Development of motion cueing algorithm for simulators
Simülatörler için hareket algı algoritması geliştirilmesi
- Tez No: 432104
- Danışmanlar: DOÇ. DR. VASFİ EMRE ÖMÜRLÜ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 105
Özet
Uçuş benzeticileri, pilotların eğitilmesi amacıyla ticari ve askeri alanlarda geniş bir kullanım alanına sahiptirler ve kara, deniz ve uzay araçları için de kullanım oranları giderek artmaktadır. Benzetici sistemleri, benzetim ortamı içerisinde sürücü/pilot davranışını olabildiğince gerçek uçuşa yakın olarak anlamamıza yardımcı olmaktadırlar. Gerçek uçuşların çok pahalı ve çeşitli risklere sahip olması nedeniyle benzeticiler daha güvenli ve pratik yapılardır. İkinci Dünya Savaşı sırasında uçuş benzeticilerine gereksinim duyulmuştur. Analog bilgisayarlardaki teknolojik gelişmeler ise uçuş benzeticilerinin geliştirilmesine katkı sağlamıştır. Takribi yıllarda, aerodinamik gibi bazı özel konular da benzetici sistemler içerisine birleştirilmiştir. Hareket algı yönetimi için belirli bir stadnart yoktur fakat literatürde klasik, optimal, adaptif ve model öngörülü kontrol algoritması olmak üzere dört ana algoritma yapısı mevcuttur. Hareket algı yönetimi algoritması, bir simülatör hareketini sınırlı bir çalışma uzayı içerisinde sağlamak için bir zorunluluktur. Uçuş benzetimi için çoğunlukla 6 DOF paralel manipülatörler kullanılmaktadır. Manipülatör girişleri, gerekli hareketleri üretmek için açısal hız ve çizgisel ivme referansları olarak benzetilir. Mekanizma hareketli platformu, bir sonraki hareket dizisine başlamak için nötr pozisyona dönmelidir. Bu işlem“sıfırlama”olarak adlandırılmaktadır ve sıfırlama hareketi, literatürdeki farklı çalışmalarla elde edilmiş olan insan hareket algı eşik değerlerinin altında bir değerde olmalıdır. Sürekli çizgisel ivmelenmelerin algılanması için platform kendisini eğer ve“Eğim Koordinasyonu”olarak adlandırılan çizgisel olarak yapay bir hareket algısı üretimi için yer çekimi vektörünü kullanır. Uçuş aracının sürekli ivmelenmesinden kaynaklanan kuvvet etkisi de eğim koordinasyonu tarafından sağlanmaktadır. Eğim koordinasyonu, algoritma içerisinde x- ve y- eksenlerinde 2 .dereceden düşük geçiren filtrelerin kullanılması aracılığıyla sağlanır. Bir benzetici temel olarak bir robotik manipülatör ve manipülatör üzerine konumlandırılmış bir benzetici odasından oluşmaktadır bu nedenle manipülatörün kinematik analizleri anlamlı hareket sonuçları elde edebilmek için büyük önem taşımaktadır. Hareket algı yönetimi algoritmasının çıkışlarından elde edilen çizgisel ve dönel pozisyon değerleri manipülatöre ters kinematik tarafından hesaplanan bacak boyları olarak iletilmektedir. Robotik sistemler içerisindeki koordinat dönüşümü ise diğer bir önemli konudur çünkü benzetici içerisindeki hareket sürücü/pilotun göz hizasında olmalıdır. Uçuş benzeticilerindeki esas konu benzetici hareketini uçuş aracı hareketine ilişkilendiren hareket algı yönetimi algoritmasıdır ve bu durum hareket kontrol bilgisayarı ile benetim kontrol bilgisayarı arasındaki haberleşme ile mümkündür. Bu çalışmada sunulan sistem içerisindeki haberleşme protokolü, FlightGear olarak adlandırılan uçuş benzetimi paket programından çizgisel ivme ve açısal hız değerlerini UDP protokolü aracılığıyla almaktadır. Bu amaçla, ilgili hereket kontrol girdilerini alıp hareket kontrol yönetimi algoritmasında işlenmek üzere ileten bir XML senaryo dosyası üretilir. Eğer benzetim kontrol bilgisayarında Matlab/Simulink aracılığıyla, geliştirilmiş bir uçuş aracı dinamik modeli kullanılıyor ise ilgili hareket kontrol parametreleri, paket giriş/çıkış bloğu aracılığıyla paket veriler olarak alınır. Klasik hareket algı yönetimi algoritması hareket algı yönetimi algoritmalarının temelini oluşturur ve manipülatörü nötr pozisyonuna, her harekette, çalışma uzayı içerisinde ve insan algısı eşik değerlerinin altında götürmek için 1. ve 2. dereceden yüksek geçiren sıfırlama filtrelerini içerir. Bu nedenle, hereketin eşik değerlerinin altında olup olmadıklarını kontrol etmek için vestibüler sistem modeli gerekmektedir. Vestibüler sistem insanda iç kulağın içerisinde yer almaktadır ve dönme hareketlerinin algılanmasını sağlayan yarı dairesel kanallar ve çizgisel hareketlerin algılanmasını sağlayan kulak taşlarından oluşmaktadır. Klasik sıfırlama filtrelerinin kalibrasyon işlemi hareket algı yönetimi algoritması tasarımında önemli olan diğer bir konudur. Sistemde, manipülatör üretim kataloğuna göre x-, y- ve z- eksenleri üzerinde pozisyon doyum değerleri ve yine bu eksenler etrafında açı doyum değerleri yer almaktadır. Eğer sıfırlama filtresi kazançları platformun yapabileceği doyum değerlerinden yüksek değerlerde ise manipülatörde mekaniksel arızaların meydana gelme olasığı yüksektir. Literatürde, sıfırlama filtrelerinin kalibrasyon aşamalarını açıklayan çok fazla çalışma mevcut değildir. Klasik hareket algı yönetimi algoritması öncelikle küçük ölçekli bir masaüstü platform üzerinde denenmiş ve önemli bir optimizasyon aşaması uygulandıktan sonra tam ölçekli bir uçuş benzetici mekanik yapısı inşa edilmiş ve klasik sıfırlama filtresi uygulanmıştır. Sistem 6x6' lık bir paralel manipülatördür ve AC motorlarla sürülmektedir. Klasik sıfırlama filtreleri Matlab/Simulink ortamında, Windows gerçek zamanlı hedef ile uygulanmıştır. Algoritma, uçuş aracı uçuş değişkenlerinin yüksek frekanslı bileşenleri için 1. ve 2. dereceden yüksek geçiren filtrelere ve düşük frekanslı bileşenleri için ise 1. dereceden düşük geçiren filtrelere sahiptir. Aynı zamanda tüm yazılım uygulamaları da Matlab üzerinde kurulmuştur. Sanal uçuş yazılımından uçuş verileri 5 Hz' lik örnekleme zamanı ile elde edilmektedir. Bu tez çalışmasında, düşük yük kapasiteli bir uçuş simülatörünün sistem bütünleştirmesi açıklanmış, klasik hareket algı yönetimi algoritması sonuçları, vestibüler sistem doğrulamaları ve klasik sıfırlama filtrelerinin kalibrasyon işlemi sunulmuş, Boeing 777-300ER ve Sikorsky tipi helikopter uçuşlarından elde edilen sonuçların karşılaştırması gösterilmiştir. Sistem gereksinim dokümanları doğrultusunda ilgili testler gerçekleştirilmiş ve bu testlerin sonuçları da sunulmuştur. İlaveten, manipülatör çıkışlarından elde edilen hareketlerin doğrulukları, düz kinematik kullanılarak ispatlanmıştır. Klasik hareket algı yönetimi algoritmasının yanısıra optimal sıfırlama filtresi tasarımı ve uygulaması da bu çalışma içerisinde açıklanmıştır. Tezin sonunda ise bu çalışmadan elde edilen çıkarımlar anlatılmıştır.
Özet (Çeviri)
Flight simulators are widely used for commercial and military purposes for training of pilots. Additionally, they are increasingly employed for ground, marine, and space vehicles. Simulator systems help us to understand driver/pilot behavior in simulations as close to real flight. Real aircraft flights are very expensive and have numerous risks. Flight simulators are safe and practical structures. During The Second World War, flight simulators were required in military. Technological developments in analog computers contributed to flight simulator developments. Following years, some specific options like aerodynamics and flight behavior were incorporated in simulators. There is no specific standard for motion cueing, but in literature, four major algorithms are currently present; classical, optimal, adaptive and model predictive base algorithms. Motion cueing algorithm is a must that provides the motion of a simulator within boundaries of limited robotic workspace. 6 DOF parallel manipulators are mostly used for flight simulation. Inputs to the manipulator are simulated aircraft angular velocities and translational accelerations as references to generate necessary motions. The mobile platform of the mechanism should return its neutral position in order to start the next motion sequence. This process is called as“Washout”. Washout motion must be under human motion sensation thresholds which is covered in literature by several researchers. For the sake of sensing continuous translational accelerations, the platform tilts itself and uses gravity vector to create artificial motion sensation translationally which is called“Tilt Coordination”. Force effect caused by continuous acceleration of aircraft is also provided by Tilt Coordination. Tilt coordination is provided by applying 2nd order low-pass filters for x- and y- axes in the algorithm. Basically a simulator consists of a robotic manipulator and a simulator room on the top and kinematic analysis of the manipulator is crucial to obtain meaningful motion results. Translational and rotational positions obtained from the output of motion cueing algorithm are transmitted to the manipulator as actuator extensions calculated by inverse kinematics. Coordinate transformations in a robotic system are another important topic because motion sensation must be at the eye point of the pilot/driver. The major issue in simulators is motion cueing algorithm that relates the simulator input to the aircraft input. This is possible by the communication between motion control computer and simulation computer. Communication protocol in presented system in this study receives the translational accelerations and angular velocities from the simulation package program called FlightGear via UDP protocol. For this purpose, an XML script file is generated to receive related motion control inputs and take them into the motion cueing algorithm to be processed. If aircraft dynamic model is used in simulation control computer via Matlab/Simulink, it is needed to receive related motion parameters as packages by using package input/output block. Classical motion cueing algorithm constitutes the basis of motion cueing algorithms and includes 1st order and 2nd order high-pass washout filters that are used to bring the manipulator to its neutral position in its workspace under the threshold values of human sensation for all motions. Thus, vestibular system model is necessary to check the motion whether it is under the threshold value or not. Vestibular system is in inner ear of a human and the system consists of semi-circular canals sensing rotational motions and otoliths sensing translational motions. Calibration process of classical washout filters is also important in motion cueing algorithm design. There are position saturation values through x-, y- and z- axes and angle saturation values about x-, y- and z- axes of the manipulator according to its production catalog. If filter gains are higher than the saturation values that manipulator is capable of, there is possibility of the occurrence of mechanical failures. Tilt coordination is another important topic because force effect caused by continuous acceleration of aircraft is provided by tilt coordination. Tilt coordination is provided by applying 2nd order low-pass filters for x- and y- axes in the algorithm. In literature there are not many works explaining the calibration process of washout filters. Previously, we implemented classical washout filter on a small scale desktop platform. After a significant optimization was applied, a full scale flight simulator mechanical structure has been constructed and classical washout filter was implemented. The system is on a 6x6 parallel manipulator and is driven by AC motors. The classical washout filters were implemented on Matlab – Simulink environment with Real-Time Windows Target. This algorithm has first and second order high pass filters for high frequency components and first order low pass filters for low frequency components of aircraft flight variables. Also, all software implementations are established on Matlab. Flight data are obtained from virtual flight software with 5 Hz sampling rate. In this study, system integration of a low payload flight simulator is explained, results of classical motion cueing algorithm, vestibular system validations and design and calibration process of classical washout filter are presented and comparison between results obtained from Boeing 777-300ER and Sikorsky flights are shown. Many tests according to system requirement documents are performed and results of these tests are also presented. Furthermore, accuracy of motions obtained from the output of the manipulator is proven by using forward kinematics. As well as classical motion cueing algorithm, optimal washout filter design and its implementation are explained in this study. At the end of the paper conclusions are presented.
Benzer Tezler
- Simülatör için hareket algı algoritması geliştirilmesi
Development of motion cueing algorithm for the simulator
BERKAY VOLKANER
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VASFİ EMRE ÖMÜRLÜ
- Etude des lois de commande de la plateforme de simulation de conduite et influence sur le mal de simulateur
Başlık çevirisi yok
BARIŞ AYKENT
Doktora
Fransızca
2013
Mühendislik BilimleriEcole Nationale Supérieure d'Arts et Métiers (ENSAM)-ParisTechMühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
DR. FREDERIC MERIENNE
DR. DAMIEN PAILLOT
DR. ANDRAS KEMENY
- Analytical studies on bioactive components of natural materials
Doğal malzemelerin biyoaktif bileşenleri üzerine analitik çalışmalar
VESELİNA ADIMCILAR
Doktora
İngilizce
2024
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA BEDİA ERİM BERKER
- Enjeksiyon ile granüler zeminlerin geoteknik özelliklerinin iyileştirilmesi
Improvement of geotechnical properties of granular soil by grouting
SUAT AKBULUT
- Programlanabilir kontrolörler için gerçek zamanda programlama dili tasarımı
Design of a real-time programming language for programmable controllers
CENGİZ ÖZDEN
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. BÜLENT ÖRENCİK