Geri Dön

Aerial package delivery via smart parachute-payload system

Akıllı paraşüt-yük sistemiyle havadan paket teslimi

PDF İndir

  1. Tez No: 883634
  2. Yazar: SİNAN ALNIPAK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ERDİNÇ ALTUĞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Makine Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 97

Özet

Hava robotlarından birçok alanda faydalanılmakta olup, sivil ve askeri endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Büyüyen sektörlerden biri de havadan paket teslimatıdır. Kargolar genellikle kamyon veya arabalarla müşterilere getirilmektedir. Havadan dağıtımla karşılaştırıldığında bu yöntem verimsizdir. İnsansız hava araçları kullanılarak müşterilerin kargolarını teslim alma süreleri kısalabilir ve bu süreç aynı zamanda bu cihazların otomasyonu sayesinde daha az iş gücü gerektirir. Bu durum çevrenin korunması adına da daha iyi bir yöntemdir, çünkü çoğu kara aracının aksine insansız hava araçları çoğunlukla enerji kaynağı olarak fosil yakıt kullanmaz. Bunun yerine elektrik enerjisi kullanırlar. Halihazırda e-ticaret sektöründeki bazı büyük firmalar kendi insansız hava araçlarını üretiyor ve bu tür teslimatlara yönelik yöntemler geliştiriyor. Başka bir şirket insansız hava araçları ile sağlık malzemeleri teslim ediyor. Ancak çoğu aynı anda tek bir hava robotu ile tek koli taşıyor ve hava robotları, özellikle de döner kanatlı olanlar, havada yolculuk ederken büyük miktarda enerji tüketiyor. Bu süreç aynı anda birden fazla kargo teslim edilerek daha da geliştirilebilir ve paket başına enerji tüketimi de azaltılabilir. Tek seferde birden çok kargo teslim etmek için havadan paket dağıtım yöntemlerinden biri olan paraşütlü mekanizmalar kullanılabilir. Paketleri paraşütle teslim etmenin çeşitli teknikleri vardır. Bazı yöntemlerde herhangi bir yönlendirme mekanizması olmaksızın yalnızca paketlere bağlı paraşütler kullanılır. Öte yandan bazılarının paketi hedefine ulaştırmak için farklı mekanizmaları vardır. Sadece paraşüt içeren sistemler daha ekonomiktir ancak kuvvetli rüzgarlarda iniş noktasını kaçırabilirler. Yönlendirme mekanizması olan sistemler daha maliyetlidir fakat teslimat noktasına varma olasılıkları daha yüksektir. Bu tezde aynı anda birden fazla kolinin dağıtımının sağlanması için paraşüt kullanan bir paket dağıtım sistemi ele alınmıştır. İlk olarak, mekanizma bilgisayar destekli çizim yazılımı kullanılarak tasarlanmıştır. Tasarlanma aşamasında kargonun taşıyabileceği faydalı yükü artırmak için sistem olabildiğince hafifletilmeye ve hava araçlarına rahatça sığabilmesi için küçültülmeye çalışılmıştır. Tasarım bitince mekanik parçalar 3D yazıcı ile üretilmiştir. 3D baskı, prototipin hızla üretilmesine olanak tanımıştır ve maliyeti düşürmüştür. Üretilen bu parçalar monte edilip koliye tutturulmuştur. Montajın bitmesinin ardından kütle, atalet gibi fiziksel sistem sabitleri belirlenmiş ve sistem Newton'un hareket denklemleri kullanılarak diferansiyel denklemler türetilip matematiksel olarak modellenmiştir. Sistem hava araçlarında yaygın olarak kullanılan Euler Açıları ile modellenmiştir. Mekanizmada iki motor ve bir paraşüt bulunmaktadır, paraşüt sistemin düşüşünü yavaşlatır, motorlar ise düşüş eksenine dik düzlemde sistemin çizgisel olarak hareket etmesini sağlar. Bu sebeple sistem düzlemsel olarak modellenmiştir ve iki girdisi ve iki çıktısı vardır: girdiler iki motordan gelen itki kuvvetleridir, çıktılar ise sistemin çizgisel ve açısal pozisyonlarıdır. Modeldeki doğası gereği doğrusal olmayan rüzgâr direnci kuvveti değişkeni nedeniyle hız değişkeni kullanılarak bulunan denge noktası etrafında Taylor Serisi açılımı kullanılarak model doğrusallaştırılmıştır. Bu doğrusallaştırmanın ardından model simülasyon ortamına geçirilmiştir. Bu ortamda sisteme farklı girdiler verilerek modelin doğru çalışıp çalışmadığı kapsamlı simülasyonlar yürütülerek test edilmiştir. Kontrolör tasarlamak amacıyla doğrusallaştırılmış diferansiyel denklemlerden transfer fonksiyonu ve durum uzayı modeli elde edilmiştir. Bu modeller ilk önce sürekli zaman alanı için geliştirildi. Modelleme işleminden sonra sistem için üç farklı kontrolör yapısı geliştirilmiştir. Kontrolör geliştirilmeden önce model geliştirilerek referans komutu sabit eksende verilerek bu komut Euler Açıları kullanılarak hava aracı eksenine dönüştürülmüştür. Öncelikle hava araçlarında yaygın kullanılan PID kontrolör tasarlanmış olup sistemin iki girdisi ve çıktısı olduğu için bu kontrolcüden iki adet kullanılmıştır. Bu kontrolörlerden bir tanesi sistemin çizgisel pozisyonunu, diğeri sistemin açısal pozisyonunu kontrol etmektedir. Kontrolörlerin katsayıları başta simülatörün otomatik ayarlama özelliği ile seçilmiş, daha sonra daha kapsamlı simülasyonlar yapılarak bu katsayılar deneme yanılma süreciyle optimize edilerek kontrolörün performansı geliştirilmiştir. İkinci olarak insansız hava araçlarında yaygın olarak kullanılan bir diğer kontrolör yapısı olan kaskat PID kontrolör tasarlanmıştır. Bu kontrolör yapısı iç içe iki PID döngüsü kurularak oluşturulur. Bu kontrolör yapısında ilk olarak iç döngü tasarlanmıştır. Bu döngü sistemin çizgisel ve açısal hızlarını kontrol eder. Ardından dış döngü tasarlanarak sistemin açısal ve çizgisel pozisyonları kontrol edilmiş ve iç döngü kontrolörleri için referans sinyal oluşturulmuştur. Buradaki kontrolörlerin de katsayıları başta simülatör algoritmasıyla bulunmuş olup daha sonra deneme yanılma süreciyle iyileştirilmiştir. Üçüncü olarak sistemin performansının daha da artırılıp artırılamayacağını görmek için başka bir kaskat kontrolör tasarlanmıştır. Sistem çok girdili çok çıktılı bir sistem olduğu için kaskat PID – LQR kontrolör geliştirilmiştir. LQR kontrolörü optimal bir kontrolördür ve bu yapı sistemi, sistemin fiziksel sınırlarına uymasını sağlayarak ve sistemin kontrol sinyali ile performansı arasında kurulan maliyet fonksiyonunu minimize ederek kontrol girdisi sinyali üretip istenen referans noktasına ulaştırır. LQR kontrolör sistemin kontrol eforuna ve performansına ağırlık matrisleri atayarak ve bu ikisi arasında denge kurarak tasarlanır. Bu şekilde sistem istenirse daha performanslı veya daha az enerji harcayacak şekilde tasarlanabilir. Bu matrisler belirlenerek sistem için kontrolör tasarlanmıştır. Tasarlanan kapalı döngülü sistemin bozucu etkilere karşı dayanıklılığını artırmak için PID kontrolörler de kontrol sistemine eklenmiştir. Bu kaskat sistemde LQR iç döngüde olup açısal ve çizgisel hızları kontrol etmektedir. PID kontrolörler ise açısal ve çizgisel konumları kontrol etmekte olup LQR kontrolörüne referans sinyali verir. Tasarlanan bu kontrolörlerin performansı, zaman cevabı karakteristiklerine göre analiz edilip karşılaştırılmıştır. Tek kademeli ve kaskat PID kontrol sistemleri salınıma sebep olmuştur ve cevapta aşım görülmüştür. Diğer taraftan LQR kontrolöründe sistemin cevabı aşırı sönümlüdür ve aşıma rastlanmamıştır. PID kontrolörler LQR kontrolöre kıyasla bozucu etkenlere karşı daha dayanıklıdır ve rüzgâr hızı 7 m/s olsa dahi referans komutu takip edebilmektedirler. LQR kontrol sistemine sahip kapalı döngü sistem en fazla 6 m/s'ye kadar olan bozucu rüzgâr etkilerine karşı dayanabilmiştir. Ek olarak PID kontrolörlerin yerleşme zamanları kaskat LQR kontrolörüne göre daha kısadır. Diğer taraftan kaskat PID kontrolörün yerleşme zamanı tek kademeli PID kontrolöre kıyasla 1 saniye daha azdır ve kontrol eforu da daha azdır ama buna karşın tek kademeli PID kontrolör daha az salınım göstermiştir ve aşımı daha azdır. Üç kontrolörün de kararlı durum hatası sıfıra yakındır. Bu kontrolörlerin performanslarına göre Türkiye'nin rüzgâr verilerine dayalı gerçek hayat senaryosunda nasıl performans göstereceği araştırılmıştır. Kapalı çevrim sistem tasarlandıktan sonra deneysel çalışmalara başlanmıştır. Öncelikle sisteme verilecek girdilerin sınırlarını ölçmek amacıyla fırçasız DC motorların itki kuvvetinin ölçülebilmesi için test düzeneği tasarlanmıştır. Burada parçaların çoğu üç boyutlu yazıcıyla bastırılmıştır. Motorlar onlara verilen PWM sinyali oranına göre itki üretmektedir. Bu düzenek ayı zamanda bilgisayarda tasarlanan kontrolörlerin çıktılarının PWM sinyaline gerçekçi bir şekilde dönüştürülmesi için de tasarlanmıştır. Gerçek hayatta kontrol sistemleri mikrodenetleyiciler kullanılarak koşturulur. Mikrodenetleyiciler ise sürekli zamanlı değil ayrık zaman alanında çalışırlar. Bu sebeple geliştirilen kontrol sistemleri sürekli zaman alanında geliştirildiğinden ayrık zamana dönüştürülmüştür. Sistemin ayrık zaman haline dönüştürülmesi Tustin Dönüşümü ile gerçekleştirilmiştir. Bu adımdan sonra ayrık zaman sistemin doğrulanması için sürekli ve ayrık zamanlı sistemlere aynı girdiler verilerek cevaplarının aynı olup olmadığı karşılaştırılmıştır. Deneysel çalışma için tek kademeli PID kontrolör seçilmiştir çünkü kaskat kontrolörler ile hız kontrolü sağlandığından fazladan donanıma ihtiyaç duyulur. PID kontrolör ayrık zaman alanında tasarlanmıştır ve bu kontrolörün de performansı simülasyon ortamında test edilmiştir. Yine kapsamlı simülasyonlar gerçekleştirilerek sistemin zaman cevabı incelenmiştir. Burada daha gerçekçi çevresel ortam kurmak için bozucu etkilerin sisteme etkisi araştırılırken değişken rüzgâr hızları kullanılmıştır. Ek olarak bozucu etkiler sisteme girdi ve çıktı olarak verilmiştir. Kapalı çevrim sistemin bilgisayar ortamında tasarımı tamamlandıktan sonra algoritma mikrodenetleyici üzerinde çalışacağı için gömülü yazılım geliştirilmesine başlanmıştır. Algoritmanın doğru olarak çalışabilmesi sensörlerden alınan verilerin doğruluğu yüksek öneme sahiptir, bu sebeple öncelikle sensörler için sürücü yazılımları geliştirilmiştir. Kullanılan sensörler GPS alıcısı ve ataletsel ölçüm birimidir. Tasarlanan kontrolör referans sinyallerini x ve y eksenlerinde metre biriminde almaktadır, öte yandan GPS sinyalleri takıldığı aracın konumunu açısal konum şeklinde bildirmektedir. Bu sebeple bu sinyallerin açısal konumdan çizgisel konuma dönüştürülmesi gerekmektedir. Bu dönüşüm sağlandıktan sonra kontrol sisteminin kodlarının yazılabilmesi için z alanında tasarlanan kontrolör ayrık zaman alanına dönüştürülmüştür. Bu şekilde kontrolör algoritması fark denklemleri kullanılarak yazılabilmiş ve mikrodenetleyici ortamına geçirilebilmiştir.

Özet (Çeviri)

Aerial robots are being used in many areas, they are employed by civilian and military industries. One of the growing sectors is aerial package delivery. Commonly cargos are brought to customers with trucks or cars. Compared to aerial delivery this method is inefficient. The time customers get their cargos can be shortened by making use of drones and this process also requires less manpower due to automatization of these devices. This is also better for nature because unlike most land vehicles, drones do not use fossil fuel as an energy source. Currently, some large companies in the e-commerce business are producing their own unmanned aerial vehicles and developing methods for this type of delivery. A company is already delivering healthcare supply via drone delivery. However, most of them carry one parcel with a single drone at a time. In addition, drones, especially quadcopters, consume vast amounts of energy when travelling through the air. This process can further be improved by delivering multiple cargos at a time, and energy consumption can be reduced. In this thesis, a package delivery system which can distribute multiple parcels at a time is discussed. The system was designed on computer aided design software, and mechanical parts were manufactured via 3D printer. After manufacturing physical system constants were determined and system was mathematically modelled. Because of nonlinearities in the model, it was linearized using Taylor Series expansion. After the modeling process three different controller structures were developed for the system. Firstly, a PID controller was designed and by running simulations, its performance analyzed. Secondly, another controller structure which is widely used in unmanned aerial vehicles, cascade PID controller was designed. Moreover, a cascade LQR controller was designed to see whether performance of the system can be enhanced. Finally, the performance of these controllers is compared based on their time response characteristics. A real-life scenario is discussed how these structures would perform based on Türkiye's wind data.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    693809

    Simultaneous operation of trucks and unmanned aerial vehicles at package delivery

    Paket teslimatında kamyon ve insansız hava aracının eş zamanlı çalışması

    BAYBARS İBROŞKA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİzmir Ekonomi Üniversitesi

    Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SELİN ÖZPEYNİRCİ

  2. Tez No

    767887

    Türkiye'de teslim drone tasarımı ve uygulaması

    Design and implemention of a delivery drone in Turkey

    JOHN OLUWADARASIMI OMOTOLA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolHaliç Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSAB AHMED MOHAMM AL RAWI

  3. Tez No

    668101

    Optimal trajectory generation and model reference adaptive control for a package delivery quadcopter

    Paket teslimatı yapan dört pervaneli helikopter için optimal yörünge oluşturma ve model referans uyarlamalı kontrol

    ATAHAN KURTTİŞİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR AKBATI

  4. Tez No

    888759

    Analysis, design and control of an autonomous drone delivery system

    Otonom drone teslimat sisteminin analiz, tasarım ve kontrolü

    MERT TEKİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Makine Mühendisliğiİzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BARIŞ BIDIKLI

  5. Tez No

    579612

    İnsansız hava aracı ile elde edilen görüntülerin derin öğrenme yöntemleri ile analizi

    Analysis of images obtained by unmanned aerial vehicle by deep learning methods

    ÖZGÜR KUTLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolMarmara Üniversitesi

    Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖNDER DEMİR

    DR. BARIŞ DOĞAN

Geri Dön