Reaksiyon tekeri ile kontrol edilen bir sistemin tasarımı modellenmesi ve kontrolü

Uzay çağının başladığı zamandan günümüze, uzay araçlarının kararlılığı ve kontrolü önemli bir konu olarak gelişimini sürdürmektedir. Uzay araçları kendileri için belirlenen görevleri gerçekleştirmeleri için kararlı bir yönelme halinde olmaları beklenebilir. Örneğin sürekli dönen bir uydu ile iletişim kurabilmek için, uydunun üzerinde çok yönlü ve çok sayıda anten olması gerekir, ancak eğer uydu sürekli nadir doğrultusunda bakacak şekilde kararlı hale getirilirse tek bir anten ile iletişim sağlanabilir. Benzer şekilde, uzay aracının belirli bir noktaya yönelmesi beklenebilir, örneğin derin uzay araştırmaları, gezegen gözlemleri vb. Bunun gibi durumlarda uzay aracının yörüngesine de bağlı olarak, aktif bir kontrol yöntemi ile yönelmesinin değiştirilmesi gerekmektedir. Uzay araçlarının yönelme kontrolü aktif ya da pasif olarak gerçekleştirilebilmektedir. Pasif yöntemlerden uzay aracının belirli bir hızda döndürülmesi ile kararlı hale getirilmesi yöntemi ilk uzay araçlarında kullanılan bir yöntemdir ve jiroskopik etkiden yararlanılarak dönme ekseninde oluşan bozucu etkilerin giderilmesini sağlar. Bu yöntemde düşük hassasiyet ile kararlılık sağlanır ve haberleşme için çok yönlü antenler kullanılmalıdır. Yer çekiminin değişiminden faydalanarak da pasif olarak uzay aracının kararlı hale getirilmesi mümkündür. Bunun için aracın boyunun eninden çok daha uzun olması gerekmektedir. Bu hali ile uzay aracı bir sarkaca benzetilebilir. Aracın yere yakın bölümüne daha fazla ağırlık kuvveti etkiyor iken, uzak tarafına daha az ağırlık kuvveti etkiyecektir. Oluşan bu fark ile uzay aracının uzun olduğu eksen ile nadir doğrultusunun çakışması sağlanır. Yüksek hassasiyetli uygulamalar için uygun değildir. Aktif yöntemlerde ise kullanılan bir eyleyici ile aktif olarak yönelme kontrolü sağlanabilir. Manyetik eyleyiciler ile bobin üzerinden akım geçirilmesi sonucu bir moment elde edilip yönelme kontrolü sağlanabilir. Ayrıca diğer bir eyleyici olan momentum değişim cihazlarında bulunan disklerin limit hıza erişmeleri halinde kontrollü olarak yavaşlatılmalarında kullanılabilirler. İtki sistemleri yörünge transferlerinde kullanıldığı gibi, yönelme kontrolünde de kullanılabilirler, kimyasal, soğuk gaz ve elektrik olmak üzere üç alt gruba ayrılabilirler. Kimyasal itki cihazları yüksek kuvvet/moment üretebildikleri için momentum değişim cihazlarının yavaşlatılmasında kullanılabilirler. Ayrıca hızlı ve büyük açılı bir yönelme manevrasında kullanılabilirler. Elektrik ve soğuk gaz itki cihazları görece daha düşük kontrol momenti üretirler ve yönelme manevralarında kullanılırlar. Buraya kadar anlatılan aktif kontrol yöntemleri dış bir etki ile moment oluştururlar, momentum değişim cihazlarında ise uzay aracının içinde bir diskin dönüş hızının ya da dönme ekseninin değiştirilmesi bir tepki momenti elde edilir. Reaksiyon Tekerleri (RW), Momentum Tekerleri ve Kontrol Moment Jiroskopları şeklinde üç ayrı grupta toplanabilir. Reaksiyon tekerleri ve momentum tekerleri yapısal olarak aynıdır ancak çalışma prensipleri itibari ile farklılık gösterirler. Bu eyleyiciler, yüksek ataletli bir disk, bu diskin döndürülmesini sağlayan bir elektrik motoru ve motora giden akımı ve gerilimin ayarlanmasında kullanılan devreden oluşurlar. Momentum tekerleri sabit bir hızda döner ve oluşan jiroskopik etki ile kararlılık sağlanır. Reaksiyon (Tepki) tekerlerinde ise diskin dönüş hızı değiştirilerek bir tepki momenti elde edilir. Kontrol Moment Jiroskopları (CMG) ise reaksiyon tekerinin dönüş eksenine gimbal eklenmiş hali olarak düşünülebilir. Bu gimbal ekseninde yüksek tork sağlayabilen bir motor bulunur. CMG'lerde dönen disk sabit hızda dönebileceği gibi, reaksiyon tekeri gibi değişken hızlarda da dönebilir. Gimbal eksenine bağlı olan motorun çalıştırılması ile momentum vektörünün yönü değiştirilir ve RW'ye kıyasla yüksek bir kontrol momenti elde edilebilir. Yüksek hassasiyet gerektiren görevlerde, örneğin uzay teleskopunun belirli bir hızda dönüp, belirli bir noktaya bakması ve sabit olarak o noktaya bakıyor vaziyette kalması gibi, RW ve CMG'ler kullanılırlar. CMG, RW'ye göre daha kompleks bir yapıdadır ve daha maliyetlidir ancak daha yüksek kontrol momenti üretebilir. Uzay görevine bağlı olarak aktif ya da pasif bir yöntem belirlenerek, görevin gereklerini karşılayacak eyleyici(ler) seçilebilir. Bu çalışmada, reaksiyon tekerleri incelenmiş, mekanik-elektronik yapısı konusunda araştırmalar yapılmış, RW'ler ile uzay aracının kontrolü konusunda yapılan yayınlar taranmıştır. Yapılan yayınlarda genellikle kontrol yöntemleri anlatılmış ve simülasyon sonuçları verilmiş, gerçek bir senaryoda ya da donanımsal bir benzetim ortamında test edilmemiştir. Modelleme ve kontrol açısından bakıldığında donanımsal benzetim ortamı, gerçek testler gerçekleştirilmeden önce ve bilgisayar simülasyonlarından sonra önemli bir yer teşkil etmektedir. Test sistemi ile kullanılan eyleyiciler gerçeğe yakın senaryolarda test edilebilir, oluşabilecek hata durumları önceden fark edilip giderilebilir. Bu çalışmada modelleme ve kontrol işlemlerini gerçekleştirmek amacıyla reaksiyon tekeri mekanizması ve reaksiyon tekeri test mekanizması mekanik ve elektronik olarak tasarlanmış ve üretilmiştir. Bu sayede uzay araçlarında da kullanılan dinamik bir sistemin davranışı gözlemlenmiş ve matematiksel modellemesi ve fiziksel parametrelerinin belirlenmesi işlemleri gerçekleştirilmiştir. Sonraki aşamada ise test mekanizması üzerinde, tasarlanan yönelme kontrolörü test edilmiştir. Birinci bölümde konuya giriş yapılmış, literatüre atıf yapılarak hangi konuların çalışıldığı belirtilmiştir. Konunun neden seçildiği ve tezin amacı detaylı bir şekilde anlatılmıştır. İkinci bölümde teker tasarımında nasıl bir yol izlendiği, tasarımların hangi değişikliklerden geçtiği, bilgisayar destekli çizim ortamında hazırlanan çizimler eklenerek anlatılmıştır. Tasarlanan test düzeneği yunuslama ve sapma eksenleri etrafında hareket edebilmektedir. İki eksende de kontrolü sağlamak için birer RW bulunmaktadır. Eksenlerdeki dönüş açıları enkoderlar ile ölçülmektedir. Enkoderlardan gelen yönelme açıları tasarlanan kontrolörde işlemden geçerek RW'lere iletilmekte ve kontrol sağlanmaktadır. Veri işleme, kaydetme ve kontrolör implementasyonu işlemleri bir mikrokontrolcü ile gerçekleştirilmektedir. Üçüncü bölümde RW ve test sisteminin matematiksel modelinin nasıl elde edildiğinden bahsedilmektedir. RW, doğru akım motor modeli kullanılarak modellenmiştir. Farklı gerilimler için diskin sahip olduğu hızlar kaydedilmiş, motor üreticinin verdiği motor ile ilgili parametreler kullanılarak simülasyon gerçekleştirlmiş ve model, yapılan ölçümler ile doğrulanmıştır. Test sistemi ise Newton'un ikinci yasası kullanılarak modellenmiş, eksenlerdeki sürtünmeler viskoz sürtünme olarak denklemlere dahil edilmiştir. Bu aşamada yapılan ölçümler ile matematiksel modelin simülasyonu birbirleri ile eşleşmemiştir. Bunun sebebi olarak düzeneğin sürtünmesinin doğrusal bir davranış göstermemesi olarak görülmüştür. Bu noktada, test sisteminin modellemesini daha sağlıklı yapabilmek için literatürde bulunan sürtünme modelleri incelenmiş ve statik sürtünmeyi de içeren Stribeck modelinin uygun olduğu görülmüştür. Yapılan ölçümlerden elde edilen veriler, tezde anlatılan yöntemden geçirilerek sürtünmeyi belirleyen parametreler kestirilmiştir. Elde edilen yeni model farklı verilerde de test edilmiş ve yeni modelin ölçümlere yakınsadığı görülmüştür. Dördüncü bölümde, tasarlanan iki farklı kontrol yöntemi anlatılmıştır. Bunlardan ilki, sistem dinamiğinin baştan çözdürülerek, hangi anda diskin hızlandırılacağının hangi anda diskin yavaşlatılacağının bulunması prensibine dayanmaktadır. Bu yöntem açık çevrim kontrol yöntemi olarak adlandırılabilir, geri besleme kullanılmamaktadır. Ancak, sistemin yönelmesinin istenilen değerlere gelip gelmediğini anlamak için geri beslemeli bir yöntem kullanılmalıdır. Tasarlanan ikinci yöntemde, kontrolör parametreleri sistem transfer fonkiyonuna belirsiz parametreler olarak girilmiş, bu parametreler belirli bir uzayda taranarak, kararlılığı sağlayan kazanç değerleri bulunmuştur. Simulasyon sonuçları ve test sistemi sonuçları sunulmuştur. Sonuç bölümünde ise tezin katkısı ve gelecekte yapılması planlanan çalışmalardan bahsedilmişitr.