Design of underwater vehicle with computed torque control
Sualtı aracı tasarımı ve hesaplanmış tork kontrolü
- Tez No: 657660
- Danışmanlar: DOÇ. DR. GÖKHAN TANSEL TAYYAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 119
Özet
Sualtı robotiği, disiplinler arası çalışmayı gerektiren, kendine özgü bir araştırma alanıdır. Bu araştırma alanına konu olan ürünlerin bir çok kullanım alanı mevcuttur. Kullanım uygulamalarının çoğunluğu gözetildiğinde bu ürünler, savunma, ticari ve araştırma alanlarındaki uygulamalar olarak sınıflandırılabilir. Askeri kullanım alanında; mayın avlama, devriye görevi yapma, akustik iz toplama, yardım ve haberleşme gibi çeşitli kritik alanlarda kullanımın yanı sıra, bilim ve ticari alanlarda; deniz dibi haritalama, sualtı çalışmaları, arama kurtarma, bakım onarım, petrol ve gaz arama gibi birçok alanlarda da kullanımı mevcuttur. Sualtı araç teknolojilerinin gelişmesi ve bu araçların fonksiyonelliğindeki taleplerin artması devam ettiği sürece, bu çalışma alanı, üzerinde çalışmalar yapılması gereken önemli bir araştırma alanı olmaya devam edecektir. Tez kapsamında, öncelikle uygulama alanlarının çeşitliliği gözetilerek, günümüzde kullanımda olan bazı sualtı araçları incelenmiştir. İnsansız sualtı araç tasarımı, sualtı araç profil tasarımı, mekanik tasarım ve teorik sistem kontrol uygulamaları açılarından incelenmiştir. Her bir alt uygulamanın ve çalışma alanının bir diğeri ile arayüzü mevcut olmakta ve bu ortak arayüzler veya ortak çalışma alanları tasarımların, isterler sağlanana dek, yeniden değerlendirilmesine sebep olmaktadır. Sualtı aracı tasarımı konusunda, eyleyici pozisyonlaması, hidrodinamik gövde profili seçimi ve hidrodinamik dirençler gibi temel hesaplama formülleri kullanılmıştır. Bu temel hesaplama araçları, gerekli eyleyici güçlerinin hesaplanması, konumu ile araç tipinin belirlenmesi amacıyla gözönüne alınmaktadır. Araç tipi, seçilen eyleyiciler bileşenlerle birlikte diğer komponentler ile de uyumlu çalışacak şekilde eşleştirilmelidir. Başlangıç için yapılan bu değerlendirmeler ve hesaplamalar, ürün ortaya çıkarıldıktan sonra genellikle deneysel testlere tabi tutularak doğrulanmalıdır. Tez kapsamında deneysel testler hariç tutularak sadece teorik yöntemlerle elde edilen katsayılar ve kabuller ile çalışma yapılmıştır ve deneysel testler ile bu çalışmaların doğrulanması gerekmektedir. Başlangıçta belirtilen temel tasarım araçları sonrası, tezde, prototip araçta kullanılan ürünlerden kısaca bahsedilmiştir. Böylece, sualtı araç tasarımı için kullanılan ürünlerin seçimi, değerlendirilmesi ve entegrasyonları hakkında bilgi edinimi sağlanmıştır. Sualtı araç kontrolü, sualtı araç tasarımının önemli bir alt bölümü olmakla birlikte, araçlar sephiye durumlarının değişmesi koşulları da gözönüne alınırsa, kontrol uygulamaları daha da güçleşir. Tez çalışması, sualtı aracının sadece nötr sephiyede çalıştığı varsayımı ile yapılmıştır. Simulasyonların oluşturulabilmesi adına, nötr sephiye koşulundaki sualtı aracının hareket denklemlerinin eldesi, matematik altyapısı ve araç kinematiği irdelenmiştir. Tasarlanan sualtı aracı, yörüngesinde belirtilen eksen takımı dahil edilmediğinde, kinematik olarak iki temel eksen takımı olduğu kabulüyle model hareket denklemleri elde edilmiştir. Araç hareketlerini gözlemleyebilmek adına ve aracı kontrol edebilmek adına, robotik kinematiğinde olduğu gibi, bu iki eksen takımı arasında bağıntı jakobyan matrisi ile oluşturulur. Belirtilen bu iki eksen takımını araç eksen takımı ve yer eksen takımı olarak belirtmek mümkündür. Uygulamanın çeşidine göre kontrol yapılacak eksen takımı ve gözlem yapılacak eksen takımı seçimi yapılabilir. Genel itibariyle eyleyicilerin çalıştığı ve kontrolün yapıldığı eksen araç ekseni olarak belirlenir ve gözlem ise yer ekseninde yapılır. Tez kapsamında araç hareketleri yer ekseni üzerinde gözlem yapılarak ve araç ekseni üzerinde eyleyici kuvvetleri oluştururak irdelenmiştir. Tasarlanan araç, Timsah I, eksik tahrikli bir araç olarak tasarlanmıştır. Araçta dalma ve baş-kıç vurma hareketinin kontrolü için iki adet balast tank, ileri ötelenme hareketi ekseninde, ileri-geri hareketi ve savrulmayı kontrol etmek için sabit iki adet itici motor ve son olarak yalpa hareketini engellemek için iki adet kanat bulunmaktadır. Bu kanatlar yalpa sönümlemek için kontrol yüzeyi olarak kullanılmakla birlikte, gerektiği takdirde, hücum açısının ayarlanmasıyla kontrol ve hareket sağlayabilmesi adına iki adet adım motor ile entegre edilmiştir. Yan öteleme ekseninde herhangi bir kuvvet oluşturulmaksızın, altı serbestlik derecesi de dahil edilerek, tasarlanan bu araç için nonlineer hareket denklemleriyle çeşitli dinamik koşullar için simülasyonlar oluşturulmuştur. Simulasyonlar ve teorik sistem dinamiği uygulamaları, Matlab programında ve Simulink modelleri kullanılarak irdelenmiştir. Aracın genel dinamiğinin incelenebilmesi adına lineerleştirilmiş ve nonlineer açık çevrim modeller de çalışma kapsamında bulunmaktadır. Öncelikle özelliklerinin gözlemlenebilmesi amacıyla lineerleştirilmiş boyuna ve yanal dinamik araç sistemleri belirtilmiştir. Gövde yapısı ve araç konfigürasyonuna göre, bu yaklaşım, her iki alt dinamik modelde araç stabilitesi hakkında fikir vermektedir. Aracın her iki alt sistemdeki davranışı incelendikten sonra çalışmada, açık-çevrim nonlineer araç sistem dinamiği incelenmiştir. Nonlineer açık-çevrim bu sistem modeli ve çıktıları, aracın tasarımının iyileştirilip iyileştirilmemesinin kararlaştırılmasında veya kullanılan eyleyicilerin seçiminin değerlendirilmesinde önemli bir nokta oluşturmaktadır. Durağan araç stabilitesi ve verilen eyleyici komutlarına göre açık çevrim sistemin davranışı bu kararların verilmesinde önemlidir. Deneysel sonuçlar bu noktada yine önemli rol oynamaktadır. Deneysel sonuçlarla elde edilen gerçek hareket denklemi katsayıları ve parametreleriyle bu noktada araç tasarımındaki değişim kararları belirlenebilir. Araç tasarımındaki değişiklikler ve iyileştirmeler, sephiye merkezinin ağırlık merkezine yakınlaştırılması, kontrol yüzeylerinin artırılması vb. olarak belirtilebilir. Bu hususta araç sephiye merkezi ve ağırlık merkezinin etkisi de tez kapsamında belirtilmiş ancak tasarlanan ilk tasarım değerleri model simülasyonlarında kullanılmıştır. Bu ilk tasarım değerlerinin de testler aracılığıyla doğrulanması gerekmektedir. Tez çalışması son olarak, araç davranışlarının ve kontrol edilebilirliğin incelenebilmesi amacıyla, nonlineer kontrol uygulaması olan parametre kestirimli hesaplanmış tork kontrol yöntemi ile tamamlanmıştır. Simulink ile araç modeli oluşturularak, araç için dört farklı simülasyon koşulu oluşturulmuştur. Bu koşullar, aracın ileri öteleme ve dalıp-çıkma hareketinin simülasyonlarını; istenen hareket ile gerçek hareketlerin çıktılarını içermektedir. Belirtilen dört koşul; aracın basit ileri öteleme ve dalıp-çıkma hareketini, bu hareketin dış yük altındaki durumunu ve sönümleme ile coriolis etkilerinin çıkarıldığı koşuldaki durumunu ve son olarak polinominal bir yörünge oluştulup sisteme beslenen bir durumunu inceleyen koşullar olarak sıralanabilir. Bu koşullarda gereken kuvvetler ve momentler ile kontrol için gereken eyleyici eforları irdelenmiş ve değerlendirilmiştir. Tüm oluşturulan simülasyonlar; lineer, açık çevrim nonlineer ve kontrol uygulamalı nonlineer, oluşturulan dinamik hareket koşulları, çeşitli araç hareket koşullarına uygun veri sisteme beslenerek simulasyon koşulları artırılabilir. Tez kapsamında üretilen araç, test edilmek ve incelenmek üzere kullanım için temel oluşturmakla birlikte, mekanik aksam entegrasyonu, komponent seçimi gibi konularda da pratik bilgi edinimini sağlamıştır. Aracın modelinin teorik olarak incelenmesi ve hareket denklemlerinin irdelenmesi, yine komponent seçimleri ve tasarım hakkında fikir vermektedir ve oluşturulacak otonom veya uzaktan kontrol uygulamaları, operasyonları için temel oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
Underwater robotics is a unique study field which requires multidisciplinary work. The products that are subject to this field varies and have wide range of utilization area. Most of these utilization areas for underwater vehicles can be categorized as; military, commercial and research applications. Numerous significant applications can be indicated for military usage such as; mine hunting, patrol duty, acoustic signature detection, assistance and communication while there are other applications such as oil and gas exploration, seabed mapping, search and rescue, repair and maintenance in commercial and research field with the help of these vehicles. These vehicles become must as they offer quite easiness in these applications. As advancements in their technology and further demands in their functionality continues, this research is crucial to study on. In this thesis work, firstly, considering the wide range of application areas, several underwater vehicles which are in service nowadays, are investigated. Design of unmanned underwater vehicle is investigated from the point of views of underwater vehicle profile design, mechanical design and system control application theory. Each point of views have intersection with others that iterates the design cycle until the requirements are met. In terms of submersible design, actuator mapping, hydrodynamic hull profile selections and initial design tools such as drag calculations are provided. These are basic tools to consider the vehicle actuators power, location of them on vehicle and their type. Along with the actuator selections, body types must be matched with the selected vehicle components. The initial considerations generally require experimental validation. In this thesis work, the coefficients or approximations used are limited with theoretical approaches only and needs further validation. After initial design tools are provided, selected components are briefly mentioned which may provide an example of component selection and integration and also guideline for consideration approach selecting the components. Control of underwater vehicles is important subdivision of underwater vehicle design which may become more complex as submersibles can be in different buoyant position. This thesis work is limited with consideration of the vehicle in neutral buoyancy. For simulation purposes of designed vehicle in neutral buoyancy, derivation of equation of motions and mathematical background for underwater vehicle kinematics are provided. The designed underwater vehicles is considered to have two reference axis system excluding path axis system; an earth-fixed frame and a body-fixed frame. The conversion is required to observe the vehicle in earth-fixed system using jacobian in between these coordinate systems and the derivation of this relation require knowledge in kinematics of robotics. Depending upon the application, control and observation of the vehicle can be done on each fixed-frames which the designer must decide. Generally actuation and control is carried out in body-fixed frame while observation and command inputs are made in earth-fixed frame. The designed vehicle named Crocodile I, is considered as an under-actuated vehicle. It has two ballast tanks to achieve heave and pitch motions, two fixed thrusters in surge axis direction to provide surge motion and yaw and lastly has two wings to absorb the rolling motion effects in general, yet the wings are coupled with stepper motors to provide lift in different angle of attacks incase needed. For the designed vehicle, several cases are initiated in nonlinear simulations except sway motion actuation, since the actuator in sway direction is not provided, yet, all six-degree of freedom equations are included in the models. Theoretical system dynamics applications are carried out in Matlab with scripts and Simulink models. Linearized and nonlinear open loop models are provided to observe vehicle dynamics. Firstly linearized system dynamics are provided to observe longidutional and lateral sub-system behaviours. Depending upon the vehicle configuration and body type, this approach illustrates the stability of the vehicle in motions in different sub-systems systems. After the linearized lateral and longidutional subsystems are investigated for the vehicle, the work is extended to observe open loop nonlinear system dynamics. Nonlinear open-loop system dynamics are provided because of the importance of stationary stability and open loop behaviours observations of the vehicle in different input commands. The outputs of this stage is critical to decide whether to improve the vehicle design to lower actuator effort requirements or continue with the existing design. Experimental results are also important to achieve exact values, coefficients and parameters, of the vehicle dynamic models. Improving vehicle design may include shortening the distance in between buoyancy center and gravity center or increasing the surface area of the control fins etc.. The effect of distance in between buoyancy and gravity centers are also provided, however, initial designed parameters are used in this thesis work, since these parameters require further validation. The work is concluded with nonlinear control application of parameter estimated computed torque control method to observe effects of system behaviour and control in several cases provided. Simulink model for the vehicle and four basic cases are initiated to observe actual motions and desired motions of heave and surge. These four cases include simple heave-surge motion, same motion under disturbance and with removal of damping and coriolis matrices and finally a smoother path input to the system for heave and surge motion. The cases and examples can be extended since underwater vehicle model is set, for illustrations in this thesis work, it is limited with the four cases mentioned. The requirement of forces and moment and reducing this control effort are discussed. The cases considered in all linear, open loop nonlinear and control applied closed loop nonlinear systems can be extended applying different vehicle missions, inputs to the simulations. The vehicle produced in the scope of this thesis work provides basis for further usage and investigation while providing practical knowledge in terms of mechanical component integration, component selection. As the requirements are set, several components which are reachable, are illustrated to provide practical knowledge in component selection. Theoretical investigation of the vehicle and studying equations of motion for the model provides insight for general design concept and form a basis for autonomous or remote control operations and applications.
Benzer Tezler
- Otonom bir otomobil için hız kontrolörü tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of speed controller for an autonomous car
ŞAFAK GÜNER
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUĞAN
- Denizaltı dikey düzlem modeli için uyarlamalı model öngörülü kontrolör tasarımı
Adaptive model predictive control design for underwater vehicle vertical plane model
HARUN TOPBAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YAPRAK YALÇIN
- Path following of autonomous underwater vehicles in the presence of unknown disturbances
Otonom sualtı araçlarının bilinmeyen bozuntuların varlığında yol takibi
MUHAMMET AKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ HACIZADE
- Computer aided engineering of an unmanned underwater vehicle
Bir insansız su altı aracının bilgisayar destekli tasarımı ve üretimi
NECMETTİN CEVHERİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET HALUK AKSEL
PROF. DR. SITKI KEMAL İDER
- Kesirli mertebe tek kutuplu sistem modeli için tam sayı mertebe PID kontrolör tasarımı
Design of integer order PID controller for fractional order single pole system model
ERHAN YUMUK
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MÜJDE GÜZELKAYA