Geri Dön

Body roll control of a lightweight military ground vehicle under recoil impulse using gyrostabilizers

Hafifletilmiş askeri kara aracında silah kaynaklı yalpa hareketinin jiroskopik dengeleyiciler ile kontrol edilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 894535
  2. Yazar: AHMET FURKAN EKİNCİ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. OSMAN TAHA ŞEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Savunma ve Savunma Teknolojileri, Defense and Defense Technologies
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  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: 186

Özet

Geleceğin askeri kara araçları, günümüzde yaygın olarak görülen ağır zırhlı araçlardan farklılaşarak insansız konfigürasyonlara doğru önemli bir dönüşüm geçirmektedir. Araç içerisinde mürettebat olmaması durumunda kalın ve ağır koruyucu zırh ihtiyacı da ortadan kalkmaktadır. Zırhın azaltılması, sadece hafif ve küçük araç tasarımlarına olanak sağlamayacak, aynı zamanda aracın hareketlilik ve lojistik yeteneklerini de artıracaktır. Fakat, daha hafif ve daha küçük araçlara doğru bir eğilim olmasına rağmen, etkili bir silaha sahip olma ihtiyacı kritik bir gereksinim olarak devam etmektedir. Caydırıcılık ve etkinlik göz önüne alındığında, 40 mm'lik otomatik bir top ile teçhiz edilmiş stabilize bir taret, zırh delme yeteneği ve farklı hedeflere karşı etkinliği ile öne çıkmaktadır. Ancak, hafif bir platformdan bunun gibi büyük çaplı bir silah ateşlemek hem araç dengesini hem de nişan alma yeteneğini olumsuz etkileyecek bozucu etkiler oluşturmaktadır. Özellikle seri atış esnasında oluşan yüksek geri tepme impulsu, aracın dengesini devrilme mertebesinde bozabilir ve hedefi vurmayı imkânsız hale getirebilir. Bu sorun genellikle silah tarafında bir geri tepme problemi olarak ele alınır ve silahın impulsu yumuşatılmaya çalışılır. Ancak bu çalışma sorunu araç tarafında çözmeyi amaçlamaktadır. Bu çalışma, hafif zırhlı kara savaş araçlarında özellikle silah impulsu kaynaklı gövde yalpasını kontrol etmek için yenilikçi bir yöntem önermektedir. Önerilen yöntem, aracın gövde yalpa açısının ölçülmesine dayanmakta ve aktif kontrol edilen jiroskopik dengeleyiciler kullanarak karşı moment üretilmesini hedeflemektedir. Jiroskopik dengeleyici, içerinde hızlı dönen ve ataleti yüksek bir volan içermektedir. Dönü halindeki volan, jiroskopik stabilite etkisine dayanarak yönelimindeki değişikliklere direnir ve uygulanan etkiye dik bir reaksiyon momenti oluşturur. Volanın yalpa ekseninde sürülmesiyle bu eksene dik bir moment oluşturulmuş ve bu moment aracın dengesini sağlamak için kullanılmıştır. Literatürde bu tip dengeleyicilerin farklı amaçlar için farklı platformlarda kullanımına dair çalışmalar yer almasına karşın silah kaynaklı yalpa hareketini sönümleme amaçlı bilinen ilk kullanımıdır. Aracın devrilmesine en müsait durumun silah yan cenaha doğru atış yaparken oluşacağı değerlendirilmiştir. Bu senaryoya göre, atış esnasındaki taşıtın dinamik davranışını incelemek için, bir yarım araç modeli oluşturulmuştur. Silah sistemi de geri tepme mekanizmasıyla birlikte bu model üzerine sönümlü harmonik osilatör olarak yerleştirilerek, toplamda üç serbestlik dereceli bir matematiksel model kurulmuştur. Ayrıca aracın tümsekli bir parkurda ilerlerken maruz kaldığı bozucu etkiler zeminden uyarım olarak modele dahil edilmiştir. Kurulan model ile ilk olarak kütle, atalet, geometrik ölçüler, süspansiyon parametreleri gibi değişkenlerin taşıt dinamiği üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu incelemeler ışığında gerçek hayattaki uygulamaları da göz önünde bulundurarak modelde kullanılacak taşıt parametreleri belirlenmiştir. Müteakibinde modele etkiyecek olan silah ve yol kaynaklı bozucu etkiler kurgulanmıştır. Silah namlusuna etkiyen balistik kuvvet, deneysel verilere dayandırılarak benzer profilde seçilmiş olup, geri tepme mekanizması üzerinden geçirilerek araca enjekte edilmiştir. Silah ve geri tepmek mekanizmasının parametreleri, gerçek ürünlerin üreticiler tarafından sağlanan teknik özelliklerine benzer olarak seçilmiştir. Yoldan gelen bozucu etkiyi canlandırmak için standart bir tümsek parkuru modellenmiş ve aracın tekerleklerine ayrı ayrı uyarım olarak enjekte edilmiştir. Araç üzerindeki yalpa hareketinin önüne geçmek için, ikiz ters yönde dönen, sabit hızlı jiroskopik dengeleyici tasarlanmış ve modellenmiştir. Bu jiroskopik dengeleyicilerin yalpa eksenleri bir servo motor ve dişli grubu vasıtasıyla sürülerek kontrol edilmiştir. Dengeleyicilerin modellenmesinde yine fizibilite kısıtları göz önünde bulundurulmuş ve uygulamada kullanılmış bazı ürünlerden ilham alınmıştır. Taşıtın yalpa açısını ölçebilmek için bir jiroskop sensör seçilmiş ve bu jiroskopun üretici tarafından sağlanan hata karakteristiği de simülasyon ortamına dahil edilmiştir. İnceleme sonucu platformun ve eyleyicilerin doğrusal olmayan dinamiklere sahip olduğu görülmüştür. İlk olarak, PID (Oransal, İntegral, Türevsel) denetleyici kullanılarak aracın yalpa açısına bağlı olarak dengeleyicinin yalpa eksenindeki hızı kontrol edilmiştir. Dengeleyicinin yalpa eksenindeki dinamikleri göz önünde bulundurularak volanın yalpa ataleti de modele yansıtılmıştır. Denetleyicinin kazançları, sistemin bozucu etki altındaki açık çevrim ve kapalım çevrim basamak cevabından yola çıkılarak belirlenen yükselme süresi, yerleşme süresi ve aşım miktarına uygun şekilde seçilmiştir. Denetleyicinin kontrol işaretinin doyum noktasına ulaşmaması ve aşım yapmaması için çıkışı sınırlandırılmış ve integrasyon işlemini durduracak önlemler alınmıştır. PID denetleyicinin performansı, sistemin doğrusal olmamasına karşın denetleyici kazançlarının sabit olması ve bozucu etkinin impuls benzeri bir karakterde olması nedeniyle vasat olarak değerlendirilmiştir. Bu noktada doğrusal olmayan etkilerle başa çıkabilmek adına PID denetleyiciye bir bulanık mantık denetleyicisi (BMD) eklenmiştir. BMD, PID kontrolcünün kazançlarını adaptif olarak değiştirerek performansı iyileştirmektedir. BMD destekli PID kontrol yaklaşımı ile sabit kazançlı PID kontrolcüye göre daha üstün bozucu giderme performansı elde edilmiştir. Ardından, bir kayan kipli kontrol (KKK) yaklaşımı uygulanmıştır. KKK, bozucu etkilere, belirsizliklere ve doğrusal olmayan dinamiklere rağmen istenen dinamik davranışı sağlayabilen gürbüz bir kontrol yöntemidir. KKK yaklaşımında kullanılan kayma yüzeyi, arzu edilen sistem dinamikleri göz önünde bulundurularak belirlenmiştir. Sonrasında ise sistemin durum değişkenlerini kayma yüzeyine doğru iten bir anahtarlanan süreksiz kontrol işareti belirlenmiştir. Kayan kipli denetleyicinin performansının üstün bulunmuş olmasına karşın çatırtı sorunu nedeniyle gerçek hayatta uygulanamaz olduğu değerlendirilmiştir. Çatırtı sorunun üstesinden gelmek için literatürde önerilmiş çeşitli anahtarlanan kontrol işaretleri denenmiştir. Farklı kontrol işaretlerinin uygulanması vasıtası ile sistemdeki çatırtı fenomeninin azaltılabildiği gözlemlenmiştir. En iyi sonuç Üstün Burulma Algoritması (ÜBA) kullanılarak elde edilmiştir. Ayrıca ÜBA'na bir sınır tabakası yaklaşımı da ilave edilerek çatırtı sorunu önemli ölçüde iyileştirilmiştir. Bu iyileştirmeler sayesinde, ÜBAKKK yaklaşımının, özellikle daha geniş bir spektrumdaki bozucu etkileri giderme açısından daha iyi performans sergilediği görülmüştür. Farklı kontrol yöntemlerinden elde edilen sonuçlar, performans ve uygulanabilirlik açısından kapsamlı bir şekilde karşılaştırılmıştır. Denetleyicilerin hata değerleri, güç tüketimleri ve sistemin enerji grafikleri karşılaştırmalar esnasında kullanılmıştır. Bulgular neticesinde, kontrolcü kazançlarının adaptif olarak değiştirilmesinin, sabit kazançlı kontrol sistemlerine göre daha iyi performans verdiği görülmüştür. Son olarak, önerilen yöntemi test edebilmek ve denetleyicileri karşılaştırabilmek için bir deney düzeneği kurulmuştur. Simülasyonda kullanılan gerçek ölçekli model, imkanlar ve güvenlik önlemleri doğrultusunda sadeleştirilmiş ve ölçeklenmiştir. Jiroskopik dengeleyici dik çevrilerek bir gimbal mekanizmasına yerleştirilmiştir. Böylelikle gimalin yükseliş ekseniyle dengeleyicinin yalpa ekseni canlandırılırken gimbalin yanca ekseniyle de aracın yalpa eksenini canlandırılmıştır. PID ve ÜBAKKK denetleyicileri donanım içerisine gömülmüş ve kazançları yeniden ayarlanmıştır. Gimbalin yanca ekseninden ölçeklenmiş bozucu etki uygulanarak denetleyicilerin bozucu önleme performansları test edilmiştir. Test sonuçları, önerilen yöntem ile silah impulsu kaynaklı yalpa hareketinin, büyük oranda önlenebildiğini ortaya koymuştur. Simülasyon sonuçlarıyla uyumlu bir sonuç elde edilmiş ve ÜBAKKK denetleyicinin daha iyi performans sergilediği görülmüştür. Çalışmanın sonuçları, bu tür silah sistemleriyle donatılmış geleceğin insansız askeri kara araçlarının güvenlik, stabilite ve nişan performansını artırmak için önemli sonuçlar ortaya koymaktadır. Çıktıların bu araçlarının geliştirilmesine katkıda bulunması beklenmektedir.

Özet (Çeviri)

Future ground combat vehicles are anticipated to be unmanned, in contrast to the heavily armoured vehicles of today. By eliminating the crew, the need for thick protective armour is also eliminated. This reduction in armour results in lighter vehicles, enhancing mobility and logistics capabilities. Despite being lighter and smaller, an effective armament is still a requirement. One suitable choice is a 40 mm chain gun with a stabilized turret, offering armour penetration capability and versatility with various types of ammunition. However, firing a large-calibre gun from a lightweight platform poses challenges to vehicle stability and gun aiming. This study proposes a body roll control technique for a lightweight ground combat vehicle, specifically addressing the stability concerns caused by the firing impulse of a largecalibre gun. Traditionally, recoil problems are handled on the gun side, but this technique focuses on solving the issue on the platform side. The novel approach involves measuring the vehicle's body roll and applying a counter moment using gyrostabilizers, a first-time application for this purpose. The worst-case scenario of broadside firing is considered. The platform is modelled as a half-car engaged with a damped harmonic oscillator representing the recoiling gun. Three degrees of freedom are considered in the model, and disturbance forces from the gun and road are incorporated. To generate a counter moment, twin constant spin, single gimbal gyrostabilizers are employed. The moment produced by the gyrostabilizers are adjusted by precisely controlling their precession rates. Overall system exhibits nonlinear characteristics, with mismatched disturbance. Initially, PID control approach is applied. Results came out to be mediocre due to the impulsive characteristics of disturbance force and nonlinear characteristic of the system. Later, to enhance the performance of PID, Fuzzy Logic Controller (FLC) are implemented to adaptively change the gains of the PID controller. The Fuzzy Tuned PID controller showed overall better performance. Subsequently, a sliding mode control (SMC) scheme is utilized, but to address the chattering issue, different switching functions proposed in literature are adopted. The Super Twisting switching function (STSMC) with the boundary layer approach are resulted best among all. All control schemes are compared in terms of error, power consumption and other feasibility constraints. Not only the gun disturbance but also the road disturbance ability of the proposed technique is demonstrated is simulation environment. Finally, a test setup is established to further test the concept and compare control schemes. The actual size simulation model is scaled down for practical reasons, and PID and SMC controllers are embedded into the hardware. Test results confirm the compensation of body roll due to firing impulse, with the STSMC performing better, consistent with the simulation results. In conclusion, the study demonstrates successful control of body roll in a vehicle with small rotational inertia, compensating for disturbances caused by gun firing and rough terrain. The outcomes contribute to the safety, stability, and aiming performance of future ground combat vehicles.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    421220

    Dört kanatlı mikro hava aracı tasarımı ve kontrolü

    Design and control of micro aerial vehicle with four flapping wings

    ABDURRAHMAN İŞBİTİRİCİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERDİNÇ ALTUĞ

  2. Tez No

    837073

    Differential flatness-based fuzzy controller design for aggressive maneuvering of quadcopters

    Çok rotorlu hava araçlarının agresif manevra kontrolü için diferansiyel düzlük tabanlı bulanık kontrolör tasarımı

    ÇAĞRI GÜZAY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TUFAN KUMBASAR

  3. Tez No

    579513

    Design and control of a winch driven grasping mechanism for a quadrotor unmanned aerial vehicle

    Dört rotorlu insansız hava aracı için makaralı yük alma-bırakma mekanizması tasarımı ve kontrolü

    MEHMET OKAN GÜNEY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERDİNÇ ALTUĞ

  4. Tez No

    467088

    Hibrit kompozit gövde profilli otobüsün ECE R66-02 yönetmeliğine uygun devrilme analizi

    Hybrid-composite bus superstructure analysis according to the ECE R66-02 regulation

    SÜHA ÖZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU

  5. Tez No

    456963

    Taşıtlarda devrilme hareketi kontrolü

    Roll motion control of vehicles

    MÜJDE TÜRKKAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Makine Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. RECEP BURKAN

    PROF. DR. NURKAN YAĞIZ

Geri Dön