Design, modeling, and optimal control allocation of a heavy-lift aerial vehicle consisting of large and small tilt-rotors
Büyük ve küçük pervanelerden oluşan ağır yük kaldıran hava aracının tasarımı, modellenmesi ve optimal kontrol tahsisi
- Tez No: 695537
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET KEMAL LEBLEBİCİOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 129
Özet
Bu tezde, yeni bir ağır yük kaldırma hava aracı (HLAV) tasarımı önerilmektedir, aracın modellenmesi ve kontrol tahsis analizi sunulmuştur. Deneysel bir prototip hazırlanmış ve uçuş testi ile HLAV konsepti kanıtlanmıştır. Alışılageldik helikopterlerde bulunan mekanik olarak karmaşık eğik plaka mekanizması kullanmadan, belirli genişlik kısıtlamaları altında diğer yaygın hava araçlarına kıyasla ağır kaldırma gücünü verimli bir şekilde gerçekleştiren sağlam, basit bir mekanik araç tasarımı hedefledik. HLAV, daha büyük disk alanı sayesinde verimli olan iki büyük pervane ile ana yükü taşıma görevini yerine getirir, ve kontrol edilebilirlik için iki küçük eğilebilen pervane içerir. Bu sistem, karşı taraflara yerleştirilmiş eşit büyüklükteki pervane çiftlerinin tepki torklarını telafi etmek için ``PPNN'' (P: Saat Yönünde, N: Saat yönünün tersine) pervane düzenine sahiptir. Bununla birlikte, ``PPNN'' pervane düzenine sahip geleneksel dört pervaneli robot helikopterler, havada asılı kalma durumunda kontrol edilebilirliklerini kaybederler. Bu nedenle, kontrol edilebilirliği sağlamak için servo motorlar, küçük pervanelere entegre edilerek onlara eğilme yeteneği kazandırılmıştır. HLAV'ın doğrusal olmayan dinamik modeli Newton-Euler yaklaşımıyla oluşturulmuştur ve sistem kontrol edilebilirlik analizi için havada asılı kalma denge noktası etrafında doğrusallaştırılmıştır. HLAV kapasitesini optimum güçle maksimum performansta kullanmak için ikinci dereceden programlamaya dayalı bir kontrol tahsis stratejisi geliştirilmiştir. Model parametreleri, kapalı döngü sistem tanımlama araçları kullanılarak kestirilmiştir. Üst seviye kontrolcüler ``döngü şekillendirme'' yöntemi ile tasarlanmıştır. Eğim mekanizmasında kullanılan servo motorların hassas yönlendirilebilmeleri, HLAV sistemindeki titreşimleri azaltmak ve genel uçuş performansını iyileştirmek için çok önemli bir parametredir. Boyut ve ağırlık sınırlamaları nedeniyle motorun küçük olması, ancak tork yoğunluğunun yüksek olması istenmektedir. Yüksek torklu ve ucuz PMSM ve BLDC motorlarda, vuruntu torku ve sürtünme genellikle başta gelen bozucu etkenlerdir. Vuruntu torku ve sürtünme, eğim mekanizmasında zaten mevcut olan konum sensörleri kullanılarak kestirilebilir, böylece sistemin maliyeti artmaz. Bu probleme, ileri beslemeli algoritmalar geliştirerek bir çözüm önerilmiştir ve sadece vuruntu tork kompanzasyonu ile, bir geri besleme kontrol sisteminde izleme hatasının %30-65'inin giderilebileceği gösterilmiştir. Önerilen sistem, HLAV, deneysel olarak test edilmiş ve yeni tasarlanmış bir prototip ile doğrulanmıştır. Yeterli yörünge takibi performansı istikrarlı bir şekilde sağlanmıştır ve uçuş test sonuçları paylaşılmıştır.
Özet (Çeviri)
We propose an unconventional heavy lifting aerial vehicle (HLAV), present the design and its control allocation analysis, and prove the concept by demonstration of the experimental test prototype in the outdoor environment. We aimed for a mechanically robust and simple vehicle design that efficiently performs heavy lifting compared to other common aerial vehicles under certain width constraints, without using a complex swashplate mechanism. The HLAV performs the task of carrying the main load with two large propellers that are efficient thanks to the greater disk area, and includes two small tilting propellers for controllability. This system has a ``PPNN'' (P: Clockwise, N: Counterclockwise) propeller arrangement to compensate for the reaction torques of equally sized propeller pairs placed on opposite sides. However, conventional quadcopters with the ``PPNN'' propeller arrangement lose their controllability upon hovering. Therefore, to ensure controllability, servo motors are integrated into the small propellers giving them the ability to tilt. The nonlinear dynamic model of the HLAV is built by the Newton-Euler approach, and the system is linearized around the hover equilibrium point, for controllability analysis. A control allocation strategy based on quadratic programming is developed to utilize HLAV capacity at maximum performance with optimal power. Model parameters are estimated using closed-loop system identification tools. High-level controllers are designed with the ``loop shaping'' method. Precise positioning of servo motors that are used in tilt mechanism, is a crucial parameter for reducing vibrations in the HLAV and improve overall flight performance. Due to size and weight limitations, the motor is required to be small but torque density is desired to be high. In high torque and inexpensive PMSM and BLDC motors, cogging torque and friction are usually the main challenging disturbance sources. Cogging torque and friction can be identified using position sensors that already exist in the tilt mechanism, so the cost of the system is not increased. We attack this problem by developing feedforward algorithms and show that with cogging torque compensation alone, 30-65% of the positional error can be removed in a feedback control system. The proposed system, HLAV is experimentally tested and verified with a newly designed prototype. Sufficient trajectory tracking performance is achieved in a stable manner and the flight test results are presented.
Benzer Tezler
- Havaalanında yer hizmeti veren bir firma için hedef programlama yaklaşımı
Başlık çevirisi yok
M.BARBAROS KUBATOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesiİşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. DEMET BAYRAKTAR
- Nosql veritabanı sistemlerinin performans karşılaştırılması ve analizi
Comparison and analysis of the performance of nosql database systems
SÜLEYMAN ÖNDER
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSakarya ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULLAH SEVİN
- Düşük bir hızlarında konuşma kodlama ve uygulamaları
Low bit rate speech coding and applications
TARIK AŞKIN
Doktora
Türkçe
1999
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. GÜNSEL DURUSOY
- Development of a fault-tolerant model predictive controller for vehicle lateral stability
Araç yanal stabilitesi için arızaya dayanıklı model öngörülü kontrolcü geliştirilmesi
MUHAMMED KEMAL KÖYSÜREN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. MELİH ÇAKMAKCI
- Quadrotor dinamik modelinin ve kontrolcüsünün freertos işletim sistemi ile Raspberry Pi üzerinde gerçeklenmesi
Implementation of quadrotor dynamic model and controller with freertos operating system on Raspberry Pi
ÖMER SERHAT BÜYÜKÇOLAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN YENİÇERİ