumlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Kalman filtresi, İnsansız hava araçları, EKF, UKF, Doğrusal olmayan sistemler, Modelleme, Matlab, Simulink, Elektronik uçuş kontrol sistemleri, Aktüatör hata tespiti, Durum uzay modelleri
Yeni nesil kablosuz ağlarda kapasite ve kapsama alanı eniyilemesi için dron baz istasyonlarının kullanımı
Son yıllarda meydana gelen teknolojik gelişmeler, İnsansız Hava Araçlarının (İHA) ya da daha çok bilinen şekliyle dronların hem ticari hem de askeri alanda bir çok uygulamada kullanılabilmesine olanak sağlamıştır. Dronların kullanımı ile gözetleme, arama ve kurtarma, malzeme dağıtımı, haberleşme gibi çeşitli uygulamalarda düşük maliyetli ve etkin çözümler sağlanmaktadır. 5G ve ötesi haberleşme sistemlerinin hedeflediği çok yüksek veri kapasitesinin ve servis kalitesinin sağlanması noktasında da dronların önemli rol oynayacağının görülmesi üzerine bu alanda araştırmalar hızlanmıştır. Ayrıca, askeri haberleşmede dronların kullanımı da bu alandaki araştırmaları motive etmektedir. Dronların haberleşmede kullanımında en önemli problemlerden bir tanesi dron baz istasyonlarının (DBİ) 3 Boyutlu (3B) uzayda nasıl konumlandırılacağıdır. Bu tez çalışmasında pratik varsayımlar altında DBİ'lerin konumlandırılması kullanıcı veri kapasitesine bağlı şekilde modellenmiş ve çeşitli senaryolar kurgulanarak özgün konumlandırma yöntemleri önerilmiştir. Bu kapsamda öncelikle ağın doğrusal ve logaritmik veri kapasitelerinin eniyilenmesi problemi incelenmiş ve kümeleme temelli hızlı çalışan gerekli DBİ sayısını ve pozisyonlarını belirleyen bir yöntem önerilmiştir. Kullanıcıların düzgün dağılmadığı belli bir bölgede yoğunluk barındıran ağlar için DBİ konumlarının DBİ kullanıcı eşleşmesi ile birlikte optimize edilmesi önerilmiştir. Askeri bir uygulama olarak taktik sahada DBİ'lerin kullanımı ele alınmış ve kullanıcı pozisyonlarını kestirip vurulma olasılığını azaltan özgün bir DBİ konumlandırma yöntemi önerilmiştir. Bir diğer senaryoda, DBİ'lerin güvenilirlik oranlarının haberleşme sistemlerine göre düşük olması ve taktik sahalarda DBİ'lerin etkisiz hale getirilme olasılıkları göz önünde bulundurularak DBİ'lerin konumlandırılması incelenmiştir. Bu kapsamda bir DBİ devre dışında kaldıktan sonra ağın performansını iyileştiren özgün konumlandırma yöntemleri geliştirilmiştir. Tanımlanan problemlerin konveks olmaması sebebiyle meta sezgisel yöntemlerden yararlanılmış ve en yüksek çözüm doğruluğuna ulaşan yöntem belirlenmiştir.
Sirkülasyon pompası uygulamalarında kalıcı mıknatıslı senkron motorun vektör kontrolü ve EEI optimizasyonu
Pompaların dünyadaki enerji tüketiminde %20'lik bir orana sahip olduğu dikkate alındığında eski teknolojili sabit devirli pompaların sebep olduğu enerji sarfiyatının büyüklüğü gözler önüne serilmektedir. Avrupa birliğinin aldığı kadar gereği 2013 yılından itibaren sabit devirli sirkülasyon pompalarının %95'lik kısmının satışı yasaklanmıştır. Avrupa'da yeni nesil ıslak rotorlu pompa kullanılmasıyla yapılabilecek yıllık enerji tasarrufu yaklaşık 23 milyar kWh elektrik enerjisidir. Avrupa birliği üyesi ülkelerde sirkülasyon pompalarının enerji verimlilik endeksinin 0.23'ün üzerinde olması durumunda satışı yapılamamaktadır. Alman hükümetinin uyguladığı BAFA isimli bir teşvik programıyla eski nesil sirkülasyon pompalarını yeni nesil yüksek verimli ve enerji verimlilik endeksi 0.2'den küçük olan sirkülasyon pompası ile değiştiren kişilerin yatırımlarının %30'u devlet tarafından karşılanmaktadır. Bu durumda pompa üreticileri piyasada tutunabilmek için pompalarında daha yüksek verimli elektrik motorları ve sürücü sistemleri kullanmaya yönelmişlerdir. Motorda yüksek verim elde etmek amacıyla eski nesil sirkülasyon pompalarında kullanılan asenkron motorlar, yüksek verimli sürekli mıknatıslı senkron motorlar ile değiştirilmiştir. Motordaki sürtünmeyi azaltmak ve soğutmayı kolaylaştırmak içi ise sirkülasyon pompası uygulamalarında motor tasarımında genellikle ıslak rotorlu sürekli mıknatıslı senkron motor tasarımı tercih edilir. Bu yapıda rotor ve stator birbirinden bir kılıf ile ayrılır ve rotor su içinde döner. Tez kapsamında enerji verimlilik endeksi 0.2'den büyük olan sirkülasyon pompalarının mıknatıslı senkron motorları için geliştirilen kontrol algoritması ile enerji verimlilik endeksi azaltılmıştır. Bu kontrol algoritması belirlenen debi değerleri için oluşturulan hız referans tablosunun vektör kontrol yöntemine entegre edilmesiyle debi değerine göre motorun referans hızını değiştirir bu sayede pompanın daha verimli çalışması sağlanmaktadır. Geliştirilen algoritmada EEI değerinin hesaplanması için deneysel ölçümler yerine yarı analitik metodoloji kullanılmıştır. Yarı analitik metodun kullanılmasındaki temel hedef EEI hesabı için gerekli olan deneysel uğraşı azaltmak ve farklı üreticilere ait pompaların EEI değerinin kolaylıkla sistematik olarak belirlenmesini sağlamaktır. Bu yöntemin temel amacı pompanın yük profilindeki her çalışma noktasındaki tükettiği elektriksel güç P_(Li)'yi yarı analitik bir yöntem kullanarak belirlemektir. Tezin ikinci kısmında yeni nesil yüksek verimli sirkülasyon pompalarının yapıları ve kontrol tipleri incelenmiştir. Temel pompa bilgileri ve hidrolik tanımlar verilmiştir. Üçüncü kısımda, yeni nesil yüksek verimli sirkülasyon pompalarında kullanılan sürekli mıknatıslı senkron motorlar incelenmiştir. Öncelikle kullanılan mıknatıs tiplerinin özellikleri incelendikten sonra mıknatıslı motorlar sınıflandırılmıştır. Bu sınıflandırmanın ardından SMSM'un parametrelerinin ölçüm yöntemleri anlatılmış ve tez kapsamında kullanılan motorun parametreleri bu yöntemler ile ölçülmüştür. Bu bölümün sonunda ise SMSM'un detaylı matematiksel modelleri çıkarılmıştır ve bu modeller motorun kontrol algoritmasının anlaşılması için oldukça önemlidir. SMSM'un detaylı matematiksel modeli çıkartıldıktan sonra dördüncü kısımda tez kapsamında geliştirilen algoritmanın test edildiği prototip motorda da kullanılan ve motor d-q matematiksel modelini referans alan vektör kontrol metodu incelenmiştir. Vektör kontrole ilişkin temel bilgiler, sensörlü vektör kontrol, tez çalışmasında da kullanılan açık çevrim akı tahmini ile sensörsüz vektör kontrol yöntemine ilişkin detaylar verildikten sonra tez kapsamında geliştirilen q ekseni akımı ile debi tahmini ve basma yüksekliği tahmini gibi pompa parametrelerini tahmin eden algoritma anlatılmıştır. Bu tahmin algoritmaları sayesinde pompanın bağlı olduğu sisteme ilişkin parametreler, debimetre ve fark basınç ölçer gibi pahalı ölçüm cihazları olmadan tahmin yöntemiyle elde edilmiş ve motorun sistem isterine uygun hızda dönmesi sağlanmıştır. Bu bölümün sonunda ise tez kapsamında kullanılan kontrol kartının donanım yapısı tanıtılmış ve ilgili kısımların devre şemaları verilmiştir. Tezin beşinci kısmında, DIN EN 16297-1 standartına uygun olarak ıslak rotorlu sirkülasyon pompa enerji verimlilik endeksi hesabının nasıl yapılacağı detaylı olarak anlatılmıştır. Daha sonra ise geliştirilen EEI optimizasyon yönteminin detayları ve uygulanışı adım adım açıklanmıştır. Yöntemin temeli olan referans hız tablosunun oluşturulması için geliştirilen yarı analitik yöntem Mathcad ortamında sayısal olarak çözümlenerek prototip pompa için referans hız tablosu oluşturulmuştur. Tezin son kısmında ise beşinci kısımda Mathcah ortamında sayısal çözümleme ile elde edilen referans hız tablosu vektör kontrol yöntemine entegre edilerek pompa üzerinde test edilmiştir. Tez kapsamında çalışılan ve geliştirilen kontrol yöntemleri dünyanın üç büyük pompa üreticisi bir Alman pompa firmasının EEI değeri 0.23 olan bir ıslak rotorlu sirkülasyon pompasına uygulanarak EEI değeri 0.20'ye düşürülmüştür. Tezin tüm aşamalarında ölçüm ve testler yapabilmek için tasarlanıp üretimi yaptırılan hidrolik test ve elektriksel parametre ölçüm sisteminden faydalanılmıştır. Tezin başlangıç noktası olan ve Avrupa piyasasına satışa sunulamayan ürünler için kontrol algoritması geliştirme hedefine ulaşmıştır. Kullanılan standart kontrol algoritması yerine geliştirilen kontrol algoritmasının kullanılması sayesinde, pompaların EEI değeri düşürülmüş ve pompalar dünya pazarına satılmıştır.
Sabit kanatlı insansız hava araçlarında çoklu otopilot sistemleri
İnsansız hava araçları kullanılmaya başlandığı ilk günden bugüne beraberinde getirdiği yeniliklerle son yüzyıllardaki savunma stratejileri için büyük rol oynamaktadırlar. Bu hava araçları askeri ve sivil bir çok farklı alanda kullanım bulmaktadırlar. Özellikle insan faktörünün ortadan kalkması ile birlikte olası kazalarda insan kayıplarının önüne geçilmesi çalışmalara ilgi ve merak uyandırmıştır. Mürettebatı bir bilgisayar sistemi ile değiştirilmiş ve kablosuz veri hattına sahip bu otonom araçlar, insanlı hava araçlarına kıyasla daha düşük maliyetli, aynı zamanda tehlikeli ve sert manevralara da daha töleranslıdır. İnsan faktörünün ortadan kaldırılması ile birlikte hava aracı içerisinde bir kontrol mekanizmasına ihtiyaç vardır. Literatürde farklı birçok kontrol teorisi bulunmaktadır. Bu çalışmada gürbüz kontrolün bir çeşidi olan kayan kipli kontrolcü kullanılarak tasarlanmış otopilot sistemi yedeklenerek, sisteme entegre edilen seçmen algoritması ile MATLAB / SIMULINK ortamında performans analizleri yapılmıştır.Yedeklenen otopilot sistemleri sistemdeki otopilot donanımının iki kez çoğaltılarak otopilotta meydana gelebilecek hataları maskeler. Yapılan analizler üç yedekli otopilot sistemi göz önüne alınarak yapılmıştır. Yapılan analizler ise; yedeksiz ve doğru çalışan otopilot davranışına ait analiz, yedekli sistem - her üç otopilotun doğru çalıştığı durumdaki davranışa ait analiz, yedeksiz ve otopilotun yanlış çalıştığı durumdaki davranışa ait analiz, otopilotlardan herhangi birinin yanlış çalıştığı durumdaki davranışa ait analiz, iki otopilotun da yanlış çalıştığı durumdaki davranışa ait analiz, üç otopilotta da minik bozulmaların olduğu durumdaki davranışın analizi olarak verilmiştir. Bu analizlerde, yedeksiz otopilot sistemlerinde, otopilotta meydana gelebilecek herhangi bir hata durumunda sistemin kararlılığının korunamadığı ve uçuş güvenliğinin sağlanamadığı gösterilmiştir. Bu sebeple yedekli otopilot sistemlerinin gerekliliğini göstermek ve optimum bir güvenlik - maliyet oranıyla uçuş güvenliğini sağlamak için üç yedekli otopilot sistemlerinin güvenlik analizinde özet olarak şu sonuçlar elde edilmiştir. Yedekli sistemlerde, iki otopilot sisteminde hata meydana gelse dahi veya üç otopilotta da küçük seviyede hata meydana gelmesi durumunda, seçmen algoritmasının yedekli otopilot sistemleriyle uyumlu çalışması sayesinde, sabit kanatlı insansız hava araçları için sistemin kararlığının bozulmadığı ve uçuş güvenliğinin sağlandığı gösterilmiştir. Yapılan analizlerin sonucunda otopilotların yedeklenmesinin uçuş güvenilirliğini arttırdığı görülmüştür. Eğer bir sistemin başarısızlık maliyeti olası kazalarda mal ve can kayıplarına sebep oluyor ise, sistem yedeklenerek güvenilirliği arttırılmalıdır. Yedekli sistemlerde kullanılan algoritma herhangi bir kontrolcü tipinde uygulanabilir. Yapılan analizler oldukça yaygın bir başarısızlık olan dümen kaybı senaryosu dikkate alınarak yapılmıştır. Anahtar Kelimeler: N modüler yedekli sistemler, Seçmen algoritmaları, Çoklu sistemler, Sabit kanatlı insansız hava araçları, Triple modüler çoklama, Matlab / SIMULINK
Çok hedefli optimizasyon yöntemleri ile uçuş kontrol algoritma tasarımı
Bu çalışma ile, verilen bir kontrolcü yapısı için çelişen hedeflerin aynı anda sağlanabileceği kontrolcü parametrelerinin bulunması problemi çalışılmıştır. Literatürde, optimizasyon yöntemleri ile tasarlanmış kontrolcü sistemleri yer almaktadır. Ancak "compromise Decision Support Problem" yöntemi ile tasarlanan bir kontrol algoritması yer almamaktadır. Aynı zamanda literatürde doğrusal olmayan bir çeviklik kriterinin de olduğu optimizasyon çalışması bulunmamaktadır. Dolayısı ile çalışma kapsamında yeni kriter ile birlikte bu alanda kullanılmamış bir optimizasyon yöntemi kullanılarak optimum kontrolcü tasarımı yapılacaktır.
Anten servo sistemi için PID, LQG ve kayan kipli kontrolcü tasarımı ve performans kıyaslaması
Antenler, elektromanyetik dalgalardan istifade ederek uzun mesafeler arasındaki veri iletişimini sağlayan sistem elemanlarıdır. Günümüzde sivil ve askeri uygulama alanlarında, özellikle haberleşme ve radar sistemlerinde antenler yaygın olarak kullanılmaktadır. Hassasiyet ve takip doğruluğunun önemli olduğu bu çalışmalarda anten birimini yanca ve yükseliş eksenlerinde istenilen hedefe yönlendiren servo kontrol sistemleri kullanılır. Doğru akım motoru, hız ve konum denetimi gerektiren servo sistem uygulamalarında önemli bir tahrik unsurudur. Başarılı performans sunması, yüksek verimlilik sağlaması ve kolay bir şekilde kontrol altında tutulabilmeleri sayesinde pek çok uygulamada çeşitli amaçlar doğrultusunda doğru akım motorlarından faydalanılmaktadır. Pratik uygulamalarda sistemler gürültü ve titreşim gibi çeşitli bozucu etkenlere maruz kalabilmektedir. Yine benzer etkenlerden dolayı sistem birimlerinde yer alan parametreler zamanla değişebilir veya tam olarak bilinmeyen parametrelerle modelleme yapılması sebebiyle sistemde belirsizlikler oluşabilmektedir. Hassasiyeti ve takip doğruluğunu olumsuz yönde etkileyen bu gibi etmenler sebebiyle servo sistemlerde kullanılan denetim yönteminin iyi seçilmesi gerekir. Bu kapsamda, kullanılan denetim yöntemlerinin daha hızlı tepki gösterme, bozuculara ve belirsizliklere karşı dayanıklı olmak gibi davranış sergilemeleri istenir. Bu çalışmada, matematiksel modeli çıkarılan anten servo sistemi için sistemin çıkışı olan konumu kontrol etmek amacıyla geleneksel bir kontrol türü olan PID, dayanıklı doğrusal olmayan bir kontrol türü olan kayan kipli kontrol ve bir optimal kontrol türü olan doğrusal karesel Gaussian (LQG) yöntemleri ile kontrolcü tasarımı yapılmış, tasarlanan kontrolcülerin MATLAB/Simulink uygulaması kullanılanarak benzetim ortamında uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Benzer uygulamalar pratikte karşılaşılabilecek bozucu ve belirsizlik içeren benzetim ortamlarında da yapılarak kontrolcülerin gürbüzlüğü değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar çeşitli performans analiz yöntemlerinden yararlanılarak incelenmiştir. Tasarlanan kontrolcülerden elde edilen sonuçlar karşılaştırıldığında, anten servo sisteminde kullanılabilecek en uygun kontrol yöntemi kayan kipli kontrolcü olarak belirlenmiştir.
İnsansız hava aracının boylamasına durum vektörlerinin kalman filtresi ve luenberger gözleyici ile kestirilmesi
Günümüz dünyasında insansız hava araçlarına duyulan ilgi sürekli olarak artmaktadır. Ortamdan bağımsız olarak esnek hareket kabiliyetine sahip olmaları, piste ihtiyaç duymadan dikey iniş ve dikey kalkış kabiliyetlerinin olması, kullanım alanlarına göre kullanıcıya yüksek doğruluk, zaman ve maliyet açısından tasarruf sağlamaları nedeniyle hem askeri hem sivil alanda insansız hava araçları önemli bir araştırma ve ilgi konusu haline gelmiştir. Sürücüsü olmaması sebebiyle bu dinamik sistemlerin etkili bir kontrol mekanizmasına sahip olmaları gerekmektedir. Etkili bir kontrol sağlamak için, sistem dinamiklerini yöneten durum vektörlerinin doğru bir şekilde kestirim edilmesi gerekmektedir. Böylece hava aracının gelecek kontrol girişleri en doğru şekilde ayarlanarak sistemin gerçek zamanlı ölçüm verisine sahip olması sağlanır. Fakat dinamik bir sistemin durum vektörlerinin kestirim edilmesi o kadar da kolay değildir. Sistemden elde edilen gürültülü ölçümler, sistem modelindeki belirsizlikler ve sistemin karmaşıklığı durum vektörlerinin kestirim edilmesini zorlaştırır. Literatürde durum kestirimi için çok çeşitli yöntemler mevcuttur. Bu tez çalışmasında, doğrusallaştırılmış boylamasına durum uzayı gösterimi ile ifade edilen insansız hava aracının hücum açısı, yunuslama oranı, hava hızı ve yunuslama açısı durum vektörlerinin kestirimi için Kalman Filtresi'nin doğrusal versiyonu ve Luenberger Gözleyici seçilmiştir. Öncelikle insansız hava aracının boylamasına durum uzayı gösterimi MATLAB ortamında modellenmiş ve daha sonra söz konusu filtre ve gözleyici MATLAB ve SIMULINK ortamında tasarlanmıştır. Tasarlanan filtre ve gözleyici için sisteme hem sabit değerlere sahip giriş sinyalleri hem de farklı frekanslı sinüs sinyalleri verilmiştir. Daha sonra Kalman Filtresi ve Luenberger Gözleyici için gürültülü ve gürültüsüz ortamda simülasyonlar yapılmıştır. En son olarak, Kalman Filtresi ve Luenberger Gözleyici'nin modellenen hava aracının durum vektörlerini kestirim etme performansları kıyaslanmıştır. Elde edilen simülasyon sonuçlarına göre Kalman Filtresi hava aracının durum vektörlerini kestirim etme konusunda stokastik ortamda Luenberger Gözleyici'den daha yüksek bir performans gösterirken, ortamda düzensizlik olmadığı durumlarda Luenberger Gözleyici Kalman Filtresi'nden çok daha başarılı bir şekilde sistemin durum değişkenlerini kestirim etmiştir.
Güdümlü bir mühimmatın kanatçık tahrik sistemi için gürbüz kontrolcü tasarımı ve uygulanması
Güdümlü mühimmatlar; temel olarak, bir güdüm algoritmasına bağlı olarak çalışan ve hedefi yüksek hassasiyetle vuran bombalardır. Güdümlü mühimmatların, hedefe yönlendirilmesi ve istenilen hedefin başarılı bir şekilde vurulabilmesi, Kanatçık Tahrik Sistemleri(KTS) aracılığı ile gerçekleştirilir. Bu yüzden, KTS için tasarlanacak olan kontrolcüler önem kazanmaktadır. KTS için klasik ve modern kontrol tasarımı yöntemleri kullanılabilmekle birlikte, KTS için tasarlanacak olan kontrolcülerin belirsizlikler altında çalışması ve bozucu bastırma özelliğinin yüksek olması gerekmektedir. Literatürde gürbüz kontrol kuramına yönelik farklı metotlar olmasına rağmen, bu çalışmada gürbüz kontrol metotlarından biri olan H∞ kontrol metotu tercih edilmiştir. Bu çalışma, temel olarak; KTS için tasarlanabilecek olan klasik kontrolcülerin belirsizlikler ve bozucu etkiler altında yetersiz olduğunu göstermekle birlikte, daha gürbüz olan kontrolcülerin kullanılması gerektiğini de açıklamaktadır. Bu çalışma; KTS sistem için tasarlanacak olan gürbüz bir H∞ kontrolcünün gerçek bir sisteme deneysel olarak uygulanması da anlatılmaktadır.
Derecelendirilmiş ve dalgalı çok katmanlı fotonik yapılarda ışığın etkin kontrolü
Fotonik, fotonik kristallerin periyodik olarak düzenlenmesi ile oluşturulan yapıların optik özelliklerini analiz ve kontrol etmemizi sağlayan, ışık akışını manipüle etmeye dayalı bir bilim dalıdır. Lord Rayleigh'nin 1887 yılında yaptığı çalışmalarla temelleri atılan bu bilim dalı, 20. yüzyılda devrim yaratan yeni teknolojilerin oluşumunda önemli bir role sahiptir. Burada, fotonik kristallerin zamansal ve uzamsal dağılım özellikleri kullanılarak, etkin yapı tasarımları ile ışık akışının kontrolü sağlanabilmekte ve gelişmiş optiksel özellikler elde edilebilmektedir. Bu tez çalışmasında, iki boyutlu fotonik kristal yapıları ile optik görünmezlik, ışın yönlendirme, afokal yakınlaştırma/uzaklaştırma ve uzamsal filtreleme gibi optiksel uygulamalar için yapı tasarımları önerilmiştir. Bu bağlamda, ilk olarak, derecelendirilmiş kırılma indisi (DKİ) yaklaşımı incelenerek dörtlü Luneburg lens sistemine dayalı yönlü görünmezlik pelerini tasarımı sunulmuştur. Burada, gelen ışığın lenslerin kesiştiği ara bölge ile herhangi bir etkileşime girmeden geçtiği ve dolayısıyla gizlenmek istenen nesnenin bu karanlık bölgeye yerleştirilerek optiksel olarak saklanabileceği gösterilmiştir. Daha sonra, DKİ ortamları sıvı kristaller (SK) ile birleştirilerek herhangi bir mekanik hareket olmadan aktif bir şekilde kontrol edilebilen ışın yönlendirici ve afokal lens sistemi tasarımı yapılmıştır. Gelen ışığı aktif bir şekilde kontrol edebilmek için halka şeklindeki polimer çubuklara SK infiltre edilmiş ve SK'lerin yapısal özellikleri sayesinde dışarıdan uygulanan voltaj ile DKİ ortamının etkin kırılma indisi profili değiştirilmiştir. Bu bağlamda, a/λ = [0.10-0.15] ve a/λ = [0.15-0.25] normalize çalışma frekanslarında ∆θout = 44° açı değişime sahip bir ışın yönlendirici ve x 2.15 ışın çapı büyütme özelliğine sahip afokal lens sistemi tasarımı elde edilmiştir. Burada a örgü sabiti ve λ gelen ışığın dalga boyudur. Bu bölümde tasarımı yapılan yapılar geometrik optik ile analitik olarak incelendikten sonra, sayısal analizleri zaman alanında sonlu farklar metodu (FDTD) ile yapılmıştır. Gizleme etkisi ise üç boyutlu yazıcı tekniği ile üretilen yapının mikrodalga deneyleri yapılarak doğrulanmıştır. Tezin bir sonraki bölümünde ise Bragg konfigürasyonunda açısal filtreleme elde edebilmek için dalgalı çok katmanlı fotonik yapıların FDTD simülasyonları ile tasarım ve analizi sunulmuştur. Uzamsal filtrelemenin daha önce gösterilmiş olduğu Laue konfigürasyonuna kıyasla, Bragg konfigürasyonunda tasarlanan yapıların üretimi teknolojik olarak daha zordur, çünkü bu tür yapıların boylamsal periyotları çalışılan dalga boyundan daha kısa olmalıdır. Bu zorluğa bir çözüm olarak, tasarlanan çok katmanlı yapılar, fiziksel buhar birikimi ile üretilmiş ve deneysel doğrulaması görünür ışık tayfında yapılmıştır.
Metayüzeylerin tasarımı ve optoelektronik aygıt uygulamaları
Son zamanlarda, meta-yüzeyler ışığın dalga boyundan daha küçük ölçeklerde ışığın faz, genlik ve polarizasyonunu modüle etmek için ümit vaat eden bir yöntem olarak ortaya çıkmıştır. Meta-yüzeyleri, ışığın fazını eğimli optik yol boyunca toplayarak manipule eden geleneksel optik malzemelerle karşılaştırdığımızda nano boyutlu antenlerden oluşan meta-yüzeyler düz bir yüzey boyunca ışığı kontrol ederler. Bununla birlikte, tamamen dielektrikten oluşan metayüzeyler geleneksel optik elementlerin yerine kayıplı plazmonik bileşenlerden daha iyi olan ve daha az üretim zorluğu getiren çok ince metayüzeylerin kullanılmasına yol açmaktadır. Genel metayüzey yaklaşımı olan çapları değişen nano sütunlardan oluşan metayüzey yerine farklı yaklaşım olarak nano delik yapılar denenmiştir. Nano delik ile tasarlanan mercek yapısı ile görünür bölgede 70% üzerinde odaklama verimliliği elde edilmiştir. Ayrıca karşılaştırmalı olarak nano sütun ve nano delik ile oluşturulan iki farklı metayüzey incelenmiş ve nano delik ile oluşturulan yapıların daha iyi performans sağladığı gösterilmiştir. Geleneksel optik malzemeler ile ayarlanabilir odak uzunluğu çalışmaları mevcuttur. Tezin üçüncü kısmında, Moiré mercek yapısı metayüzey yaklaşımı ile yeniden tasarlanmıştır. Birbirlerine dik olarak yerleştirilen iki zıt faza sahip metayüzeyden oluşan yapı metayüzeylerden birinin kendi ekseni etrafında dönmesi ile farklı odak oluşturur. Yapının odak noktası değişimi ve performansı incelenmiştir.Ayrıca, çok odaklı ayarlanabilir sistem önerilmiştir. Bu yapı sayesinde çok odak ve tek odaklı bir sitem elde edilebilir. Güneş pilleri, gelen ışığın faklı dalgaboylarına ayrılması ve her bir dalgaboyunun uygun foto-voltaik malzemeler tarafından soğurulmasıyla daha verimli çalışırlar. Tezin dördüncü bölümünde ışığı dalgaboylarına ayrıştırmak için metayüzey tabanlı bir tasarım önerilmiştir. Bu tasarımda ışığı öncelikle bükücü bir metayüzey ile faklı açılarda bükerek ayırmayı daha sonra ayrılan farklı dalgaboyuna sahip hüzmeleri uygun bir düzlemde odaklamaya çalışılmıştır. foto-voltaik malzemeler üzerine meta-yüzey tabanlı bir mercek ile odaklanması gösterilmiştir. Işığın doğada bir doğru boyunca ilerlemediği hüzme türleri çeşitli yöntemlerle gerçekleştirilmiştir. Tezin beşinci bölümünde doğrusal olarak hareket etmeyen Bessel tipi ışınlar metayüzey tabanlı bir tasarımla üretilmiştir. Tasarlanan metayüzeyler sahip oldukları özel faz dağılımları ile ışığa başlangıç fazı sağlayacak ve ışık istenilen yörüngede hareket ettirmiştir. Tasarlanan metayüzey karekteri nedeniyle geniş dalga boyu aralığında bu tarz ışınları üretmiştir. Tezin altıncı bölümünde Baş Üstü Gösterge tasarımı yapılmıştır. Geleneksel elemanların aksine daha az yer kaplayan ve daha verimli olan dalga kılavuzu yapılı sistem tasarlanmıştır. Dalga kılavuzu ve ızgara yapıları ile tasarlanan yapının çalışması gösterilmiştir.
Mikronaltı boyutta litografik yüzey-ışımalı lazer tasarımı ve nümerik analizi
Mikronaltı boyutlara sahip lazerler, 3 boyutlu tarama ve algılama teknolojilerinin de gelişmesiyle birlikte büyük hacimli lazerlere karşı sahip oldukları yüksek verim, yüksek modülasyon hızı ve düşük eşik akımı gibi avantajlar sayesinde bu alandaki araştırmaların odak noktası olmuştur. Yüzey-ışımalı lazerlerin mikronaltı boyutlara inebilmesi gerek üretimden kaynaklı yapıda oluşan deformasyonların yol açtığı kayıplar, gerekse optik kipi kavite içinde sınırlandırmak için kullanılan yöntemlerden dolayı oldukça zordur. Bunun ana nedeni, güncel olarak kullanılan oksit-açıklık ve derin-dağlama yöntemleri ile optik kipin ve yük taşıyıcıların aynı anda dalga boyundan daha küçük bir bölgeye hapsedilmesindeki zorluktur. Litografik yüzey-ışımalı lazerlerde optik kip ve yük taşıyıcıların hapsetme işlemleri litografik yöntemler ile sağlandığından küçük boyutlara inebilmeye olanak sağlamaktadır. Bu tez kapsamında litografik yüzey-ışımalı lazer tasarımı geliştirilmiş, optik ve elektriksel özellikleri nümerik yöntemler ile analiz edilmiştir. Kavite parametreleri farklı açıklık çapı değerleri ve efektif kırıcılık indisi farkları için incelenmiştir. Yapı içerisine yerleştirilen fazladan bir katman sayesinde mikronaltı boyutlarda yüksek kalite faktörlerine ulaşılmış ve yapının yüksek güçlü tek-kip operasyon kabiliyetine sahip olduğu gösterilmiştir. Ayrıca ileri besleme gerilim uygulandığı durumda, yerleştirilen bu katman sayesinde yapı içerisinde ters gerilim oluşturulmuş, akımın geçmemesi istenilen bölgelerde yüksek gerilimlerde bile yük taşıyıcıların geçişi durdurulmuştur.
Akıllı ev cihazlarının dijital ikizleri üzerinden sosyal ve bilişsel beceriler kazanarak liberalleşmesi için sis bilişim ve dağıtık hesap defteri teknolojisi tabanlı bir mimari tasarım
Nesnelerin İnterneti (IoT) ekosisteminin belki de insan hayatının en içindeki uygulama alanı olan Akıllı Ev ve akıllı ev tipi cihazları, tüketiciler nezdinde, tüketicilerin bütün iyimser beklentilerine rağmen hayatlarına uyarlamakta tereddüt ettikleri teknolojiler olarak bulundukları emekleme dönemi içinde bocalamasını sürdürmektedir. Bu bocalamanın nedenlerini anlamak üzere derlenen araştırmalar, özel hayatın gizliliğine dair duyulan kaygıları, insan-merkezli yaklaşımın yoksunluğunu, Bilgi'nin özgürlüğünün kısıtlanması ile gerçek değerinin altında kullanılmasını, siber güvenlik ile ilgili endişeleri ve de IoT ve beraber çalıştığı teknolojilerin henüz gerçek potansiyeline ulaşamamış olmasını, tüketicilerin evlerinde IoT çözümlerini kullanmakta yaşadıkları tereddütlerin altında yatan temel sebepler olarak ortaya koymaktadır. Bunların yanında, IoT'nin hali hazırda başa çıkmaya çalıştığı kaynak fakirliği, ölçeklenebilirlik, servis kalitesi, mobilite, heterojenlik, beraber-çalışabilirlik, siber güvenlik, gizlilik ve yenilikçilik gibi zorluklar da hem bu tereddütleri körüklemekte hem de bu tereddütlerin giderilmesini daha mücadeleci bir noktaya taşımaktadır. Akıllı Ev teknolojilerini tüketiciler için çekici hâle getirmek, bahsi geçen zorlukların belirli bir seviyede de olsa hafifletilmesi ve bahsi geçen tereddütlerin giderilmesi yanında, Akıllı Cihazların, insanların İnternet'e olan yaklaşımında ve ilişkilerinde çığır açan Sosyal Medya uygulamalarındaki ilişkilerine benzer sosyal ilişkiler kurarak ve de öğrenme, kavrama, gerektiğinde karar verme gibi bilişsel yeteneklerle donatılarak, insanların ev ortamındaki konforlarını ve yaşam kalitelerini yükseltmek üzere hayatlarına ve karar süreçlerine sezgisel ve pürüzsüz bir biçimde dahil olup, gerçek anlamda katma değer katabilen uygulamaları desteklemeleri ile mümkün görünmektedir. İşte bu tez çalışması, son dönemde stratejik önem arz eden Dijital İkiz (DT), Dağıtık Hesap Defteri Teknolojileri (DLT) ve Sis Bilişim paradigmalarının IoT'nin zorluklarına getirdikleri çözüm potansiyelini kullanmak adına, Akıllı Ev ortamındaki akıllı ev tipi cihazlarının dijital ikizlerini, Sis Bilişim'in bir elemanı olan Akıllı Ev ağ geçidine yerleştiren ve bu Dijital İkizlerin Dağıtık Hesap Defteri Teknolojilerine katılımıyla Sosyal ve Bilişsel Nesnelerin İnterneti uygulamalarına imkân veren özgün bir model önermektedir. Önerilen model, kendisi için belirlenen çift yönlü ve güvenli Akıllı Cihaz – Dijital İkiz bağlaşımı, Dijital Kuklaların engellenmesi, Akıllı Cihaz sahibinin mutlak mülkiyet haklarını kullanması ve Dijital İkizlerin liberalleşmesi gereksinimlerini karşılamanın yanında oluşturduğu teknoloji sentezi ile IoT'nin zorluklarını hafifletmiş ve böylece tüketicilerin tereddütlerini giderebilecek Bilgi'nin serbestliğini ve ekonomik özgürlüğünü destekleyen ve bunu yaparken de güvenlik ve gizlilikten ödün vermeyen, açık bir ekosistemin mümkün ve de faydalı olabileceğini göstermiştir. Son olarak, referans model üzerinde öngörücü bakım, Akıllı Cihaz verisi satışı, kullanım eniyilemesi, Hizmet-olarak-Akıllı-Cihaz ve kullanım/kalite bazlı ücretlendirme gibi dağıtık uygulamaların kullanım senaryolarının incelenmesi ile, Akıllı Cihazların bağlantılı olma, sosyal ve bilişsel yeteneklerinin sadece akıllı olarak addedilmek için değil de tüketicilerin beklentilerini gözeterek, onların yararına çalışmak için akıllı olması durumunda tüketiciler için kullanılabilirlik ve benimsenebilirlik potansiyeline sahip oldukları ortaya konmuştur.
Panoramik X-ray diş görüntülerinde diş bölgesinin ve dişlerin makine öğrenimi ve derin öğrenme ile bölütlenmesi
Panoramik X-Ray diş görüntülerinden dişlerin olduğu bölgenin ve dişleri bölütlenmesi, çeşitli hastalıkların belirlenmesi için önemli hale gelmiş bulunmaktadır. Özellikle son dönemde gelişen teknoloji ile birlikte çalışmalara dahil olmaya başlayan Yapay Zeka (AI) temelli yapılar, hem dişlerin tespiti ve bölütlenmesi sürecini kısaltmayı hem de diş hekimlerine karar destek yapıları oluşturarak yanlış teşhisi ortadan kaldırmayı amaçlamaktadır. Ham görüntülerdeki diş olmayan piksellerin diş olan piksellere göre fazla olması ve görüntülerdeki kontrast ve renk seviyesinin bölgesel olarak farklılık göstermemesi görüntü işlemeyi zorlaştırmaktadır. Bu tezin amacı, panoramik x-ray görüntülerindeki dişlerin olduğu bölgeyi ve dişleri otomatik olarak bölütleyebilmektir. İlk olarak, görüntülerin boyutlarını hem her görüntü için sabit olması hem de işlemsel olarak hızlı sonuçlar almak için düşürerek alt-örnekleme yapılmıştır. Sonraki aşamada, görüntülerdeki diş alanının merkez noktası otomatik olarak belirlenmiştir. Daha sonra piksellerin yeğinlik değerleri, bulunan merkez noktasına göre x koordinatı, bulunan merkez noktasına göre y koordinatı ve 3x3 penceresinde maksimum ve minimum değerlerin çıkarılmasıyla elde edilen öznitelikler kullanılarak diş bölgesinin bölütlenmesi gerçekleştirilmiştir. Bunun için bir Makine Öğrenme (ML) algoritması olan CatBoost algoritması kullanılmıştır. Makine Öğrenme (ML) modeli oluşturulurken, veri setinin ezberlenmesini önlemek için eğitim veri setinin k-kat çapraz doğrulaması ve hiper parametrelerin ızgara arama optimizasyonu yöntemleri uygulanmıştır. Diş bölgesini tam olarak bölütleyebilmek için makine öğrenmesi modelinden elde edilen her sonucun üzerinde ağız bölgesinin deforme olabilen şekiller uydurulmuştur. Bu sayede diş bölgesi içinde bulunmayan piksellerden kurtulunmuş ve diş bölgesi bölütlemesi yapılmıştır. Diş bölgesini bölütledikten sonra Derin Öğrenme (DL) modeli oluşturulup bu modele sadece bölütlenen diş bölgeleri giriş olarak verilmiştir. Model içinde karalılığı sağlamak ve işlem hızını arttırmak amacıyla elde edilen bölütlenmiş diş bölgeleri görüntülerinin boyutları düşürülerek alt-örnekleme yapılmıştır. Derin Öğrenme (DL) sonucunda her görüntü üzerinde dişlere ait olan bir pencere elde edilmiştir. Her pencere içindeki dişlerin tam bölütlenmesi için Tony F. Chan ve Luminita Vese (Chan-Vese) algoritması uygulanmıştır. Bu sayede pencereler dişlerin şeklinde küçültülmüş ve bölütmele işlemi yapılmıştır. Sonuçlar, Makine Öğrenmesi (ML) ve Derin Öğrenme (DL) için öğrenme eğrisi; dişlere ait olan piksellerin doğruluğunu ölçmek için F1, doğruluk, hatırlama ve kesinlik skorları kullanılarak analiz edilmiştir.
Tek kamera ve Lidar verisi ile konum kestirimi
Navigasyon çözümlerinin temel bileşenlerinden biri olan konum kestirimi problemi,günümüzde çoğunlukla küresel konumlama sistemi (KKS) ile diğer kaynaklardan elde edilen verilerin (ataletsel ölçüm birimi, sayısal arazi yükseklik verisi haritaları, barometrik basınç sensörü, tekerlek kilometre sayacı vb.) bir arada kullanılmasıyla çözülmektedir. KKS sinyallerinin kullanılamadığı ortamlarda ise konum kestirimi problemi literatürdeki açık problemler arasında yerini korumaya devam etmektedir. ̇Insanlı veya insansız, otonom veya değil farketmeksizin, herhangi bir aracın/robotun KKS sinyallerini kullanamadığı durumlarda da seyrüsefer görevini yerine getirebilmesi için, doğru ve yüksek hassasiyetli konum kestirimi yapabilmesi gerekmektedir. Altı serbestlik dereceli konum kestirimi için kullanılan çeşitli yöntemler ile algılayıcı donanımlar detaylı incelendiğinde herbirinin çeşitli avantajlarının ve dezavantajlarının bulunduğu anlaşılmaktadır. Farklı kaynaklardan elde edilen verilerin birarada kullanıldığı yöntemlerin, altı serbestlik dereceli konum kestirimi probleminin çözümünde daha iyi sonuçlar verdiği görülmektedir. Bu tez çalışmasında, tek bir kamera ve lidar sensörü kullanılarak, KKS sinyallerinin kullanılamadığı ortamlarda altı serbestlik dereceli konum bilgisinin kestirilmesi problemi ele alınmıştır. Tek bir kameradan alınan verilerin işlenmesi ile elde edilen konum bilgisinin, kestirilemeyen bir ölçek dahilinde doğru olduğu bilinmektedir. Doğru metrik ölçülerle konum bilgisini kestirebilmek için bu ölçek bilgisinin çeşitli yöntemlerle hesaplanması gerekmektedir. Bu tezde, kameradan alınan resim kareleri üzerindeki piksellerle, Lidar sensöründen elde edilen metrik veriler kullanılarak altı serbestlik dereceli konum bilgisi mutlak ölçekler dahilinde hesaplanmıştır. Önerilen algoritmanın testleri KITTI odometri veri kümesi üzerinde yapılmıştır. KITTI odometri veri kümesi; hareketli bir otomobilin üzerine yerleştirilmiş olan stereo kameralar, Lidar, ataletsel ölçüm birimi (AÖB) ve Küresel Konumlama Sistemi'nden elde edilen verilerle oluşturulmuştur. KITTI odometri veri kümesi içerisinde yer alan tek bir renkli kamera verisi ile Lidar sensörü verileri bu tezin konusu olan algoritmanın testleri için kullanılmıştır. KKS ve AÖB'den elde edilen veriler ise önerilen Görsel-Lidar Odometri algoritmasının başarısını kıyaslamak üzere referans olarak kullanılmıştır. KITTI odometri veri kümesi kullanılarak elde edilen test sonuçları, tek bir kamera verisi ile Lidar taramaları kullanılarak geliştirilen Görsel-Lidar Odometri yönteminin, maliyetli optimizasyon yöntemlerine ihtiyaç duyulmadan tutarlı konum bilgisi üretebildiğini göstermiştir.
Hava araçları için optik arayüz kullanarak sanal küresel seyrüsefer uydu verisi oluşturma
Bu çalışmada, hava araçlarının küresel seyrüsefer uydu sistemi (Global Navigation Satellite System, GNSS) verileri karıştırıldığı durumlarda kullanılmak üzere sanal küresel seyrüsefer uydu sistemi verisi oluşturma amaçlanmıştır. Günümüzde GNSS verileri düşük maliyetli radyo frekansı körelticiler tarafından bozularak, GNSS verilerini kullanan aygıtları kullanılmaz hale getirmektedir. Çalışmada, elektrooptik tabanlı yer istasyonu ile hava aracı arasındaki eğimli mesafe, yükseliş ve yanca açıları hesaplanarak hava aracının konum bilgisi GNSS verilerinden bağımsız bir şekilde belirlenmektedir. Elektrooptik tabanlı bu yapıda 3 farklı sensor kullanılmaktadır. Lazer mesafe ölçer yer istasyonu ile hava aracı arasındaki mesafeyi ölçmek için, manyetik alan ölçer yanca açısını ölçmek için ve ivmeölçer yükseliş açısını ölçmek için kullanılmaktadır. Çalışmada deneysel olarak STEVAL-STLKT01V1 geliştirme kartından elde edilen sensör verileri işlenerek sensörlerin ölçüm hatalarının konum hatasına etkisi analiz edilmiştir. Bu çalışmada yardımcı seyrüsefer sistemi geliştiricilere yöntemler sunulmuş ve sensor ölçüm hatalarının konum hatasına etkisi analiz edilerek, ödünleşim çalışmalarına ışık tutulmuştur.
Küresel konumlama sistemi kaybı olan ortamlarda insansız hava araçları için geliştirilen alternatif seyrüsefer tekniği
İnsanlı ve insansız uçaklarda küresel konumlama sistemindeki (GPS) kayıp, uçağın seyrüseferini etkilemektedir, fakat insanlı uçaklarda pilot tarafından seyrüsefer devam edebilirken, insansız uçaklarda uçağın kırımı gibi bir sonuç ile karşılaşılabilinmektedir. Bu sebeple, küresel konumlama sistemi olmayan ortamlarda uçakların seyrüseferlerine devam edememesi en sık görülen seyrüsefer sorunlarından birisidir. GPS kaybı durumunda, ataletsel seyrüsefer sistemi (INS) ile uçaklar seyrüseferine bir süre devam edebilse bile, uçaklardaki sürüklenmeden kaynaklı konumundaki hata gittikçe artmaktadır ve uçak takip edebilmesi gereken rotadan uzaklaşmaktadır. Bu sebeple bu tezde GPS bilgisinden beslenmeyen uçak üzerine yeryüzünü görecek şekilde yerleştirilmiş faydalı yük kamerası ile insansız hava aracının (İHA) konumunu bilmesini sağlayan bir sistem geliştirilmiştir. Bir tanesi uçak üzerine yerleştirilmiş faydalı yük kamerasından, bir diğeri de uydudan alınmış GPS konumu bilinen görsellerin olduğu iki adet görüntü verileri bulunmaktadır. Çeşitli öznitelik çıkarma sinir ağı modelleri ve iki görüntü seti içerisinde normalleştirilmiş değişken ortak enformasyon kullanılarak İHA'nın konumunun tespit edebilen bir yöntem geliştirilmiştir. Uydudan gelen görüntü setindeki görseller GPS konumları ile birlikte etiketlenip, İHA aracına verilmektedir. Bu iki görüntü seti öznitelik belirleme ve sınıflandırma için kullanılan sinir ağından geçirilip, öznitelikleri belirlendikten sonra, bu öznitelikler tasarlanan iki adet sinir ağından daha geçirilmektedir. İlk sinir ağında geçirildikten sonra, uydu görsellerinin İHA'dan gelen görsellerin içinde olup olmadığı tespit edilip, eğer İHA'dan gelen görüntü içerisinde uydu görselleri var ise, ikinci sinir ağından daha geçirilip, İHA konumunun uydu görselleri üzerinden eşleştirilmesi yapılmaktadır. İkinci sinir ağından alınan sonuçlara ile birlikte iki görüntü seti içerisinde normalleştirilmiş değişken ortak enformasyon kullanılmaktadır. İkinci sinir ağından gelen konum bilgisi sonucuna, normalleştirilmiş ortak enformasyon hesabında daha fazla ağırlık verilerek, eşleşmenin maksimum olduğu bölge aranmaktadır. GPS kaybı durumunda, İHA'dan alınan görseller içerisinde önceden verilmiş etiketlenmiş uydu görselleri aranıp ve uydu görselinden gelen obje, İHA görüntüsü üzerinden tespit edildiği anda, uydu görselinin GPS bilgisi, insansız hava aracına verilmektedir. Önerilen algoritmayı test etme amacıyla İHA tarafından toplanmış görüntüler ve uydudan alınmış görseller içeren iki veri seti bulunmuş ve etiketleme işlemleri yapılmıştır. Önerilen algoritma farklı öznitelik çıkarma sinir ağları kullanılarak, İHA görüntülerinin birleştirildiği ve birleştirilmediği senaryolarda test edilmiştir. Ortak enformasyon işlemi sonrasında elde edilen sonuçların, sinir ağının çıktılarına kıyasla, ortalama kareli hata ve kesişim kümesi oranları bakımından daha üstün olduğu gözlemlenmiştir.
İki eksen gimbal sistemleri için gürbüz kontrol yöntemlerinin karşılaştırılması
Bu tez kapsamında iki eksen gimbal sistemleri için gürbüz kontrol yöntemlerinin uygulanması ve karşılaştırılması incelenmiştir. Gerçek sistem ile teorik model arasındaki farklar belirsizlik olarak alınmıştır. Bu belirsizliklere göre gürbüz kararlılık ve gürbüz performansın sağlanması için gürbüz kontrol yöntemleriyle tasarım yapılmıştır. Gürbüzlük koşullarının sağlanması için genel 1 serbestlik dereceli H-sonsuz döngü şekillendirme, H-sonsuz karma hassasiyet ve Mu sentezi kontrolcüler tasarlanmıştır. Gürbüzlük koşullarının sağlanmasının yanında daha iyi referans takibi sağlamak için 2 serbestlik dereceli model tabanlı H-sonsuz döngü şekillendirme, H-sonsuz karma hassasiyet ve Mu sentezi kontrolcüler tasarlanmıştır. Tasarlanan kontrolcüler gerçek bir gimbal sistemi üzerinden test edilmiş ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır.
Pedot:PSS kullanarak elektro-iyonik modülasyon'un iyileştirilmesi
Günümüzde, istatistiklere bakıldığında sinirsel rahatsızlıkların yüz milyonlarca insanın hayatını olumsuz yönde etkilediği görülmektedir. Her yıl yaklaşık 15 milyon insan felç olmakta ve bunlardan beş milyonu hayatını kaybederken bir o kadarı da hayatını engelli olarak sürdürmektedir. Literatürde bu olumsuzlukların üstesinden gelmeyi amaçlayan yöntemler bulunmaktadır. Bunlardan birisi sinir aktivasyonu sayesinde felçli hastaların kaslarında kasılmalar elde edebilmeyi amaçlayan Fonksiyonel Elektriksel Uyarım (FES)'dır. Ancak bu yöntemin sürekli bir şekilde kullanılmasına engel olan, bazı istenmeyen etkileri mevcuttur. Yüksek seviyede elektrik akımı uygulanması, uyarımı hedeflenmeyen sinirlerin de uyarılmasına ve sinir sistemini oluşturan dokularda tahribata yol açabilmektedir. Sinirlerin tahrip olmasını engelleyebilmek için sinirsel uyarım eşik değerinin düşürülmesi gerekmektedir. Ayrıca, istenmeyen uyarıların ve bu uyarıların yol açtığı ağrıların önüne geçebilmek için sinirsel bloklama yapılması gerekmektedir; ancak yüksek bloklama akımı uygulanması sinir sistemine kalıcı zarar verebilmektedir. Elektro-İyonik Modülasyon (EIM), FES'in yol açtığı problemlerin üstesinden gelmekte oldukça başarılı olan bir sinirsel modülasyon yöntemidir. EIM, elektrik akımı uygulamasıyla eş zamanlı olarak elektrot üzerindeki arayüz aracılığıyla sinir çevresindeki iyon derişimini değiştirerek uyarım ve bloklama eşik değerlerinde kayda değer bir düşüş elde etmiştir. EIM, sinirsel uyarımın hem kimyasal hem de elektriksel yönünü aynı anda aktif olarak kullanabildiğinden, gerçek hayat uygulamalarında kullanılan diğer elektriksel metotların yerini alma potansiyeline sahiptir. Önceki çalışmamızda, arayüz olarak İyon Seçici Membran (ISM) kullanılarak kurbağanın siyatik sinirinin çevresinden Ca2+ iyonlarının çekilmesiyle gerçekleştirilen in-vivo deneyler sonucunda elektriksel uyarıma göre, sinirsel uyarım eşik değerinde %20-25 oranında, bloklama akımı değerinde %30-40 oranında düşüş gözlemlenmiştir. Ca2+ iyonlarının çekilmesi, sinirde açık durumdaki Na+ iyon kanallarının sayısını artırarak uyarım eşik değerini azaltmaktadır. Bu çalışmada, arayüz olarak artı yüklü iyonlara geçirgen bir iletken polimer olan Poli(3,4-etilendioksitiyofen)polistiren sülfonat (PEDOT:PSS)'in kullanıldığı in-vivo deneylerde sinirsel uyarım eşik değerinde %55-60 oranında düşüş gözlemlenmiştir. PEDOT:PSS kullanımı sonucunda gözlemlenen sinirsel uyarım eşik değerindeki düşüş şu şekilde açıklanabilir; ISM sadece sinir çevresindeki Ca2+ iyonlarını çekerken, PEDOT:PSS sinir etrafındaki pozitif iyonları ISM'e kıyasla daha yüksek miktarda çekmektedir. Sinir etrafından Na+, K+ ve Mg2+ iyonlarının çekilmesi uyarım eşik değerini artıracak yönde bir etki yaratsa bile, yüksek miktarda Ca2+ iyonunun çekilmesi uyarım eşiğini artırıcı yöndeki etkiyi baskılayıp sinirsel uyarım eşik değerinin azalmasını sağlamaktadır. Uyarım deneylerinin sonucuna benzer şekilde, in-vivo ortamda yapılan bloklama deneylerinde bloklama için gerekli akım miktarında %65-70 oranında düşüş görülmüştür. Bu düşüş de ISM'e oranla daha fazla miktarda Ca2+ iyonu çekilmesi ile açıklanabilir. Ayrıca, 24 saat ve 48 saat boyunca kurutulmuş PEDOT:PSS kaplı elektrotlarla yapılan elektro-iyonik deneylerin sonuçları PEDOT:PSS'in 6 ay boyunca fareler üzerinde yapılacak olan implant deneyleri için uygun arayüz adayı olduğunu göstermektedir. Sonuç olarak, kurbağanın siyatik siniri üzerinde yapılan in-vivo deneylerin sonuçları incelendiğinde, ara yüz olarak PEDOT:PSS'in kullanılması ile ISM'e kıyasla neredeyse 2.5 kat daha iyi sonuç elde edildiği görülmektedir. Böylece, daha düşük elektrik akımı ile sinirsel uyarım ve bloklama sağlanarak sinirde oluşacak zarar en aza indirgenmiş, uyarım ve bloklama verimliliği artırılmıştır.
Yoğun çok girdili çok çıktılı sistemlerde sabit ve çok genlikli önkodlamanın dikgen olmayan çoklu erişim ile kullanımı
Kablosuz iletişim, günümüzde bilginin iletilebilmesi için kilit bir rol oynamaktadır. Giderek artan daha yüksek veri hızı, daha etkili güç verimliliği ve daha yüksek spektral verimlilik taleplerini karşılamak için, çok girdili çok çıktılı sistemler kablosuz iletişimde önemli bir yer edinmiştir. Ancak, çok girdili çok çıktılı sistemlerde kullanılan anten sayıları, bu talepleri karşılamak için yeterli olamamıştır. Bu nedenle, baz istasyonlarında bulunan anten sayılarını arttırma prensibine dayanan yoğun çok girdili çok çıktılı sistemler çözüm olarak önerilmiştir. Yoğun çok girdili çok çıktılı sistemler, 5G kablosuz iletişim teknolojilerinde önemli avantajlar sunsa da baz istasyonlarının kurulum maliyetleri yüksektir ve güç tüketimi fazladır. Baz istasyonu kurulum maliyetlerini düşürmek için sabit genlikli önkodlama kullanım fikri ortaya atılmıştır. Sabit genlikli önkodlama, çok antenli ileticide tek bir radyo frekans zinciri kullanarak, etkili ve uygulanabilir güç yükseltimi sağlayan bir iletim tekniğidir. Bu teknikte, kablosuz iletim yapılan her kullanıcıya eşit seviyede çok kullanıcılı girişim enerjisi sunulur ve geleneksel sıfıra zorlayıcı kodlama tekniklerine göre başarılabilir veri hızında kayıplara neden olmaktadır. Bu kayıpları bir miktar geri kazanmak amacıyla, çok genlikli önkodlama fikri ortaya atılmıştır. Çok genlikli önkodlama, yoğun çok girdili çok çıktılı sistemlerde birden fazla radyo frekans zinciri kullanarak, antenlerin gruplanması ve güç ihtiyaçlarına göre antenlere farklı seviyelerde güç paylaşımı yapılması prensibine dayanmaktadır. Bu teknikte, kablosuz iletim yapılan her kullanıcıya eşit seviyede çok kullanıcılı girişim enerjisi sunulmuştur ve sabit genlikli önkodlamaya göre önemli bir performans artışı sağlanmıştır. Yeni nesil kablosuz haberleşme taleplerini karşılamak adına önerilen bir başka çözüm ise dikgen olmayan çoklu erişim tekniklerinin kullanımıdır. Bu çoklu erişim tekniğinde güç ekseninde çoğullama yapılarak farklı kullanıcıların aynı zaman diliminde aynı frekans bandını kullanmalarına izin verilmektedir. Dikgen olmayan çoklu erişim temelde süperpozisyon kodlaması ve ardışık girişim giderici yöntemlerine dayanmaktadır. Bu tezde, biz sabit ve çok genlikli önkodlama fikirlerine dayanarak, kablosuz iletim yapılan kullanıcıların gözlemlediği çok kullanıcılı girişim enerjisini farklılaştırmak amacıyla, yoğun çok girdili çok çıktılı sistemler için sabit ve çok genlikli önkodlamanın, dikgen olmayan çok erişim tekniğiyle birlikte kullanılması fikrini sunduk. Sabit ve çok genlikli önkodlamanın dikgen olmayan çoklu erişimle birlikte kullanımı durumunda, bağımsız ve eş dağılıma sahip Rayleigh sönümlü kanallar üzerinde yaptığımız simülasyonlar gösterdi ki; kullanıcılar kanal durumlarına göre eşleştirilerek, süperpozisyon ve ardışık girişim giderici uygulamaları kullanıldığında farklı gruplarda farklı seviyelerde çok kullanıcılı girişim enerjisi gözlemlenebilmektedir. Çok genlikli önkodlamanın kullanılması, sabit genlikli önkodlamanın kullanılma durumuna göre kullanıcılarda gözlemlenen çok kullanıcılı girişim enerjisini kayda değer biçimde azaltmaktadır.
Entegre fotonik cihazların tasarımına yönelik hesaplama tabanlı yaklaşımlar
Nanofotonik, ışığın hareketinin dalga boyu mertebesinde veya daha küçük boyutlardaki yapılarda incelenmesidir. Fotonik cihazların tasarımı fiziksel bilgilere ve tahminlere dayalı olarak gelişmiştir. Bu sayede, geçmişten günümüze çok sayıda fotonik cihaz sunulmuştur. Yeni bir fotonik cihazın tasarlanması için bilinen bir fiziksel olgudan yararlanılır ve sonrasında fotonik cihaz üzerindeki az sayıda karakteristik parametre elle ayarlanarak istenilen optik özellik elde edilmeye çalışılır. Sonuç olarak, morötesinden orta-kızılötesine kadar farklı dalga boyu aralıklarında çalışan çeşitli fotonik cihazlar tasarlanmıştır. Nanofotoniğin gelişimi fotonik cihazların yoğun bir şekilde entegrasyonunu sağlamak ve çalışma bant aralıklarını genişletmek üzerine devam etmektedir. Öte yandan, fotonik cihazların karmaşıklığı arttıkça tasarım süreçlerinde zorluklar yaşanmaktadır. Örneğin; bir optik niteliği etkileyen çok sayıda karakteristik parametre olduğu durumlarda bu parametrelerin aynı anda ayarlanması gerekmektedir. Ancak, bilinen fotonik cihazlar üzerinde elle parametre ayarlamak istenilen optik özelliği elde edebilmek için yeterli olmamaktadır. Bu noktada şöyle bir yorum yapılabilir; belirtilen tasarım yaklaşımları nanofotoniğin geleceği için yeterli değildir. Karmaşık tasarım problemlerinin üstesinden gelebilmek için nanofotonikte tersine tasarım yöntemleri önerilmiştir. Tersine tasarım yöntemleri ile belirlenen bir tasarım alanı içerisinde istenilen optik özelliği veren bir fotonik cihaz tasarlanabilir. Bunun için bilinen bir fiziksel olgu kullanmak gerekmemektedir ve çok sayıda karakteristik parametre aynı anda eniyilenebilir. Karmaşık tasarımlarda, çeşitli eniyileme algoritmaları ve son yıllarda da makine öğrenmesi yöntemleri kullanılmaktadır. İstenilen optik özellikler maliyet fonksiyonu içerisinde tanımlanır ve algoritma bu maliyet fonksiyonunun değerini azaltacak şekilde karakteristik parametreleri belirler. Maliyet fonksiyonunun değerlerini hesaplamak için elektromanyetik alanları ve dalgaları modelleyen çeşitli nümerik yöntemler kullanılır. Çeşitli nümerik yöntemlerin ve algoritmaların birleştirilmesi sonucunda ise hesaplama tabanlı yaklaşımlar elde edilir. Tezin ilk bölümünde, nanofotonikte tersine tasarım yöntemlerinin tarihsel arkaplanı özetlenmiştir. İlk yapılan çalışmalardan günümüzde yapılan çalışmalara kadar sunulan önemli çalışmalar detaylıca sunulmuştur. Tezin ikinci bölümünde, tercih edilen algoritmalar ve nümerik yöntem detaylıca anlatılmıştır. Entegre fotonik cihazların tasarımında için evrimsel algoritmalar ve pekiştirmeli öğrenme algoritmaları kullanılmıştır. Evrimsel algoritmalar olarak Diferansiyel Evrim ve Genetik Algoritma kullanılmıştır. Ayrıca, pekiştirmeli öğrenme algoritmaları olarak toplamsal pekiştirmeli öğrenme algoritması ve çekici seçim algoritması kullanılmıştır. Nümerik yöntem olarak ise sonlu-fark zaman-boyutu yöntemi kullanılmıştır. Tezin üçüncü bölümünde, optik gizleyici, küçük boyutlu lens, optik bağlayıcılar, mod mertebe çevirici ve çok düzeyli difraktif lens gibi hüzme şekillendirici fotonik cihazlar sunulmuştur. Tezin dördüncü bölümünde, fotonik yasaklı bant yapıları, yani fotonik kristaller (FK'ler), üzerinde eniyileme algoritmaları uygulanmıştır. Sonuç olarak, mod mertebe çevirici FK dalga kılavuzu ve asimetrik ışık iletici FK tasarlanmıştır. Tezin beşinci bölümünde, asimetrik ışık iletici (AIİ), dalga boyu ayırıcılar, polarizasyon ayırıcı, dalga kılavuzu geçiş aracı, optik güç zayıflatıcı ve yansıtıcı yapıları sunulmuştur ki bu yapılar optik nitelik ayırıcı olarak sınıflandırılabilirler. Tezin altıncı bölümünde ise tez kapsamında yapılan çalışmalar özetlenmiştir ve nanofotonikte tersine tasarım yöntemlerine dair son sözler paylaşılmıştır. Özetle, tezdeki çalışmalar sonucunda, hüzme şekillendirici fotonik cihazlar, fotonik yasaklı bant tabanlı yapılar ve optik nitelik ayırıcı entegre fotonik cihazlar tasarlanmıştır. Elde edilen sonuçlar nanofotoniğin geleceği için umut vericidir.
Hareketli baz istasyonu aracılığı ile parçacık filtresi kullanılarak alınan sinyal güç göstergesi tabanlı konumlama
İnsansız hava araçlarının (İHA) baz istasyonu olarak kullanımı son yılların popüler bir araştırma konusudur. İHA baz istasyonlarının konum ve yüksekliklerinin kontrol edilebilmesi büyük avantaj sağlamaktadır. İyi bir konumlandırma için kullanıcı konumlarının bilinmesi gerekmektedir. Özellikle kullanıcıların hareketli olduğu ve GPS benzeri bir konumlandırma aygıtı bulundurmadığı durumlar zorluk yaratmaktadır. Bu çalışmada hareketli baz istasyonu kullanılarak yerde sabit kullanıcı ve hareketli kullanıcının Parçacık Filtresi yardımı ile sabit kullanıcı için konum kestirimi ve hareketli kullanıcı için ise takibi gerçekleştirilmiştir. Parçacık Filtresinde yer alan parametrelerin değiştirilmesi ile farklı senaryolar oluşturularak simülasyonları koşulmuş ve kestirimi iyileştiren parametreler araştırılmıştır. Optimal Hareketli Baz İstasyonu Yüksekliği, yeniden örnekleme yöntemi, parçacık sayısı ve Hareketli Baz İstasyonunun harcadığı toplam enerji değeri getiri götürü analizinde kullanılmıştır.
Doğrusal kontrolcü donanımlarında sinüs sinyaliyle aktif hata tespiti
Doğrusal kontrolcüler dinamik sistemlerin kontrolünde yaygın olarak kullanılmaktadır. Kontrolcü donanımında oluşabilecek bir hata dinamik sistemin yanlış sürülmesine neden olabilir. Bu durum iş güvenliği riski oluşturabilir. Kontrolcü donanımlarında aşırı ısınma, güç kaynağı bozuklukları, radyasyon gibi etkilerden dolayı hata meydana gelebilir. Hali hazırda kontrolcü donanımlarında hata tespit metotları kullanılmaktadır. Bu metotlar pasif hata tespiti metodu olan karşılaştırma yöntemine dayanmaktadır. Aktif hata tespiti ise dinamik sistemlerde hata tespiti yapmak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Aktif hata tespitinin en önemli iki avantajı daha hızlı ve güvenilir olmasıdır. Bu çalışma kapsamında doğrusal kontrolcü donanımlarında aktif hata tespiti yapılması amaçlanmıştır. Aktif hata tespitindeki yardımcı sinyal olarak sinüs sinyali seçilmiştir. Doğrusal kontrolcüde aktif hata tespiti yapılmasının en büyük zorluğu hata tespitinin kontrolcü cevabını etkilemeyecek şekilde yapılmasıdır. Çünkü kontrolcü cevabındaki en ufak bir değişiklik dinamik sistemin yanlış sürülmesine neden olabilir. Bu çalışma kapsamında kontrolcü cevabıyla yardımcı sinyal çıkışının birbirlerinden veri kaybı olmadan ayrılması için ikizlenmiş kontrolcü tasarımı önerilmiştir. İkizlenmiş kontrolcü tasarımında kontrolcü donanımı içerisindeki doğrusal kontrolcü ikizlenir. Doğrusal kontrolcülerden ilki pozitif sinüs sinyaliyle ikincisi negatif sinüs sinyaliyle hata tespiti yapar. İkizlenmiş kontrolcülerin çıkışları toplanarak kontrolcü cevabı elde edilir. Aynı şekilde ikizlenmiş kontrolcü çıkışları birbirlerinden çıkarılarak yardımcı çıkış sinyali elde edilir. İkizlenmiş kontrolcü tasarımı yapıldıktan sonra yardımcı sinüs sinyalinin seçilme kriterleri belirlenmiştir. Yardımcı sinüs sinyalinin frekansı doğrusal kontrolcünün frekans cevabı incelenerek seçilir. Yardımcı sinyal için belirlenen frekansta doğrusal kontrolcünün frekans cevabı büyüklüğü gözlemlenebilir olmalıdır. Yardımcı sinyalin büyüklüğü doğrusal kontrolcü donanımın dijital&analog giriş-çıkış limitlerine göre seçilmelidir. Yardımcı sinyal ve yardımcı çıkış sinyali kontrolcü donanımının giriş-çıkış limitlerine uygun olmalıdır. Yardımcı sinyalin seçilme kıstasları belirlendikten sonra aktif hata tespitinin simülasyon ortamında gerçeklenmesi yapılmıştır. Simülasyon ortamında aktif hata tespitinin gerçeklenmesi için manyetik yükseltici sistemi ve bu sistem için tasarlanmış doğrusal kontrolcü kullanılmıştır. Simülasyon sonucunda aktif hata tespitinin daha önceden tasarlanmış doğrusal kontrolcünün performansını etkilemediği gözlemlenmiştir. Simülasyon ortamında aktif hata tespiti tasarımı dış etmen hatası, örnekleme zamanı hatası ve bit değişimi hatası senaryolarında test edilmiştir ve sonuçlar kaydedilmiştir. Simülasyon testleri yapıldıktan sonra aktif hata tespiti tasarımının deneysel testi yapılmıştır. Deneysel test kapsamında aktif hata tespiti tasarımı Atmega328P kontrolcü donanımına gömülmüştür. Gömülü tasarım dış etmen , örnekleme zamanı ve bit değişimi hatası senaryolarında test edilmiştir ve sonuçlar kaydedilmiştir. Simülasyon ve deneysel testlerden sonra aktif hata tespitiyle hata maskelenmesi yapılmıştır. Hata maskelenmesi için sıcak bekleme dinamik yedekleme tasarımı önerilmiştir ve hata tespit mekanizması oluşturulmuştur. Hata tespit mekanizması yardımcı sinyalin rms değerini kontrol ederek rms değerinin belirtilen sınırların dışarı çıkması durumunda hata tespiti yapar. Hata tespiti yapıldığında hatalı kontrolcüyü basit anahtarlama mekanizmasıyla sistemden izole edilir ve sistem yedek kontrolcüyle sürülür. Hata maskelemesi tasarımı simülasyon ortamında dış etmen, örnekleme zamanı ve bit değişimi hatası senaryolarında test edilmiştir ve sonuçlar kaydedilmiştir
Alçak yörünge uydu haberleşmesi için uyarlamalı kodlama ve kipleme kullanan FPGA tabanlı verici tasarımı
Bu tez çalışmasında, alçak yörünge uydu haberleşmesi için yüksek hızlı ve uyarlamalı kodlama ve kipleme kullanan alan-programlanabilir kapı dizisi (field-programmable gate array, FPGA) tabanlı verici tasarımı yapılmıştır. Alçak yörünge uydularının yörünge hareketleri ve dünyanın kendi ekseni etrafında dönüşü nedeniyle haberleşme kanalı değişkenlik göstermektedir. Bu değişken ortamda verimli ve kesintisiz bir haberleşme sağlayabilmek için uyarlamalı kodlama ve kipleme kullanan bir verici yapısı tasarlanmıştır. Tasarlanan uyarlamalı kodlama ve kipleme kullanan verici yapısı MATLAB ile modellenmiştir. MATLAB ile modellenen tasarımın, MATLAB modeli referans alınarak sayısal tasarımı yapılmıştır. Yapılan sayısal tasarım davranışsal benzetim ortamında referans MATLAB modeli ile doğrulanmıştır. Davranışsal olarak yapılan doğrulamalardan sonra sayısal tasarım, programlanabilir bir donanım olan FPGA üzerinde gerçeklenmiştir. Yüksek performans ve uzay uygulamalarına uygun eşleniğinin 2020 sonuna kadar üretilecek olması sebebiyle Xilinx Kintex Ultrascale xcku060 FPGA üzerinde gerçekleme yapılmıştır. Tasarlanan uyarlamalı kodlama ve kipleme kullanan verici yapısının teorik başarımları, ulaşılan kod oranları ve spektral verimlilik sonuçları çıkarılmıştır. Yapılan tasarımın çalışabildiği en yüksek hızda spektral verimlilik olarak 7,068 değerine ulaşabildiği görülmüştür. Donanım gerçeklemeleri sonucu tasarımın zamanlama analizleri yapılmıştır. Yapılan zamanlama analizleri ile çalışılabilecek en yüksek sistem saat sinyali frekansı belirlenmiştir. Çalışılan saat sinyali frekansları kullanılarak sistemin veri hızları çıkarılmıştır. Geliştirilen uyarlamalı kodlama ve kipleme kullanan ve xcku060 FPGA üzerinde gerçeklenen verici yapısı çıkış sembol hızı olarak 75 Megasembol/saniye (megasymbols per second, Msps), çıkış örnek hızı olarak 300 Megaörnek/saniye (megasamples per second, MSps) hızlarına ulaşabildiği görülmüştür. Tasarım çalışma moduna göre 50,7225 ve 530,1 Megabit/saniye (megabits per second, Mbps) arasında değişebilen giriş hızlarını desteklemektedir.
Pasif optik cihazlardan, dalgaboyu çoğullayıcı, optik modçoğullayıcı/tekilleyici ve optiksel güç bölücü cihazlarınınhedef öncelikli algoritma ile tersine tasarımı ve analizi
Tümleşik fotonik cihazlar, optik ara bağlantılar ve sensörlerden, medikal görüntüleme sistemlerine ve hatta kuantum mekaniği barındıran teknolojilere kadar çok çeşitli uygulamalarda teknolojinin gelişmesi ile gün geçtikçe daha da fazla kilit rol oynamaktadır. Işığın istenilen tayfsal bölgede doğru bir şekilde sezilmesi doğru ve kayıpsız iletimi, yüksek verimlilik ve dayanıklılık günümüz teknolojisinde aranan özellikler olmuştur. Bununla birlikte üretim teknolojileri ve artan malzeme bilgisi ışığında minyatürleşmeye giden teknolojik cihazlarda bu özelliklerin korunması hedeflenmiştir. Ancak, bu optik-fotonik fotonik cihaz tasarım yöntemleri, ne yazık ki dijital elektronik ve havacılık teknolojileri gibi diğer alanların çok gerisinde kalmıştır. Bunun sebeplerinden en önemlisi optimizasyon, bilgisayar gücü ve üretim tekniklerinin son on yılda ancak gelişmesi ve bu cihazlar için kullanılmayı amaçlanması gösterilebilir. Fotonik cihazlar, analitik teoriler ve manuel parametre taramalarının bir kombinasyonu kullanılarak büyük ölçüde elle tasarlanmış ve sonuç olarak yalnızca spesifik parametreler değiştirilerek kısıtlı kütüphaneler oluşturulmuş ve böylece tasarımlar mevcut gerçeklikler üzerinden yapılmıştır. Bunun sonucu olarak ise birkaç on mikrometreden yüzlerce mikrometreleri bulan cihazlar tasarlanmak zorunda kalmış ve bu da günümüz ihtiyaçlarına cevap veremez hale gelmiştir. Tersine tasarım ise günümüzde ihtiyaç haline gelen yüksek performans, düşük güç tüketimi ve boyut hedefine karşılık verecek bir yaklaşım metodudur. Bu tezde, pasif optik-fotonik cihazların tasarımını yukarıda bahsedilen sınırlı tasarım parametresinden kurtararak sayısız değişkenleri barındıran ve tasarımcıya daha önce görülmemiş bir tasarım alanı vadeden tersine tasarım yöntemlerinden biri olan hedef öncelikli algoritma ile yapılmış çalışmalarımız anlatılmaktadır. Bu tasarım yaklaşımında, daha önce ulaşılamamış fonksiyonellik, kompaktlık, sağlamlık ve üretim çeşitliliği mottosu ile tamamen dielektrik pasif optik haberleşme cihazlarının tasarımı gösterilip, fabrikasyon için tasarlanan yapının ayrıklaştırılması üzerine bulgular paylaşılmaktadır. Tezin ilk bölümünde genel konsepte tersine ve geleneksel tasarımları anlatıp literatürden örnekler gösterilip genel anlamda bilgiler sağlanmıştır. Tezin ikinci kısmında ise çalışmalarımızda kullanıp geliştirdiğimiz hedef öncelikli algoritmanın işleyişinden bahsedilmiş olur detayları ve yapıya ulaşma basamakları detaylıca anlatılmıştır. Üçüncü bölümde ise bu algoritma ve simülasyon programları kullanılarak tasarlanan dalgaboyu çoğullayıcı ve tekilleyici sistemleri, mod çoğullayıcı sistemleri ve son olarak optik güç bölücü sistemleri tasarlanmış ve detayları ile açıklanmıştır. Üçüncü bölümün son kısmında ise yapılan diğer çalışmalar ve devam eden çalışmalar hakkında yüzeysel bilgiler verilmiştir. Son bölümde ise yapılan çalışmalar ve yapılabilecekler hakkında öneri ve görüşlerde bulunulmuş ve önümüzdeki on yılda hesaplama gücünün ve optimizasyon tekniklerinin gelişmesi ile nelerle karşılaşacağımız üzerine ön görülerde bulunulmuştur. Anahtar Kelimeler: Tersine dizayn, Optimizasyon, Fotonik, Optik, Dalgaboyu çoğullayıcı/tekilleyici, Optiksel güç bölücü, Mod çoğullayıcı
Makine öğrenme yöntemleriyle hava aracı üzerindeki haberleşme sistemlerinin kanal özelliklerinin belirlenmesi
Havacılık haberleşmesi günümüz haberleşme sistemlerinin oldukça önemli bir parçasıdır. Havacılık haberleşmesinin temeli kablosuz iletişim üzerine kuruludur. Özellikle İHA'larda kablosuz iletişim, gelecekteki kablosuz iletişim sistemlerinin ayrılmaz bir parçası olacaktır. İHA'larda gerçek zamanlı veri aktarımı çok kritiktir. Çünkü İHA'ların yer sistemlerinden sürekli olarak kontrol edilmesi gerekir ve faydalı yük verilerinin gerçek zamanlı olarak yer sistemlerine iletilmesi gerekir. İHA haberleşmesinin kesilmemesi için haberleşme sisteminin tasarlanması aşamasında dikkat edilmesi gereken hususlar vardır. Dikkat edilmesi gereken en önemli konu uçak gövdesi gölgelemesidir. İHA antenleri, uçak gövdesi gölgelemesine eğilimlidir. Antenlerin yerleştirildiği uçak yüzeyleri ana görüş hattı yolunu kapatır. Bu da haberleşmede kesilmelere sebep olur. Bir diğer önemli konu, bağlantı bütçe analizlerinde kullanılan kayıpların, gerçek zamanlı olarak değişkenlik göstermesidir. Tasarım aşamasında dikkate alınan kayıplar pratik uygulamalarda farklılık gösterdiğinden haberleşmede kesilmeler meydana gelmektedir. Bu nedenlerle, pratik uygulamalarda tüm negatif etkiler dâhil olmak üzere gözlemlenen uçtan-uca kanallar teorik hesaplamalardan oldukça farklıdır. Bu çalışmada, tüm negatif etkiler dâhil olmak üzere uçtan-uca kanal özellikleri belirlenmektedir. Kanal özellikleri modeli için geçmiş uçuşlar sırasında ölçülen verilere makine öğrenme yöntemleri uygulanmaktadır. Geçmiş uçuşlardaki yer anteni konumu, hava aracı konumu, hava aracı Euler açıları ve hava aracı alınan sinyal gücü verileri kullanılmaktadır. Her bir konum ve Euler açısı verisine karşılık gelen, yer modeminin çıkışından İHA modemi girişine kadar sinyalin maruz kaldığı bütün negatif etkiler hesaplanmaktadır. Eksik veriler ise makine öğrenme yöntemleri ile bulunmaktadır. Makine öğrenme yöntemleri ile bulunan modeller içinde en iyi sonuçların ensemble bagged trees (EBT) ve üstel Gaussian process regression (GPR) yöntemleri ile alındığı görülmüştür. Veriler işlenerek bulunan girdilerin test sonuçları, ham verilerin test sonuçlarına göre daha kötü çıkmıştır. Ancak hem işlenmiş hem de ham verilerle alınan sonuçlar teorik analiz sonuçlarından daha iyidir.
Kompakt ve az güç tüketen elektro-optik modülatörler için tersine tasarım ile üretilen optik yapı elemanları
Elektro-optik modülatörlerin kullanımı boyut ve verimlilik açısından kısıtlıdır. Elektro-optik modülatörlerin performans kriterleri arasında yer alan dalga kılavuzu uzunluğu ve bu dalga kılavuzuna uygulanan elektrik alanın yarattığı yapıcı ve yıkıcı girişimler bu cihazların en önemli özelliği olan elektro-optik etkiler yoluyla incelenmelidir. Bilindik elektro-optik modülatörlerden biri olan Mach-Zehnder Modülatör bu kapsamda incelenebilir. Mach-Zehnder Modülatörler Y-eklem parçalarından oluşturulabilmektedir. Bu parçalardan Y-eklem yapıların performansından ödün vermeden Y-eklemin kol uzunluğunun kısaltılabilmesi önem arz etmektedir. Kol uzunluğu cihazın boyutuna doğru orantıyla etki edecektir. Aynı şekilde, modülasyon etkisinin kullanılması için ihtiyaç olan aktivasyon gerilimi de boyut değiştikçe değişime uğrayacaktır. Yüzey alanının azalmasıyla beraber, güç tüketimi de azalacak ve böylece maliyet açısından da daha karlı yapılar üretilebilecektir. Bu noktada, tasarımların boyut ve güç olarak daha makul seviyelere çekilebilmesi gerekmektedir. Ortaya çıkan performans sonuçları, sezgisel yöntemle yapılan fotonik tasarımlarla incelenmiştir. Ancak, sezgisel yöntemlerle dene-yanıl yapılarak tasarlanan fotonik sistemler hem performans açısından yetersiz kalabilmekte, hem de belli bir boyuttan daha küçük olamamaktadır. Günümüzde, fotonik tasarımları tersine tasarım yöntemleriyle geliştirerek yapılabilecek tasarımların çeşitliliği artırılabilmektedir. Sezgisel yöntemlerle elde edilen performanslara benzer seviyelerde cihazlar daha küçük boyutlarda ve böylece az güç tüketecek şekilde tasarlanabilmektedir. Bunun için optik ve geometrik parametrelerin değiştirilmesi ve hazırlanacak konfigürasyonda farklılığa gidilerek tasarım tarzının değiştirilmesi gerekmektedir. Topoloji değişikliği yaparak geometri açısından daha başarılı yapılara ulaşılabilmektedir. Kırıcılık indisi dağılımı serbest bırakılarak elektrik alan dağılımı üzerinde yapılan değişimler gözlenerek iteratif algoritmalarla istenilen seviyelerde başarım oranına, istenilen boyutlarda varılabilmektedir. Normalde, sezgisel yöntemle yapılabilen tasarımların çözüm kümesi parametreler ile limitli iken, tersine tasarım topolojisi kullanarak hazırlanan tasarımların parametre uzayı çok daha fazla olmaktadır. Bu sebeple, tez kapsamında elektro-optik modülatörlerin temel fonksiyonları incelenmiş ve burada ortaya çıkan küçültme ve verimlilik sorunlarına tersine tasarım yöntemiyle çözüm getirilmiştir. Tersine tasarım yöntemleri incelenmiş ve yöntemlerden biri olan hedef öncelikli algoritma ile SPINS arasındaki fark anlatılmıştır. Tez çalışmasında kullanılan SPINS ile iki farklı yapı tasarlanmıştır. Yapılan çalışmalarda tasarlanan yapılardan biri 3D yazıcı ile üretilmiş olup deneyler sonucunda ümit verici sonuçlara erişilmiştir. Bu tasarımlar elektro-optik modülatörlerin modellenmesinde farklı konfigürasyonların ve başarılı, kompakt ve az güç tüketen tasarımların önünü açabilir.
Akıllı şebekelerde yük şekilleme tabanlı mahremiyet koruma stratejilerinin karşılaştırmalı analizi
Son yıllarda küresel çapta elektrik kullanımındaki ve elektrik üretim-tüketim çeşitliliğindeki artış, daha modern bir elektrik şebekesi ihtiyacını doğurmuştur. Akıllı şebeke konsepti, geleneksel elektrik şebekesini iki yönlü haberleşme ağı ile birleştirerek bu ihtiyaca cevap vermeyi amaçlamaktadır. Böylece, şebeke gerçek zamanlı olarak izlenebilmekte, kesintilere ve arızalara daha hızlı cevap verilebilmekte, kaçak kullanım tespit edilebilmekte, şebeke dağıtık bir şekilde yönetilebilmekte ve talep katılımı gibi yeni servisler sağlanabilmektedir. İleri ölçüm altyapısı (İÖA) bu akıllı şebeke mimarisinin temel yapıtaşlarından biridir. İÖA, elektrik kullanımının periyodik ya da isteğe bağlı olarak ölçülmesine, toplanmasına ve analiz edilmesine olanak sağlamaktadır. Böylece, şebekenin daha etkin ve güvenilir olmasını sağlamaktadır. İÖA sistemlerinin merkezinde bulunan akıllı sayaçlar (AS) da elektrik kullanımını gerçek zamanlı olarak ölçebilmekte, ve servis sağlayıcıya (SS) ya da kullanıcıya sık ve hassas ölçüm verisi gönderebilmektedir. Ancak, veri bilimindeki gelişmeler sayesinde bu yüksek çözünürlüklü ölçüm verisi farklı amaçlar için de kullanılabilmektedir. Özellikle, Girişmsel Olmayan Cihaz Yükü İzleme (GOCYİ) teknikleri bu veriyi cihaz kullanımlarına ya da nihai kullanımlara ayırabilmektedir. Bu nedenle, AS verisinden bir çok mahrem bilgi (evin boş olup olmadığı, ev sakinlerinin demografik bilgileri, günlük alışkanlıkları, vs.) çıkarılabilmektedir. Bundan dolayı, AS verisinin kötü niyetli kullanımının önüne geçmek önem arz etmektedir. Literatürde kullanıcı mahremiyetinin sağlanması için bir çok farklı teknik öne sürülmüştür. Bunlardan bazıları kriptografik teknikler kullanarak veriyi saklarken, bazıları veriye gürültü ekleyerek veriyi bozmaktadır. Kullanıcı bilgisini anonimleştirmek ve ölçüm frekansını azaltmak da mahremiyeti sağlamak için öne sürülmektedir. Bu tekniklerin arasından, elektrik kullanımını çizelgeleyerek dışarıya mümkün olan en az bilginin çıkmasını sağlayan yük şekilleme metotları etkinlik ve kullanılabilirlik açısından öne çıkmaktadır. Bu tezde, yük şekilleme tabanlı mahremiyet koruma stratejileri ile ilgili bir dizi karşılaştırmalı analiz sunulmaktadır. Giriş bölümünde akıllı şebekeler, İÖA, AS, talep katılımı, GOCYİ gibi kavramlar açıklanmakta ve literatürdeki çeşitli mahremiyet yaklaşımları özetlenmektedir. Ardından gelen dört bölüm, yük şekilleme tabanlı mahremiyet ile ilgili dört bağımsız çalışmayı konu almaktadır. İlk bölümde, literatürdeki 8 farklı yük şekilleme tabanlı mahremiyet koruma stratejisi, ortak bir stokastik optimizasyon çerçevesi altında karşılaştırılmakta ve analiz edilmektedir. İkinci çalışmada, ilk çalışmaya ek olarak SS'nin de amaç fonksiyonları ele alınarak, talep katılımı çerçevesinde kullanıcının amaçlarını (mahremiyet dahil) optimize etmenin SS'nin amaç fonksiyonlarını nasıl etkilediği analiz edilmektedir. Üçüncü çalışma, akıllı elektrik sayaçlarının reaktif gücü de ölçmesine odaklanmakta ve mahremiyetin tesis edilmesi için hem gerçek gücün hem de reaktif gücün birlikte şekillenmesi gerektiğini göstermektedir. Dördüncü çalışma, yeni gelişmekte olan akıllı su ve doğalgaz ölçümünü de akıllı elektrik ölçümü ile birlikte ele almakta, ve kullanıcı mahremiyeti problemini tüm akıllı ölçümleri dahil eden bütüncül bir anlayışla çözmeye çalışmaktadır. Sonuç ve öneriler de son bölümde sunulmaktadır. Bu tezde sunulan karşılaştırmalı analizler, literatürdeki yük şekilleme tabanlı mahremiyet koruma metotlarının adil bir biçimde karşılaştırılabilmesini ve bunların SS'nin amaç fonksiyonları üzerindeki etkilerinin görülebilmesini sağlamaktadır. Ayrıca, literatürde henüz çalışılmamış olan bütüncül mahremiyet ile gerçek ve reaktif güç şekilleme tabanlı mahremiyet koruma konularına ışık tutmaktadır.
Yüksek hızlı yongalar arası baskı devre tabanlı iletim hattı geliştirilmesi
İlerleyen günümüz yarı iletken teknolojileri ile birlikte kısa sürede yüksek hızlarda veri işlenmesi ve transferi mümkün hale gelmiştir. Radar, uydu, cep telefonu, bilgisayar gibi bünyesinde birçok alt sistemi de barındıran ileri teknoloji ürünler; telekomünikasyon, savunma, uzay ve havacılık sanayisi gibi sektörlerde yüksek hızlı yongalardan oluşan karmaşık mimariler barındırmaktadırlar. Yüksek frekanslarda faaliyet gösteren elektronik ürünlerde; iletilen sinyalin güç kaybı, iletim hattındaki yansımalar, çapraz sinyal girişimi, elektromanyetik yayılım, sinyal üzerindeki gürültü gibi sinyal kalitesine etki eden parametreler tasarımın başarısız ya da düşük performanslı çalışmasına neden olabilmektedir. Tüm elektronik sistem mimarisinin omurgasını oluşturan baskı devre kartları ise sistem kararlılığı ve güvenilirliği açısından hayati önem taşımaktadır. Bu çalışmanın amacı; geliştirme aşamasında olan yüksek bant genişlikli yongaların hızlı ve ucuz maliyetli testlerini gerçekleştirebilmek amacıyla baskı devre tabanlı, slot geçişli test platformu geliştirilmesidir. Bu çalışma kapsamında; çok kanallı, 5 Gbps bant genişliğinde, yüksek hızlı yongalar için ara yüz tasarımı yapılmış, sistem bütünü seviyesinde yüksek hızlı ara yüzün S-parametre modellemeleri, Vektör Network Analizör (VNA) kalibrasyon ölçümleri, baskı devre kartı üzerindeki sinyal kalitesine etki eden faktörlerin modellenmesi ve test ölçümleri yapılmıştır. Tasarımı doğrulamak için 3 adet IPC-Class 3 kategorinde tasarlanan baskı devre kartı ürettirilmiştir. Tasarım ve üretim; yonga taşıyıcı kartı için slot ve RF konektör arayüzü sağlayan sırtlık kartı, yonga taşıyıcı kartı ve VNA ile ölçüm için gerekli 5 adet SMA konektör girişli test kartından oluşmaktadır. Yonga taşıyıcı kartı FR408HR dielektrik üzerinde 100 µm genişliğe, 15 µm kalınlığa sahip mikro şerit, 50Ω empedans kontrollü, 96 kanaldan oluşmaktadır. Kanal 77.45 mm mikro şerit iletim hattı için 2.5 GHz frekans bant genişliğinde -10 dB altı sinyal yansıma değerine (S11), -1.72 dB iletim hattı kaybına (S21) sahiptir. Kanal çıkışına 1 metre, maksimum 6 GHz bant genişliği destekli RF kablo eklenmesi dâhilinde iletim hattı kaybı -3.53 dB olmaktadır. Sinyal hattı üzerindeki yakın uç çapraz girişim gürültüsü (S31) -10 dB altında, uzak uç çapraz girişim gürültüsü -20 dB altında kalmaktadır. Çapraz girişime neden olan agresif kanal, sessiz sinyal hattına 7.5 mm uzunluk, 0.2 mm mesafe ile paralel olarak akupledir. Ölçüm bant genişliği 2.5 GHz olarak belirlenmiştir.
Sabit kanatlı hava aracı için kuaterniyon tabanlı optimal doğrusal karesel düzenleyici veintegral kontrolcü
Literatürde, Euler tabanlı uçak modellerine dayanan birçok çalışma, düzenleme ve takipsorunları üzerinde durmaktadır. Ancak, kuaterniyonlar, tekilliklerden kaçınma ve cebirsel özelliklerin kolaylığı gibi birçok iyiözelliklere sahip olsalar da, sabit kanatlı uçaklariçin bu problemleri çözmektenadirenkullanıldıkları görülmüştür.Kuaterniyonlar, Euler açılarının neden olduğu üç boyutlu serbestlik derecesinin kaybı anlamına gelen gimbal kilitlenmesini önler vebu gibibirçok yönden avantaj sağlar.Literatürdekuaterniyonçalışmalarıdaha çokuzay araçları, uydu araçları ve drone'lar için tercih edilmiştir. Bu çalışmadaise, mevcut araştırma durumunun genişletilmesi amacıyla Airlib kütüphanesinin sağladığı Euler tabanlı uçak modeli, kuaterniyon tabanlı bir uçak modeline dönüştürülmüştür. Daha sonra, kuaterniyon tabanlı doğrusal kareseldüzenleyici ve kuaterniyon tabanlı doğrusal karesel integral kontrolcüsüsentezlenmişve Cessna 172 uçak modelineuygulanmıştır. Kontrolcütasarımı ve tüm sistemin simülasyonu MATLAB / Simulink ortamında yapılmıştır.Kontrol teorisinde, düzenleme problemi, optimal kontrol problemlerinin önemli bir sınıfıdır. Düzenleyici problemlerini çözmenin amacı, durum vektörlerini, durumların sıfır olmayan herhangi bir başlangıç değerinden durum vektörünün orijininemümkün olduğu kadar yaklaştırmaktır. Ayrıcabunu,aşırı kontrol çabası olmadan gerçekleştirmek istenir. Bu tezde, farklı sistemler için farklı düzenleme problemlerine ve bunların çözümlerine değinilmiştir. Doğrusal kareseldüzenleyici, optimizasyon problemini uygun ağırlık matrislerinin seçimi ile çözerek optimaldurum geri besleme kontrol yasası ile performans endeksini (yani maliyet fonksiyonunu) en aza indirmeyi viiiamaçlamaktadır. Ağırlık matrislerinin seçimi, optimizasyon problemi için birbiriyle çelişen iki kriteri tanımlamak için kullanılır. Birincisi, sistemin regülasyonun ne kadar hızlı olması gerektiğini, ikinci kriterisekontrolcü girişininne kadaraz olmasıgerektiğini belirtir. Sistemin ihtiyaçlarına göre bu iki kriterden hangisinin daha önemli olduğuna karar verilir ve ağırlık matrisleri için katsayılar seçilir. Bu tezdetasarlanan düzenleyici ve kontrolcüler için hedef, daha az kontrol kullanarak satürasyon ihtimalinin önüne geçmektir. Cessna 172 uçağı için tasarlanmış kuaterniyon tabanlı doğrusalkaresel düzenleyici ile elde edilen benzetimsonuçlarından, sistem durumlarının başarılı bir şekilde başlangıç değerlerinden istenilen değerlere gittiği, sistem girişleri ve kuaterniyon değerlerinin regüle edildiğigözlemlenmektedir.Kuaterniyon tabanlı doğrusal kareseldüzenleyici tasarımına integral bir eylem eklenerek elde edilen kuaterniyon tabanlı doğrusal karesel integral yaklaşımı ile referans takibi amaçlanmıştır. Ayrıca, geri besleme kontrolcüsüneintegral eylem eklenerek, sürekli halhatası, integratördurumunun bir birikimi ile giderilmiştir. Benzetimsonuçları, tezde hedeflerin yerine getirildiğini göstermektedir.Bu çalışma literatürde az bulunan kuaterniyon tabanlı kontrolcülerin sabit kanatlı hava araçlarına uygulanmasını ele alarak araştırma alanını genişletmiştir.Gelecek çalışmalarda, tezdeki çalışmalara ek olarak bir durum gözlemleyicisi eklenerek sistem durumlarının tahmin edilmesi ve gürültülerin giderilmesi sağlanabilir.Tasarımları doğrulamak için oldukça gerçekçi bir benzetim programı olan X-plane kullanılarak bir uçuş benzetimi gerçekleştirilerek sonuçlar iki kez doğrulanabilir. Son olarak yapılan tasarımlar tüm hava araçlarına uyarlanabilir olduğu için güncellenerekfarklı hava araçlarınauygulanabilir.
Sualtı akustik algılayıcı ağlarda gizli dinleme enküçüklemesi ve ağ yaşam süresi enbüyüklemesi ödünleşmesinin karışık tamsayı programlama yaklaşımıyla modellenmesi ve irdelenmesi
Karasal ortamdaki kablosuz algılayıcı ağlar hakkında birçok araştırma yapılmasına rağmen sualtı akustik algılayıcı ağlar (SAAA'lar) hakkında görece daha az araştırma yapılmıştır. Son yıllarda ise SAAA'lara olan ilgi çeşitli sebeplerden ötürü artmıştır. Sualtı ortamın karakteristik farklılıklarından ötürü, karasal ortamda yapılan araştırmalar SAAA'lara direkt uygulanamamaktadır. Elektromanyetik ve optik haberleşme suda verimli şekilde çalışmadığından ötürü SAAA'larda akustik haberleşme tercih edilmektedir. SAAA'lar genellikle zorlu sualtı ortamlara yerleştirilirler ve bu sebeple birçok güvenlik tehlikesiyle karşı karşıya kalırlar. Dahası, akustik haberleşmenin karakteristik özelliklerinden ötürü düşmanca saldırılara karşı savunmasızdırlar. En tehlikeli güvenlik tehditlerinden birisi de gizli dinleme saldırısıdır. Gizli dinleme saldırısı, saldırgan düğümün ağdaki algılayıcı düğümler arasındaki haberleşmeyi gizlice dinlemesi ile gerçekleşmektedir. İletim gücü seviyelerinin dikkatli şekilde atanması ve veri akış yollarının optimizasyonu gizli dinleme saldırılarının kapsamını hafifletmeye yardımcı olsa da, ağ yaşam süresini negatif olarak etkilemektedir. Bu çalışmada, SAAA'larda gizli dinleme potansiyeli riskini minimize eden ve belli bir gizli dinleme riski altında ağ yaşam süresini maksimize eden iki optimizasyon modeli önerilmiştir. Sonuçlar göstermektedir ki, gizli dinleme riskinin minimize edildiği durumdaki ağ yaşam süresi, gizli dinleme kısıtının olmadığı durumdaki ağ yaşam süresinden oldukça kısadır. Benzer şekilde gizli dinleme riskine karşı önlemler gevşetildiğinde, SAAA'larda ağ yaşam süresi önemli derecede artmaktadır.
Orta menzil hava savunma füzesi modellemesi ve doğrusal parametrik değişken güdüm ve kontrolü
Bir füzenin hedefini etkili bir şekilde vurabilmesi için yüksek performansa sahip güdüm ve otopilot algoritmasına sahip olması gerekmektedir. Hava savunma füzeleri yüksek hızlara çıkabilen, yüksek manevra kabiliyetine sahip çevik füzelerdir. Güdüm algoirtmalarının etkinliği sayesinde hedef ile aralarındaki mesafeyi minimuma indirirler. Bu tez çalışmasında, kanard kontrollü bir hava savunma füzesinin otopilot ve güdüm yapıları tasarlanmıştır. Öncelikle füzenin doğrusal olmayan hareket denklemleri ve 6 serbestlik dereceli matemetiksel modeli Missile DATCOM programından alınan füzenin aerodinamik katsayıları ile elde edilmiştir. Matematiksel model seçilen tasarım noktaları etrafında doğrusallaştırılmıştır. Elde edilen doğrusal füze modeli için otopilot algoritması LQR tabanlı olarak pratik en uygun takipçi metoduyla tasarlanmıştır. Tasarlanan otopilotun geliştirilmesi amacıyla sistem doğrusal parametrik(LPVmodel) hale getirilmiştir ve kaçırma mesafesi üzerinden performans değerlendirilmesi yapılmıştır. Literatürde bulunan güdüm yöntemlerinden gerçek oransal navigasyon güdümü ile takip güdümü sisteme dahil edilmiştir ve performansları tasarlanan otopilotlarla beraber incelenmiştir. Tasarlanan doğrusal füze modeli, aerodinamik katsayıların benzetime hazır hale getirilmesi, otopilot ve güdüm algoritmalarının benzetimi MATLAB/Simulink uygulaması kullanılarak yapılmıştır. Yapılan benzetim çalışmaları sonucunda daha iyi performans gösteren otopilot ve güdüm algoritmaları belirlenmiş ve gelecekte daha iyi nasıl geliştirilecekleri hakkında bilgiler verilmiştir.
Basketbol oyuncu tanımlama ve skor tespiti
Spor video analizi, görüntü is ̧leme uygulamalarının popüler kullanım alanlarından biridir. Bu tür analizler profesyonel spor müsabakalarında ya da antrenman videolarında yapılmakta ve genel olarak skor ve oyuncu tanımlamaları için derin ög ̆renme yerine geleneksel yöntemler kullanılmaktadır. Bu tezin amacı ise bir basketbol antrenmanını gerçek zamanlı olarak analiz edebilen bir algoritma gelis ̧tirmektir. Yani, bu uygulama dog ̆ru oyuncuları tespit etmeli ve her bir oyuncu için skoru vermelidir. Bu amaçla, ilk olarak s ̧utları ve bu s ̧utların bas ̧arılı olup olmadıg ̆ını tespit eden bir metot tanıtılmıs ̧tır. Spesifik olarak, basketbol potasının görüntüdeki yerini tespit etmek için bir derin ög ̆renme modeli verilmis ̧ ve s ̧ut tespiti için arka plan çıkarımı kullanılmıs ̧tır. Ardından, s ̧utun skor olup olmadıg ̆ı farklı bir sinir ag ̆ıyla tanımlanmıs ̧tır. S ̧utun tanımlanmasından sonra, arabelleklenen görüntüler içinde geriye gidilerek s ̧utör tespiti yapılır. Oyuncu YOLOv3-tiny kullanılarak tespit edilir ve güdümsüz bir derin ög ̆renme modeliyle tanımlanır. Bu güdümsüz model yüksek performans vermesi için Üçlü Yitim ve bir bölütleme modelinin kullanımıyla eg ̆itilmis ̧tir. Gerçek zaman hedefine ulas ̧mak amacıyla, kullanılan bütün modeller için temel olarak mobil ag ̆lardan farklı parametre ve eg ̆itim yöntemleriyle yararlanılmıs ̧tır. Ek olarak, her seans sonunda bir kümeleme uygulaması çalıs ̧tırılarak tekrar oyuncu tanımlama yapılmıs ̧ ve sonucun iyiles ̧tirilmesi sag ̆lanmıs ̧tır. Deneyler iki farklı antrenman videosu üzerinde yapılmıs ̧tır. Deney sonuçları skor tanımlamasında %95 dog ̆ruluk oranı; 2 oyuncu üzerinde gerçek zamanlı olarak %92.5'e ve kümeleme ile 6 oyuncu üzerinde %86.7'ye varan dog ̆ruluk oranları ile tanıtılan metodun etkililig ̆ini göstermektedir.
Cihazdan cihaza önbelleklemede kaynak tahsisi algoritması geliştirilmesi
Teknolojik gelişmelerle birlikte çevrimiçi cihazların kullanımı daha da yaygınlaşmıştır. Bu durum, mobil veriye olan talepte aşırı artışa neden olmuştur. Servis sağlayıcılar talebi karşılarken kullanıcıların kesintisiz bağlantı, yüksek veri hızı ve düşük gecikme gibi temel servis kalitesi gereksinimlerini de gözetmek durumundadır. Bu gereklilik gelecek nesil haberleşme sistemlerinde, özellikle 5G ötesi için, yeni teknolojilerin geliştirilmesi ihtiyacını doğurmuştur. Cihazdan Cihaza Haberleşme (CCH), kenar önbelleklemeye ve yakın cihazlar arasında içerik iletimine imkân veren yeni ve gelecek vadeden teknolojilerden biridir. CCH ile mobil cihazların önbellekleri kullanılarak diğer kullanıcıların içerik ihtiyacının düşük gecikme ve yüksek veri hızıyla hücresel şebekede yük oluşturmadan iletilmesi mümkündür. Tez çalışması kapsamında, CCH kabiliyeti bulunan cihazların yer aldığı kablosuz bir ağda; kenar önbellekleme, içerik iletimi ve cihaz keşfi problemleri kapsamlı bir biçimde incelenmiştir. İlk olarak, Baz İstasyonu'nun toplam maliyetini CCH'nin sağladığı yük boşaltmanın katkısıyla minimize etmeyi amaçlayan Karma Tamsayılı Programlama (KTP) modeli oluşturulmuştur ve en iyi çözüm sağlanmıştır. Daha sonra bu model dağıtık olarak uygulanan Stackelberg Lider-Takipçi Oyunu algoritması ile çözülerek en iyiye yakın çözüm sunulmuştur. İkinci olarak, yine CCH'nin kullanıldığı kablosuz bir ağda en iyi önbellekleme problemi ele alınmıştır. Modelin amacı toplam yük boşaltma miktarının eniyilemesidir. Bu problem de Karma Tamsayılı Doğrusal Programlama (KTDP) ile modellenmiş ve en iyi çözüm sunulmuştur. Optimizasyon tabanlı çözümlerin özellikle kullanıcı yoğunluğunun fazla olduğu durumlarda pratiklikten uzaklaşmasından ötürü iki tane sezgisel algoritma önerilmiş ve uygulanmıştır. Algoritmalardan bir tanesi öbekleme kabiliyeti bulunan Yardımcı Kullanıcıların (YK) öbekler oluşturarak işbirliği yapmasını ve içerik çeşitliliği sağlamaktadır. Diğeri ise öbek içinde içerik popülerliğine ve öbek içi hiyerarşiye göre önbelleklenecek içerikleri belirlemektedir. Son olarak, CCH'de iletim öncesi cihazların birbirlerinden haberdar olması gerekliliği üzerine öbekleme ve önbellekleme algoritmalarına tamamlayıcı bir yaklaşım olarak Keşif ve Duyuru tabanlı prosedürler önerilmiştir ve LTE şebekesine sadık kalınarak uygulanmıştır. Çalışmalar kapsamında ele alınan bütün yöntemlerin başarımı kullanıcı sayısı, içerik sayısı, içerik popülerliği gibi değişkenler üzerinden incelenmiştir. Girişim, önbellek kapasitesi, kullanıcı hareketliliği gibi kısıtlar gözönünde bulundurulmuştur. Sonuçlar, zorlayıcı koşullarda dahi önerilen algoritmaların optimizasyon tabanlı en iyi sonuca yakın başarım sağladığını, denektaşı olarak sunulan temel yöntemlere kıyasla da üstün olduğunu göstermektedir.
Yüksek güçlü izole DA-DA dönüştürücü tasarımı, modellemesi ve kontrolü
Hızla gelişen teknoloji ve bu teknolojiyle paralel olarak ilerleyen güç kontrol ihtiyacı sürekli olarak artmaktadır. Güç kontrol ihtiyacını en iyi şekilde yönetebilmek için DA-DA dönüştürücüler akla ilk olarak gelen yöntemdir. Böylesine elemanlar yenilenebilir enerji sistemleri, yeni nesil kaynak makineleri ve motor uygulamaları gibi oldukça geniş bir kullanım alanına sahiptir. Evlerden sanayiye kadar ihtiyaç duyulan DA-DA dönüştürücüler, kullanılan güç mertabelerine ve istenilen koruma şekline göre farklılık göstermektedir. DA-DA dönüştürücüler, yüksek veya alçak güç ihtiyaçlarına, izole veya izole olmayan şekilde cevap vermektedir. DA-DA dönüştürücüler temelde analog devre elemanlarının biraraya gelmesiyle olışmaktadır. Analog devre elemanlarının iç yapılarından ve üretildikleri malzemeden kaynaklı olarak beklenilen özellikte olmaması ve bozucu çevresel etkilerden dolayı çıkışta tam olarak arzulanılan gerilim ve akım değeri elde edilemeyebilir. Ek olarak dönüştürücü topolojilerinin bütünü düşünüldüğünde istenmeyen birçok kayıp meydana gelmektedir. Tüm bunlar göz önüne alındığında ise dönüştürücünün doğru bir şekilde kontrol edilmesi krtik hale gelmektedir. Dönüştürücülerde temel olarak ikiye ayrılan kontrol yöntemlerden biri akım mod kontrol bir diğeri ise gerilim mod kontroldür. Akım mod kontrol yöntemleri içerisinde içiçe iki kontrol döngüsü barındırmaktadır. Bu yapısından ötürü sistemin sağlamlığı ve tepkisi de diğer yöntemlere nazaran daha iyi hale gelmektedir. Akım mod kontrol yönteminin iç kontrol döngüsünü akım, dış kontrol döngüsünü gerilim kontrolü oluşturmaktadır. Gerilim döngüsünün çıkışı akım kontrolüne referans olarak kullanılmaktadır. Gerilimi kontrol edebilmek adına en çok kullanılan yöntem basit ve maliyetsiz yapısınının yanında uygulama kolaylığı da düşünüldüğünde PID olmaktadır. PID yöntemi, hata analizine dayanmaktadır ve dönüştürücü çıkışından sürekli olarak alınan ölçüm değerine ihtiyaç duymaktadır. PID yöntemi kendi içerisinde farklı tiplerde kullanılmaktadır. Dönüştürücü sistemlerinde en çok kullanılanı dönüştürücülerin doğası gereği PI yöntemidir. Akım mod kontrolcüler de kendi içerisinde ikiye ayrılmaktadır. Bunlardan bir tanesi tepe akım mod kontrol yöntemi ve diğeri ise ortalama akım mod kontrol yöntemidir. İki yöntemin de birbirerine kıyasla artı ve eksi yönleri bulunmaktadır. Bu çalışma kapsamında, yüksek güçler için ilk tercih olan tam köprü dönüştürücü tasarımı yapılacak ve kritik eleman seçimleri yapılacaktır. Tam köprü çevirici sistemsel seviyede ele alınacak ve akım mod kontrole uygun olarak küçük işaret analizi yapılacak, transfer fonksiyonları oluşturulacaktır. Ardından kontrolcüsü tasarlanacak olan tam köprü dönüştürücünün benzetim çalışması PSIM programı kullanılarak tamamlanacak ve sonuçlar irdelenecektir.
Doğrusal kablosuz sensör ağlarında iletim gücü ve paket boyutu optimizasyonu ile yaşam süresi eniyileme işlemi
Doğrusal Kablosuz Sensör Ağları (DKSA), dağıtım senaryolarında sensör düğümlerinin iletim topolojisi üzerine yerleştirilmesinin gerektiği uygulamalarda kullanılır. Bununla birlikte, böyle bir dağıtım, güvenilirlik endişelerini ortaya çıkarır çünkü ağdaki neredeyse tüm düğümler, DKSA mimarisinin hayatta kalması açısından kritiktir. Düğümlerin bir alt kümesi ortadan kaldırılsa bile DKSA'nın iletim halinde kalması mümkündür, ancak böyle bir oluşum nedeniyle Ağ Ömrü (AÖ) üzerinde potansiyel azalma ciddi seviyelerde olabilir. Bu çalışmada, DKSA'nın güvenilirliği, kapsamlı bir sistem modeli üzerine inşa edilerek çalışmasının modellenmesi için ayrıntılı bir optimizasyon çerçevesi oluşturulup incelenmiştir. Çerçevemiz, DKSA'nın davranışını karakterize etmede etkili olan üç iletim gücü ve paket boyutu atama stratejisini kapsar. Ayrıca, DKSA'nın güvenilirliğini birden çok perspektiften değerlendirmek için rastgele ve koordineli olmak üzere iki düğüm hatası modeli kullanılmıştır. Bu çalışmanın sonuçları, dağıtım parametrelerine, arıza senaryosuna ve stratejiye bağlı olarak, sensör düğümlerinin %10' unun arızalanması durumunda bile ihmal edilebilir AÖ düşüşleri ile DKSA'nın işlemlerini sürdürmesinin mümkün olduğunu ortaya koymaktadır, bununla beraber tek bir düğümün bile etkisiz hale gelmesinin AÖ'nü ciddi bir şekilde azaltabildiği durumlar gözlemlenmiştir.
Yazılım tanımlı ağ sistemlerinde eş zamanlı çoklu katmanlı video akışlarında kalite eniyileme
Önümüzdeki yıllarda olası internet kullanım alışkanlıkları üzerine yapılan incelemelerde, internet kullanımında artış olacağını ve bu artışa bağlı olarak daha etkili çözümler üretmek gerekeceğini öngörülmüştür. Son yıllarda önem kazanan yazılım tanımlı ağlar (SDN) tabanlı sistemlerle, paket yönlendirme ve kaynak kullanımı konularında etkili bir merkezi kontrol imkanı sağlanmıştır. Bu çalışmada, SDN sisteminde ölçeklendirilebilir videoları iletmek için jitter ve gecikme kısıtlarını dikkate alan eş zamanlı bant genişliği ve çoklu yol paket yönlendirme eniyileme problemi tanımlanmış ve çözülmüştür. Önerilen çözümün uygulanma maliyeti dolayısıya SDN denetleyicisinde düşük maliyetle hayata geçirilebilecek sezgisel bir algoritma geliştirilmiştir. Problemin iki farklı yapılandırma ile benzetim ve emülasyonları yapılmıştır. Yapılan nicel değerlendirmeler sonucunda her iki yapılandırmada önerdiğimiz sistem modelinin, kendisiyle karşılaştırmalı yapılan algoritmalardan daha iyi sonuç verdiği görülmüştür. Mininet'te gerçekleştirilen emülasyonlarla, elde edilen kuramsal sonuçların doğrulaması yapılmıştır.
Çok kullanıcılı çok antenli aşağı gönderim sistemleri
Bu çalışmada çok kullanıcılı, çok girdili çok çıktılı aşağı gönderim sistemlerinde (downlink MU-MIMO) kullanıcılar arası girişimi kontrol ederek toplam veri hızını artırmak için kullanılan önkodlama yöntemleri hatasız ve hatalı Rayleigh kanalları için incelenmektedir. Bu sistemler, baz istasyonundaki ve kullanıcılardaki anten sayısına ve kullanıcı sayısına göre az yüklü, kritik yüklü ya da aşırı yüklü olabilmektedir. Bu çalışmada, literatürde yeni önerilmiş olan genelleştirilmiş güç yineleme önkodlamasının (GPIP) ortalama karesel hata önkodlama (MMSE) ve veri hızı bölütleme (RS) ile karşılaştırması yapılmaktadır. GPIP yönteminin hatasız kanallarda tüm yük durumlarında, MMSE yöntemi ile benzer veya ondan daha kötü sonuçlar verdiği, üstelik MMSE yönteminin daha düşük karmaşıklığa sahip olduğu gözlemlenmiştir. GPIP yöntemi hatalı kanallarda ise tüm yük durumlarında MMSE yönteminden daha iyi, RS yönteminden daha kötü sonuç vermektedir ve MMSE yöntemine göre daha kısa sürede çalışmaktadır. Anahtar Kelimeler: çok kullanıcılı, çok girdili çok çıktılı sistemler (MU-MIMO), genelleştirilmiş güç yineleme önkodlaması (GPIP), minimum ortalama karesel hata önkodlaması (MMSE), yarı dik kullanıcı seçimli sıfıra zorlayıcı önkodlama (SUSZF), veri hızı bölütleme (RS)
Kompakt fotonik entegre bağdaştırıcıların güneş hücresi ve yonga üstü uygulamalar için evrimsel algoritmalar ile tasarımı
Bağdaşım, elektromanyetik alanlar yoluyla iki veya daha fazla sistem arasında enerji transferini içerdiğinden, elektromanyetik dalgaları manipüle etmenin önemli bir yönüdür. Yıllar geçtikçe insanlık, dalga kılavuzları, antenler ve lensler gibi cihazların geliştirilmesi yoluyla elektromanyetik dalgaları kontrol etmeyi öğrendi. Bu, çeşitli uygulamalar için daha verimli ve çok yönlü sistemler oluşturulmasını sağladı. Daha iyi güneş hücrelerine, fiberden çipe bağdaştırıcılara ve dalga kılavuzundan dalga kılavuzuna bağdaştırıcılara olan ihtiyaç, sürdürülebilir enerji kaynaklarına, daha hızlı ve daha güvenilir iletişim ağlarına ve entegre fotonik sistemlere yönelik sürekli artan talepten kaynaklanmaktadır. Geliştirilmiş güneş hücreleri, daha temiz bir enerji geleceğine katkıda bulunabilirken, gelişmiş bağdaştırıcılar, fiber optiklerin ve fotonik entegre devrelerin sorunsuz entegrasyonunu sağlayarak daha verimli veri iletimi ve güçlü bilgisayarları ortaya çıkarabilir. Dalga kılavuzundan alttaşa bağdaştırıcılar günümüze kadar üzerinde fazla durulmamış cihazlardır. Bu bağdaştırıcıları optimize etmek, THz anten dizilerinin, lenssiz görüntüleme sistemlerinin ve çip üstü laboratuvarların verimliliğini ve kompaktlığını önemli ölçüde artırabilir. viii THz anten dizileri, kablosuz iletişim ve algılama uygulamalarında devrim yaratabilirken, lenssiz görüntüleme, tıbbi teşhis ve malzeme karakterizasyonunu dönüştürme potansiyeline sahiptir. Öte yandan, çip üstü laboratuvarlar, karmaşık laboratuvar süreçlerini küçültmeyi ve kolaylaştırmayı vaat ederek, taşınabilir ve son derece entegre teşhis araçlarının yolunu açacaktır. Özetle, çeşitli cihazlarda elektromanyetik dalgaların bağdaşımını sağlayan cihazlar kritiktir ve bu cihazların tasarımıda son yıllarda algoritmalar öne çıkmaktadır. Evrimsel algoritmalardan olan parçacık sürü optimizasyonu ve genetik algoritma geleneksel tasarım yöntemlerine kıyasla pek çok avantaj sağlamaktadır. İlk olarak, fotonik cihazlar genellikle çok boyutlu parametre uzaylarına sahiptir. Evrimsel algoritmalar, çok çeşitli olası çözümleri etkili bir şekilde araştırabildikleri için bu karmaşık alanlarda gezinmek için çok uygundur. İkincisi, yerel minimumlara kolayca takılabilen gradyan tabanlı optimizasyon yöntemlerinin aksine, evrimsel algoritmaların genel optimumu bulma olasılığı daha yüksektir. Üçüncüsü, bu algoritmalar, belirli tasarım kısıtlamalarına göre kolayca uyarlanabilir. Son olarak evrimsel algoritmalar, tasarım sürecindeki gürültüye ve belirsizliklere karşı doğal olarak dayanıklıdır. Parçacık sürü optimizasyonu ve genetik algoritmaların güçlü yönlerinden yararlanan bu tez, ilk kısımda fotonik bağdaştırıcıların önemini ve kullanılan algoritmaları anlatmaktadır. İkinci kısımda güneş hücreleri için yüzey şekillendirme ve fiberden çipe bağdaştırıcı tasarımı verilmiştir. Üçüncü kısımda ışığın çip içinde bağdaştırılmasını sağlayan cihazlar tasarlanmıştır. Son kısımda ise tezde elde edilen sonuçlar yorumlanmış ve öngörüler paylaşılmıştır.
Memristör modeli elde etme ve gerçek cihazların analog eşik altı devrelerde kullanımı
Memristörün nöronlar arasındaki iletimi sağlayan sinapsları modelleyebileceği ve bu özelliğini kullanarak yapay nöral ağlar kurulabileceği anlaşılmıştır. Donanımsal olarak kurulması bir hayli zor olan nöral yapay ağların, memristörlerin kullanılmasıyla donanımsal şekilde uygulanması kolaylaşır. Aynı zamanda transistörlerin sağladığı anahtarlama özelliğini sağlayabilmesi, daha az yer kaplaması ve daha düşük enerji ile çalışması sayesinde transistörlerin anahtarlama özelliği ile yer aldığı devrelerde kullanılabileceği öngörülmüştür. Bundan dolayı nöromorfik mühendislik açısından memristörler önemli bir konuma gelmiştir. Memristörün kullanılabileceği biyo-esinli devrelerden biri de Nakada v.d. tarafından ortaya konan CPG devresidir. Bu devre normalde hayvanların beyninde nörolojik olarak bulunan ve yürüme, koşma, nefes alma gibi ritmik hareketlerin sinyallerini üreten merkezi patern oluşturucu devresidir. Bu devrede transistörler eşik altı bölgede çalışırlar ve az enerji tüketirler. Köymen tarafından bu devrede memristörlerin kullanılmasının faydaları ortaya konmuştur. Au/TiO2/TiO2-x/Au ve Pt/TiO2/TiO2-x/Pt yapılarındaki iki farklı üretimi tamamlanmış memristörlerden ölçümler alınmıştır ve bu sonuçlar incelenmiştir. Üretilen cihazların devrelerde kullanabilmesi için isabetli simülasyonlar gerekir ve isabetli simülasyonlar için de üretilen cihazların iyi modellenmesi gerekir. Bu tez çalışmasında üretilen cihazların, eğri uydurma, fenomenolojik modelleme, parametrik analiz ve benzer davranış sergilemesi açısından Saludes-Tapia v.d. tarafından ortaya konan yarı statik memdiyot (QMM) modelinin denklemlerinden faydalanılarak, SPICE ve Verilog-A modelleri elde edilmiştir. Ardından bu modellerin devre içindeki kullanımları araştırılmıştır. Devrenin özelliğine göre seri veya paralel bağlanmalarının asıl etkiler göstereceği incelenmiştir. CPG ve CPG'nin içinde bulunan HCO devrelerinde kullanılmış ve etkileri incelenmiştir. Devrelerin memristörlü simülasyonları yapıldıktan sonra üretilmek için devrelerin layoutları yapılmıştır ve bu layoutların daha da küçük bir alana sığması için optimizasyon çalışması yapılmıştır ve bu devrelerin küçültülebileceği ortaya koyulmuştur.
Platin ve grafen üst elektrotlu titanyum oksit memristörlerin fabrikasyonu
Son yıllarda, biyolojik sinapsların efektif bir şekilde taklit edildiğini gösteren, oldukça umut verici, geçici olmayan bir hafıza cihazı olan memristör üzerinde kapsamlı araştırmalar yapılmıştır. Grafenin hafızalı anahtarlama sistemlerinde üst elektrot olarak uygulanması geleneksel malzemelere ilgi çekici bir alternatif sunar. Karbon türevi bir malzeme olan grafen, dikkate değer bir alan-hacim oranına, biyouyumluluğa, olağanüstü adsorpsiyon yeteneklerine ve mükemmel elektriksel iletkenliğe sahiptir ve bu sayede istenen özelliklere sahip biyosensörlerin üretimi için umut verici bir yol sunar. Bu kapsamda geleneksel bir memristör yapısı ve grafen üst elektrotlu bir memristör yapısının fabrikasyonu ile ilgili bir çalışma yapılmıştır. Geleneksel yapı özellikle modelleme ve devre içi kullanım öngörülerek üretilmiştir, grafen üst elektrotlu yapı ise grafenin özelliklerinden ve memristörün özelliklerinden faydalanarak sensör elde etmek motivasyonuyla üretilmiştir. Üretilen grafen üst elektrotlu mikro cihazlarda, sentezlenen ve transferi yapılan grafenin belli şekillendirmeye tabi tutulduğu yenilikçi bir fabrikasyon metodolojisi kullanılmaktadır. Silikon bir pul üzerinde elektron demeti buharlaştırma, fotolitografi, püskürtme gibi tekniklerin kullanılmasıyla memristif cihazların fabrikasyonu başarılı bir şekilde yapılmıştır.
Dört rotorlu bir insansız hava aracının modellenmesi, gauss gürültüsü ve parametre belirsizliği altında lyapunov tabanlı ve geri adımlamalı kontrolcü tasarımı
Günümüzde insansız hava araçları oldukça geniş bir alanda kullanılmaktadır. Terörle mücadele, keşif ve gözetleme, yangın ve doğal afetlerle mücadele, arama kurtarma, haritalama, maden arama, bilimsel araştırma, kargo taşıma, nakil amacıyla organ taşıma, tarımsal ilaçlama, fotoğrafçılık, hobi ve sportif amaçlı uçuşlar insansız hava araçlarının kullanım alanına girmektedir. İnsansız hava araçları, insanlı uçaklara kıyasla üretim maliyetinin daha düşük olması, içinde pilot bulundurmaması ve küçük boyutları sayesinde daha sert manevralar yapabilmesi nedeniyle daha avantajlıdır. İnsansız hava araçları, kanatlı insansız hava araçları ve dikey iniş kalkış yapabilen insansız hava araçları olarak iki kategoride düşünülebilir. Dikey iniş kalkış yapabilen insansız hava araçları, iniş ve kalkış esnasında piste ihtiyaç duymama, havada asılı kalabilme, kendi ekseni etrafında dönebilme, havada takla atabilme ve sert manevralar yapabilme kabiliyetine sahiptir. Bu özellikleri dikey iniş kalkış yapabilen insansız hava araçlarını sabit kanatlı insansız hava araçlarına kıyasla daha avantajlı hale getirmektedir. Quadrotor insansız hava araçları da dikey iniş kalkış yapabilen dört rotorlu araçlardır. Quadrotor insansız hava aracının sistem dinamikleri katı bir cismin uzaydaki 6 serbestlik dereceli hareketine benzemektedir. Bu 6 serbestlik derecesi açısal hızların oluşmasını sağlayan ve Euler açıları olarak bilinen yalpa, yunuslama, sapma açıları ile üç boyutlu uzayda lineer hareketleri tanımlayan x, y, z eksenlerinden oluşmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında öncelikle quadrotor insansız hava aracının doğrusal olmayan modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan bu model MATLAB/Simulink yazılımı kullanılarak bilgisayar ortamında gerçeklenmiştir. Daha sonra quadrotorun irtifasının, yalpa, yunuslama ve sapma açılarının kontrolü için farklı kontrolcü tasarımları gerçekleştirilmiştir. Tez çalışması kapsamında tüm bu zor koşullara karşı en dayanıklı şekilde çalışacak gürbüz kontrolcü tasarımı elde edilmeye çalışılmıştır. Öncelikle endüstride yaygın olarak kullanılması nedeniyle PID kontrolcü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu kontrolcü için PID Tuning metodu kullanılarak optimum kontrolcü katsayıları elde edilmiştir. Daha sonra endüstride yaygın olarak kullanılan PID kontrolcüden daha gürbüz bir kontrolcü yaklaşımı elde edilmeye çalışılmıştır. Bu amaçla öncelikle Lyapunov kararlılık teoremine dayanan Lyapunov tabanlı kontrolcü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Daha sonra Lyapunov kararlılık teoreminin öz yinelemeli bir uyarlaması olan geri adımlamalı kontrolcü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan kontrolcüler normal koşullar altında, beyaz Gauss gürültüsü altında, parametre belirsizliği altında, eşzamanlı parametre belirsizliği ve beyaz Gauss gürültüsü altında, pembe gürültü altında, kahverengi gürültü altında, mavi gürültü altında, mor gürültü altında ve sinüzoidal bozucu altında test edilmiştir. Ayrıca kontrolcülerin sert manevra yapabilme kabiliyetlerini test etmek için üçgen referans ve sinüzoidal referans takibi simülasyonları yapılmıştır. Tasarlanan kontrolcülerin yükselme zamanı, aşım ve oturma zamanı verileri karşılaştırılmıştır. Elde edilen veriler geri adımlamalı kontrolcünün bütün koşullarda en az aşıma ve en kısa oturma zamanına sahip olduğunu göstermiştir. Böylece yapılan simülasyonlar ve elde edilen veriler sonucunda geri adımlamalı kontrolcü tasarımının klasik PID kontrolcüden ve Lyapunov tabanlı kontrolcüden daha gürbüz olduğu ispatlanmıştır.
Harmonik radar sistemleri için benzetim araçları geliştirilmesi ve elektronik devrelerin sınıflandırılması
Harmonik radar, doğrusal olmayan karakteristikler barındıran ve genellikle insan yapımı cisimleri tespit etmek için kullanılan, son yıllarda üzerine çok sayıda araştırma yapılmış, elektromanyetik yayılım yapan bir algılayıcıdır. Bu tezde ilk olarak geleneksel radar sistemlerinden farklı bir tespit mekanizmasına sahip olan harmonik radar sistemi kullanılarak yeni bir devre sınıflandırma yöntemi geliştirilmiştir. Elektronik devrelerin harmonik frekanslardaki geri yayılım özellikleri harmonik radar benzetimi ile kaydedilmiş ve devrelere ait harmonik güç eğrileri elde edilmiştir. Önerilen yöntem ile test edilen elektronik devrelerin (TEED) özellik alanı oluşturulup analiz edilmiş ve gerçekçi bir benzetim modeliyle doğrulanmıştır. TEED'lerin harmonik tepkisi, birden fazla çıkış düğümünün üst üste bindirilmesiyle elde edilmiştir. Toplanan veriler ile çarpıklık, basıklık ve varyans gibi devrelere özel istatistiksel özellikler hesaplanmış ve K-En Yakın Komşular (kNN) algoritması kullanılarak sınıflandırma işlemi gerçekleştirilmiştir. Tezin ikinci kısmında, çoklu faz, doğrusal frekans modülasyonlu (LFM) dalga formları ile darbe sıkıştırma ve darbe entegrasyonu gibi çeşitli algoritmalar kullanan bir harmonik radar benzetim aracı geliştirilmiştir. Bu benzetim aracı ile harmonik radar sistemlerinin avantajları ve dezavantajları görünür hale getirilerek, radar tasarımında kullanılan parametrelerin etkileri gözlenmiştir. Tezin son kısmında, harmonik radar uygulamalarında kullanılabilecek radyo frekansı (RF) etiket devreleri için karakterizasyon sistemleri geliştirilmiştir. Bu düzenekler ile elektronik devrelerin çeşitli radar dalga formlarına etkileri incelenmiştir. Radar dalga formlarındaki bozulmaların radar tespit performansına etkileri incelenerek, bu etkileri azaltacak yöntemler önerilmiştir. Elde edilen veriler ile farklı RF etiketlerin farklı dalga formları ile daha uyumlu çalıştığı gösterilmiştir.
Seri üretim termal görüntüleme sistemlerinde kalibrasyon–tabanlı düzensizlik giderme metotlarının elektro–optik performansa etkisi
Planck'in siyah cisim ışıması kanununa göre, mutlak sıcaklığı 0 Kelvin üzerinde olan tüm cisimler elektromanyetik ışıma yapmaktadır. Termal görüntüleme sistemleri, cisimlerin sıcaklıklarından dolayı kızılötesi dalga boyunda yaptıkları ışımaların anlamlandırılabildiği ve günümüzde askeri, medikal, sivil vb. birçok alanlarda çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanılan sistemlerdir. Kızılötesi odak düzlem dizileri, çok sayıda kızılötesi dedektörün iki boyutlu bir dizgi halinde oluşturduğu ve termal görüntüleme sistemlerinde sahneden gelen kızılötesi ışımanın kuyudolum seviyesi adı verilen dijital sinyallere dönüştürüldüğü görüntüleme sensörüdür. Kızılötesi odak düzlem dizilerinden elde edilen ham kuyudolum seviyeleri üzerinde; kızılötesi dedektörlerin tam anlamıyla özdeş olmaması, optik birimlerdeki kusurlar, ışımanın odak düzleminde homojen dağılmayışı ve çevresel koşulların etkisi gibi nedenlerden kaynaklı bir takım istenmeyen etkiler bulunmaktadır. Bu etkilerden bir veya birkaçı bir araya gelerek dedektörlerin tepkiselliklerinin kızılötesi ışıma karşısında değişkenlik göstermesine yol açmakta ve kızılötesi odak düzlem dizisinden elde edilen ham kuyudolum seviyelerinde düzensizlik etkisi oluşturmaktadır. İdeal şartlarda kızılötesi odak düzlem dizisi tekdüze bir ışıma kaynağı karşısında vi konumlandırıldığında yine tekdüze kuyudolum seviyeleri elde edilmesi beklenirken, elde edilen ham kuyudolum seviyeleri düzensizlik etkisinden dolayı direkt olarak kullanıma uygun değildir. Termal görüntüleme sistemlerinin fonksiyonlarını düzgün bir şekilde yerine getirebilmesi için kızılötesi dedektörlerin tepkisellikleri, dinamik aralık üzerinde belirli noktalarda düzensizlik giderme metotları ile tekdüze tepkiselliğe kalibre edilebilmektedir. Düzensizlik giderme sonrası termal görüntüleme sisteminin tekdüze ışıma kaynağı karşısındaki elektro–optik performansı, kuyudolum seviyelerinin tekdüzelikten ne derece değişkenlik gösterdiğinin ölçütü olan kalıntı düzensizlik ile ifade edilmektedir. Termal görüntüleme sistemleri geliştirilirken uygulanacak olan düzensizlik giderme yöntemi, sınırlı sayıda prototipin tekdüze ışıma sağlayan siyah cisim ışıyıcı karşısındaki tepkisellik karakteristiği göz önünde bulundurularak belirlenir. Ne var ki, seri üretim aşamasında üretilen prototip sayısı arttıkça prototiplerin siyah cisim ışıyıcı karşısındaki tepkisellik ve hassasiyetleri birbirlerinden farklılık göstermeye başlamaktadır. Oluşan bu farklılık, tek bir sebepten kaynaklanmayıp birden çok etkinin bir araya gelmesiyle oluşabilmekle birlikte; optik, elektro–optik ve elektronik birimlerin üretim toleransları ve daha birçok etkiden dolayı gerçek anlamda özdeş olmamaları bu farklılığa sebep olabilecek sebeplerinden sadece bir tanesidir. Seri üretim prototipleri arasında oluşan bu tepkisellik ve hassasiyet farklılıkları, düzensizlik gidermenin uygulanma yöntemine bağlı olarak prototiplerin dinamik aralıkta farklı noktalarda kalibre edilmesine ve kızılötesi ışıma karşısında aynı karakterde olmamasına yol açabilmektedir. Bu tezde, 2018 yılından bu yana seri üretimi devam eden bir termal görüntüleme sisteminin, 123 adet seri üretim prototipinden elde edilen ham kuyudolum seviyelerinin dinamik aralık boyunca ne derece değişkenlik gösterdiği incelenecek ve bu ham kuyudolum seviyeleri kullanılarak farklı düzensizlik giderme metotlarının farklı uygulama yöntemleri elektro–optik performanslarına göre kıyaslanacaktır. Elde edilen sonuçlar göz önünde bulundurularak seri üretim prototiplerinde tepkisellik ve hassasiyet değişkenliğine rağmen dinamik aralıkta aynı noktalarda düzensizlik giderme uygulayarak prototiplerin elektro–optik karakteristiğinin aynı olmasını sağlayacak ve üretilebilirliği arttıracak otomatik bir karakterizasyon ve kalibrasyon düzeneği sunulacaktır. Anahtar Kelimeler: Termal görüntüleme sistemleri, Kızılötesi odak düzlem dizileri, Düzensizlik giderme, Seri üretim.