Development of state dependent factorized optimal control methods with application to spacecraft Coulomb formations
Durum değişkenine bağlı çarpanlara ayrılmış optimal kontrol yöntemlerinin geliştirilmesi ve uzay aracı Coulomb kol uçuşuna uygulanması
- Tez No: 489452
- Danışmanlar: Prof. Dr. OZAN TEKİNALP, YRD. DOÇ. DR. FRANCESCO TOPPUTO
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Astronomi ve Uzay Bilimleri, Havacılık Mühendisliği, Astronomy and Space Sciences, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 137
Özet
Uzay aracı kol uçuşu kontrol teknikleri arasında, mesafeyi kontrol etmek için Coulomb tether literatürde önerilmiştir. Coulomb tether, uzay aracını yakın da tutmak için coulomb kuvvetleri kullanan fiziksel tether'a benzemektedir. Bir Coulomb tether'in neredeyse itici olmayan bir kol uçuşu kontrolü sağladığı belirtilir. cisimlere yüklenen yükler, bu cisimler arasında çekici ve itici güçler yaratabilir. Kuvvetler görece olduğundan, coulomb kuvveti kol uçuşunda toplam doğrusal veya açısal momentumunu değiştiremez. Bu tez çalışmasında, Dünya-Ay librasyon noktalarındaki, Dünya dairesel yörüngelerinde derin uzayda Coulomb kol uçuşu göreli yönelimi ve pozisyon kontrol etmek için duruma bağlı faktörleştirilmiş optimal kontrol yöntemleri uygulamaktadır. İki araçlı bir Coulomb kol uçuşu doğrusal olmayan denklemleri, Dünya-Ay librasyon noktalarında ve Dünya dairesel yörüngelerinde yörünge radyal, yörünge yol boyunca ve yörünge normali için uygun bir Durum Bağımlı Katsayı (SDC) formülasyonu elde etmek için düzgün şekilde manipüle edilir. Dahası, doğrusal olmayan hareket denklemleri ve derin uzaydaki üç çaraçlı bir Coulomb kol uçuşunun SDC'ye göre biçimlendirilmiş formu tartışılmıştır. Radyal olarak hizalanmış uzay aracının doğrusal olmayan geri besleme kontrolü Coulomb kol uçuşları sayısal simulasyonlar vasıtasıyla mevcut çalışmada sunulmaktadır. Ayrıca doğrusal olmayan optimum kontrol, Approximating Sequence of Riccati Equations (ASRE) ve Duruma Bağlı Katsayı Doğrudan (SDC-Doğrudan) yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilir. SDC-Direct yöntemi, bu tezde geliştirilen ve uygulanan bir yaklaşımdır. Bu çalışmada, bağımlı katsayı çarpanlara ayırma ve Chebyshev polinomları kullanılarak kısıtlı doğrusal olmayan optimal kontrol problemlerinin çözümü için SDC-Doğrudan yöntem tanıtılmaktadır. Doğrusal olmayan problemi doğrusal-kuadratik ve zamanla değişen yaklaşık problemlerin bir dizisi ile değiştirmek için, Riccati Denklemlerinin Yaklaşan Sırası olarak bilinen tekrarlayan bir yaklaşım tekniği kullanılır. Durum değişkenleri, Chebyshev polinomların kullanılarak genişletilir. Ardından, kontrol değişkenleri, durum değişkenleri ve türevlerinin bir fonksiyonu olarak yazılır. Sınırlandırılmış doğrusal olmayan optimal kontrol problemi daha sonra bir kuadratik programlama problemine dönüştürülür ve kısıtlı bir optimizasyon problemi çözülür. Farklı son durum koşulları (belirtilmemiş, kısmen belirtilmiş ve tam olarak belirtilmiş) ele alınmış ve bunların yeniden biçimlendirilmesinde ve karşılaştırılmasında yaklaşımların etkinliği sayısal benzetimlerle gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Among spacecraft formation control techniques, Coulomb tether to control the relative distance is proposed in the literature. A Coulomb tether is similar to physical tether that uses coulomb forces to keep spacecraft at close proximity. It is indicated that a coulomb tether provides an almost a propellantless formation control. The charges loaded to the bodies, can create attractive and repulsive forces between these bodies. Since the forces are relative, coulomb forces cannot change the total linear or angular momentum of the formation. In this thesis, state dependent factorized optimal control methods are applied to control the formation attitude and relative position of the spacecraft Coulomb formation at Earth-moon libration points, Earth circular orbits, and deep space utilizing coulomb forces as well as thrusters. Nonlinear equations of motion of a two-craft Coulomb formation are properly manipulated to obtain a suitable State Dependent Coefficient (SDC) formulation for orbit radial, along-track, and orbit-normal configurations at Earth-Moon libration points, and Earth circular orbits. Moreover, the nonlinear equations of motion and their SDC factorized form of a three-craft Coulomb formation at deep space are discussed. Nonlinear feedback control of radially aligned spacecraft Coulomb formation through numerical simulations are presented in the current work. Moreover, the nonlinear optimal control is realized using the Approximating Sequence of Riccati Equations (ASRE) and State Dependent Coefficient Direct (SDC-Direct) methods. The SDC-Direct method is an approached developed and implemented in the current thesis. The present work introduces the SDC-Direct method to solve constrained nonlinear optimal control problems using state dependent coefficient factorization and Chebyshev polynomials. A recursive approximation technique known as Approximating Sequence of Riccati Equations is used to replace the nonlinear problem by a sequence of linear-quadratic and time-varying approximating problems. The state variables are approximated and expanded in Chebyshev polynomials. Then, the control variables are written as a function of state variables and their derivatives. The constrained nonlinear optimal control problem is then converted to a quadratic programming problem, and a constrained optimization problem is solved. Different final state conditions (unspecified, partly specified, and fully specified) are handled, and the effectiveness of the approaches in reconfiguring the formation and comparison of them is demonstrated through numerical simulations.
Benzer Tezler
- Development of single-frame methods aided kalman-type filtering algorithms for attitude estimation of nano-satellites
Nano-uydularda yönelim kestirimi için tek-çerçeve yöntemlere dayali kalman-tipi filtreleme algoritmalarinin geliştirilmesi
DEMET ÇİLDEN GÜLER
Doktora
İngilizce
2021
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ HACIZADE
PROF. DR. ZEREFŞAN KAYMAZ
- 2-step indoor localization for 'smart AGVs'
'Akıllı AGV'ler' için iki aşamalı iç mekan konumlama yaklaşımı
ABDURRAHMAN YILMAZ
Doktora
İngilizce
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ
- On the analysis and evaluation of sparse hybrid linear solvers
Sparse hibrit doğrusal çözücülerinin analizi ve değerlendirilmesi
AFRAH NAJIB ABDULLAH FAREA
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiHesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA SERDAR ÇELEBİ
- Atatürk dönemi ve sonrasında tarım politikalarının gıda sanayiine yansımaları (1923-1960)
The reflections of agricultural policy to the food industry during the period of Atatürk and thereafter him.
AYNUR GÜL KARAHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
EkonomiAnkara ÜniversitesiAtatürk İlkeleri ve İnkılap Tarihi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİGE SÜKAN
- Atatürk Dönemi Askerî Fabrikalar Umum Müdürlüğü ve faaliyetleri (1922-1938)
The general directorate of military factories during Atatürk era
PINAR ERDEM