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: Belirtilmemiş.
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
- İzmir'de bazı yolların kapatılarak yaya bölgeleri oluşturma da kent peyzajını geliştirme açısından yeniden planlanması üzerinde araştırmalar
Başlık çevirisi yok
BAHAR TÜRKYILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Şehircilik ve Bölge PlanlamaEge ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
- Ağızlık açma mekanizmalarının tasarımı
Başlık çevirisi yok
RECEP EREN
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiUludağ ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALİL R. ALPAY
- Sonbahar sera yetiştiriciliğine uygun hıyar çeşit seçimi
Selecting a cucumber variety suitable for glasshouse production in Autumn
MESUT OKTAY
- İki katlı pamuk ipliklerinden dokunan kumaşlarda örgüye bağlı olarak maksimum atkı sıklığının değişimi üzerinde bir araştırma
Başlık çevirisi yok
MELTEM ASLI NARTER
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiEge ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜNGÖR BAŞER
- Küçük Yamanlar tepesi örneğinde kent yakın çevresinde rekreasyon alanı düzenleme projesi
Başlık çevirisi yok
NİHAN BULGUN
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Şehircilik ve Bölge PlanlamaEge ÜniversitesiPeyzaj Mimarlığı Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İLÇİN ASLANBOĞA