Closed-loop control of the satcom on the move antenna using jacobian operator
Satcom on the move anteninin jacobıan operatörü kullanılarak kapalı - çevrim kontrolü
- Tez No: 600301
- Danışmanlar: PROF. DR. OVSANNA SETA ESTRADA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 135
Özet
Günümüzde bir ihtiyaç haline gelen internet, mobil platformlarda da uydu haberleşmesinin artmasına neden olmaktadır. Ticari uygulamalarda internet hizmeti mobil platformdaki anlık veri paylaşımı ve müşterilerinin konforunu arttırmaya yönelik olup, askeri uygulamalarda ise mobil platformun uydu üzerinden kontrolü ve giziliği sağlamaya yöneliktir. Bu ihtiyaçlar otomatik uydu haberleşmesi yapabilen Satcom On the Move (SOTM) anten sistemlerinin gelişmesine neden olmaktadır. SOTM antenlar kara, hava ve deniz platformlarında yaygın olarak uydu haberleşmesini sağlayan terminaller olarak kullanılmaktadır. Genelde SOTM antenleri azimut ve elevasyon eksenlerine sahip iki ekseni yapılardır. Bu iki eksenli yapı reflektör ve RF bileşenleri ile birlikte SOTM antenini oluşturmaktadır. İki eksenli yapının tasarımı, üretimi ve kontrolü kolay ve kompakt bir yapıya sahip olmasından dolayı tercih edilmektedir. Ancak, elevasyon ekseninin 90° yaklaşırken, literatürde gimbal-lock olarak da bilinen tekil noktaya ulaşmaktadır. Bu tekillik anten sisteminin çalışma uzayını sınırlamaktadır. Tekillik problemini çözmek için üç eksenli bir gimbal yapısı kullanılmaktadır. Bu tezde üç eksenli gimbal yapısına sahip deniz platformlarında çalışabilen SOTM anteni üzerinde yapılan çalışmalar anlatılmaktadır. SOTM anteni temel olarak iki ana parçadan oluşmaktadır. Bunlardan birincisi uydudan sinyalin alınıp ve gönderildiği reflektör ve RF bileşenleridir. İkincisi ise üç eksenli servomekanik gimbal yapıdır. Gimbal yapı aslında seri manipulatörlerden bir farkı bulunmamaktadır. Reflektör ve RF bileşenleri gimbal yapısına sahip seri robotun taşıdıgı yüktür. SOTM anteninin tüm kontrolünü sağlayan yapıya da anten konumlama sistemi (APS) denilmektedir. SOTM antenleri mobil platformlarda çalışabilmektedir ancak her bir mobil platformunun gereksinimleri farklı olduğundan tasarımında değişik parametreler içermektedir. Bu tezde deniz platformları için APS geliştirilmesi anlatılacaktır. Düşük maliyetli ve verimli bir APS tasarımı yapabilmek için öncelikle SOTM anteninin gereksinimlerinin çıkarılması gerekmektedir. Deniz platformunun hareketininden dolayı SOTM anteninin ana ekseninde en yüksek 15° olacak şekilde sinüsoidal hareketler meydana gelmektedir. Bu da yapılması nispeten zor olmayan bir gereksinimdir. APS tasarımında en önemli gereksinim ise konumlama başarımının 0.2°'den az olması gerekmektedir. Bu gereksinim FCC standartlarına uyması için sağlanması gereken bir koşuldur. Tasarımda maliyet, verimlilik ve standartlara uygunluk amaçları ile birlikte en uygun APS sistemi tasarımı amaçlanmaktadır. Gereksinimleri taşıyan APS sistemini tasarlamak için SOTM anteni matematiksel olarak modellenmesi gerekmektedir. SOTM anteni seri robotlara benzediğinden Denavit-Hartenberg yöntemi ile kinematik modeli oluşturulmaktadır. Kinematik model oluşturulurken GPS sensörü ile doğru şekilde çalışabilmesi için eksen ataması yapılmıştır. SOTM anteninin dinamiği Newton-Euler yöntemi ile oluşturulmaktadır. Ancak manipulatörün gimbal yapısı ve kütle stabilizasyonu tasarımı sayesinde dinamik sadeleştirilebilmektedir. Kütle stabilizasyonu her bir eksenin kütle merkezinin eksenin dönme noktası ile çakıştırılması ile oluşan mekanik yapıdır. Bu iki özellik kullanarak SOTM dinamiği üç adet tek girişli tek çıkışlı sistem halinde ifade edilebilmektedir. SOTM antenlerinde APS mobil platformun hareketi jiroskop sensörü yardımıyla sönümleyen stabilizasyon kontrol ve uyduyu bozucular altında sürekli olarak takip eden takip kontrol algoritmasını içermektedir. SOTM anteninin uç işlevci stabilizasyonu stabilizasyon kontrolcüsü ve kinematik dönüşümler olarak iki kısımdan oluşmaktadır. Kontrolcü olarak dogrusal PI kontrolcü tipi kullanılmış ve istenilen başarımlar sağlanmıştır. Kinematik dönüşümler ise stabilizasyonda önemli bir konu teşkil etmektedir. İki eksenli manipülatörde uç işlevcinin hızının stabilizasyonu için her bir ekseni ayrı ayrı kontrol etmek yeterli olmaktadır. Ancak üç eksenli manipülatörde uç işlevcinin hız bileşenleri birbiri ile etkileşimde olduğu için stabilizasyon işlemi iki eksenli sistemdeki gibi olmamaktadır. Bunu çözmek için Jacobian operatörü kullanımı önerilmiş ve çeşitli bozucu hareketler altında doğrulanmıştır. Anten sisteminin uydu takip kontrol algoritması konum kontrolcüsü ve tarama algoritmasından oluşmaktadır. Konum kontrolcüsü doğrusal PID tipi bir kontrolcü olup istenilen başarım değerleri sağlanmıştır. SOTM antenlerinde uydu sinyalinin seviyesini bozan bir kaç parametre bulunmaktadır. Bunlar düşük çözünürlüklü sensörler, montaj hataları olarak örnek verilebilmektedir. Bu değerler eksenlerin bakış açılarının yanlış hesaplamalarına neden olmaktadır ve sonucunda alınan sinyal seviyesi düşmüş olmaktadır. Sinyal seviyesini iyileştirmek için step-track ve conical scan tarama algoritmaları gerçekleştirilmiş ve sinyal seviyesinin en yüksek degerleri bulunmuştur. Son olarak da SOTM anteni için en uygun APS modeli karşılaştırılmıştır.
Özet (Çeviri)
Nowadays, the internet has vital necessity in the terrestrial area and has become an important requirement on mobile platforms. In a commercial application, mostly they are used for sharing information about the application using satellite communication, in a military application they are used to make the autonomous system and data security. This requirement has resulted in development automatic antenna system which can find and track satellite on mobile platforms such as land, air, sea platforms. These systems are called Satcom on the Move (SOTM). They offer broadband satellite communication on land, air, and sea platforms. SOTM antennas consist of two main parts which are pedestal and antenna payload. The pedestal is the special robotic manipulator which has the gimbal structure. Generally, 2-axes azimuth-elevation pedestal is used in both commercial and military applications. Due to the gimbal lock problem of the 2-axes pedestal, the common solution which increases the number of the axis of the pedestal is applied in the industry. Antenna Positioning System (APS) manages and operates the whole antenna functions including the tracking controller and stabilization controller. According to the Federal Communications Commission (FCC) standards, the antenna must have the pointing error that is below than 0.2°. In order to overcome this standard, a closed-loop pointing technique is used in the APS design. This thesis aims to develop the mathematical model and control system of the 3-axes pedestal which is designed as a shipborne antenna by Profen Communications Technologies \& Services, Inc. The nominal APS does not include the closed-loop pointing technique and this resulted in the pointing error higher than standards during the scanning. This thesis develops an APS which includes stabilization controller, closed-loop controller, and scanning algorithms to achieve the pointing requirement. The APS has both the stabilization controller algorithm that compensates the disturbance movement caused by the mobile platform and closed-loop control algorithm that finds and keeps the maximum signal level by measuring the RF signal feedback. The stabilization algorithm includes the gyroscope stabilization method using the Jacobian operator for kinematic transformation. The closed-loop control algorithm includes the position controller and scanning algorithm which finds the maximum signal level. The step-track and conical scan algorithms are implemented as the outer loop of the stabilization controller. The end effector stabilization performance and the pointing error is examined in the various test cases to determine a feasible closed-loop solution for the APS system.
Benzer Tezler
- Design, modeling and control of a satcom on-the-move antenna terminal
Mobil RF uydu haberleşme anten terminalinin tasarımı modellenmesi ve kontrolü
İLİM KARAÇAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAİF TUNA BALKAN
- Sabit mıknatıslı senkron motor sürücülerinde elektromanyetik uyumluluk analizi ve MILSTD-461F standardına uygun bir filtre tasarımı
Electromagnetic compalibity analysis of permanent magnet syncronous motor drives and a filter design according to MILSTD-461F
HİLMİ GÜNEY
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDULKADİR BALIKÇI
- Design and implementation of a single-phase cascaded H-bridge multi-level converter based statcom
Tek-faz kaskat H-köprü çok seviyeli çevirgeç tabanlı statcom tasarımı ve gerçekleştirilmesi
HAMED ATYIA SOODI
Doktora
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET METE VURAL
- Closed-loop control of a micropositioner using integrated photodiode sensors
Entegre fotodiyot sensörleri kullanarak bir mikropozisyonerin kapalı döngü kontrolü
MUSTAFA İLKER BEYAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUniversity of Maryland College ParkElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. REZA GHODSSİ
- Sabit mıknatıslı senkron motor için kapalı çevrim sistem tanıma ve sensörsüz hız kontrolü
Closed loop system identification and sensorless speed control of PMSM
MELİH SABRİ BOZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN KAAN EROL