Simülatörler İçin Hareket Algı Algoritması Geliştirilmesi
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2016
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: Şemsettin Numan Sözen
Asıl Danışman (Eş Danışmanlı Tezler İçin): Vasfi Emre ÖMÜRLÜ
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Uçuş benzeticileri, pilotların eğitilmesi amacıyla ticari ve askeri alanlarda geniş bir kullanım alanına sahiptirler ve kara, deniz ve uzay araçları için de kullanım oranları giderek artmaktadır. Benzetici sistemleri, benzetim ortamı içerisinde sürücü/pilot davranışını olabildiğince gerçek uçuşa yakın olarak anlamamıza yardımcı olmaktadırlar. Gerçek uçuşların çok pahalı ve çeşitli risklere sahip olması nedeniyle benzeticiler daha güvenli ve pratik yapılardır. İkinci Dünya Savaşı sırasında uçuş benzeticilerine gereksinim duyulmuştur. Analog bilgisayarlardaki teknolojik gelişmeler ise uçuş benzeticilerinin geliştirilmesine katkı sağlamıştır. Takribi yıllarda, aerodinamik gibi bazı özel konular da benzetici sistemler içerisine birleştirilmiştir. Hareket algı yönetimi için belirli bir stadnart yoktur fakat literatürde klasik, optimal, adaptif ve model öngörülü kontrol algoritması olmak üzere dört ana algoritma yapısı mevcuttur. Hareket algı yönetimi algoritması, bir simülatör hareketini sınırlı bir çalışma uzayı içerisinde sağlamak için bir zorunluluktur. Uçuş benzetimi için çoğunlukla 6 DOF paralel manipülatörler kullanılmaktadır. Manipülatör girişleri, gerekli hareketleri üretmek için açısal hız ve çizgisel ivme referansları olarak benzetilir. Mekanizma hareketli platformu, bir sonraki hareket dizisine başlamak için nötr pozisyona dönmelidir. Bu işlem "sıfırlama" olarak adlandırılmaktadır ve sıfırlama hareketi, literatürdeki farklı çalışmalarla elde edilmiş olan insan hareket algı eşik değerlerinin altında bir değerde olmalıdır. Sürekli çizgisel ivmelenmelerin algılanması için platform kendisini eğer ve "Eğim Koordinasyonu" olarak adlandırılan çizgisel olarak yapay bir hareket algısı üretimi için yer çekimi vektörünü kullanır. Uçuş aracının sürekli ivmelenmesinden kaynaklanan kuvvet etkisi de eğim koordinasyonu tarafından sağlanmaktadır. Eğim koordinasyonu, algoritma içerisinde x- ve y- eksenlerinde 2 .dereceden düşük geçiren filtrelerin kullanılması aracılığıyla sağlanır. Bir benzetici temel olarak bir robotik manipülatör ve manipülatör üzerine konumlandırılmış bir benzetici odasından oluşmaktadır bu nedenle manipülatörün kinematik analizleri anlamlı hareket sonuçları elde edebilmek için büyük önem taşımaktadır. Hareket algı yönetimi algoritmasının çıkışlarından elde edilen çizgisel ve dönel pozisyon değerleri manipülatöre ters kinematik tarafından hesaplanan bacak boyları olarak iletilmektedir. Robotik sistemler içerisindeki koordinat dönüşümü ise diğer bir önemli konudur çünkü benzetici içerisindeki hareket sürücü/pilotun göz hizasında olmalıdır. Uçuş benzeticilerindeki esas konu benzetici hareketini uçuş aracı hareketine ilişkilendiren hareket algı yönetimi algoritmasıdır ve bu durum hareket kontrol bilgisayarı ile benetim kontrol bilgisayarı arasındaki haberleşme ile mümkündür. Bu çalışmada sunulan sistem içerisindeki haberleşme protokolü, FlightGear olarak adlandırılan uçuş benzetimi paket programından çizgisel ivme ve açısal hız değerlerini UDP protokolü aracılığıyla almaktadır. Bu amaçla, ilgili hereket kontrol girdilerini alıp hareket kontrol yönetimi algoritmasında işlenmek üzere ileten bir XML senaryo dosyası üretilir. Eğer benzetim kontrol bilgisayarında Matlab/Simulink aracılığıyla, geliştirilmiş bir uçuş aracı dinamik modeli kullanılıyor ise ilgili hareket kontrol parametreleri, paket giriş/çıkış bloğu aracılığıyla paket veriler olarak alınır. Klasik hareket algı yönetimi algoritması hareket algı yönetimi algoritmalarının temelini oluşturur ve manipülatörü nötr pozisyonuna, her harekette, çalışma uzayı içerisinde ve insan algısı eşik değerlerinin altında götürmek için 1. ve 2. dereceden yüksek geçiren sıfırlama filtrelerini içerir. Bu nedenle, hereketin eşik değerlerinin altında olup olmadıklarını kontrol etmek için vestibüler sistem modeli gerekmektedir. Vestibüler sistem insanda iç kulağın içerisinde yer almaktadır ve dönme hareketlerinin algılanmasını sağlayan yarı dairesel kanallar ve çizgisel hareketlerin algılanmasını sağlayan kulak taşlarından oluşmaktadır. Klasik sıfırlama filtrelerinin kalibrasyon işlemi hareket algı yönetimi algoritması tasarımında önemli olan diğer bir konudur. Sistemde, manipülatör üretim kataloğuna göre x-, y- ve z- eksenleri üzerinde pozisyon doyum değerleri ve yine bu eksenler etrafında açı doyum değerleri yer almaktadır. Eğer sıfırlama filtresi kazançları platformun yapabileceği doyum değerlerinden yüksek değerlerde ise manipülatörde mekaniksel arızaların meydana gelme olasığı yüksektir. Literatürde, sıfırlama filtrelerinin kalibrasyon aşamalarını açıklayan çok fazla çalışma mevcut değildir. Klasik hareket algı yönetimi algoritması öncelikle küçük ölçekli bir masaüstü platform üzerinde denenmiş ve önemli bir optimizasyon aşaması uygulandıktan sonra tam ölçekli bir uçuş benzetici mekanik yapısı inşa edilmiş ve klasik sıfırlama filtresi uygulanmıştır. Sistem 6x6' lık bir paralel manipülatördür ve AC motorlarla sürülmektedir. Klasik sıfırlama filtreleri Matlab/Simulink ortamında, Windows gerçek zamanlı hedef ile uygulanmıştır. Algoritma, uçuş aracı uçuş değişkenlerinin yüksek frekanslı bileşenleri için 1. ve 2. dereceden yüksek geçiren filtrelere ve düşük frekanslı bileşenleri için ise 1. dereceden düşük geçiren filtrelere sahiptir. Aynı zamanda tüm yazılım uygulamaları da Matlab üzerinde kurulmuştur. Sanal uçuş yazılımından uçuş verileri 5 Hz' lik örnekleme zamanı ile elde edilmektedir. Bu tez çalışmasında, düşük yük kapasiteli bir uçuş simülatörünün sistem bütünleştirmesi açıklanmış, klasik hareket algı yönetimi algoritması sonuçları, vestibüler sistem doğrulamaları ve klasik sıfırlama filtrelerinin kalibrasyon işlemi sunulmuş, Boeing 777-300ER ve Sikorsky tipi helikopter uçuşlarından elde edilen sonuçların karşılaştırması gösterilmiştir. Sistem gereksinim dokümanları doğrultusunda ilgili testler gerçekleştirilmiş ve bu testlerin sonuçları da sunulmuştur. İlaveten, manipülatör çıkışlarından elde edilen hareketlerin doğrulukları, düz kinematik kullanılarak ispatlanmıştır. Klasik hareket algı yönetimi algoritmasının yanısıra optimal sıfırlama filtresi tasarımı ve uygulaması da bu çalışma içerisinde açıklanmıştır. Tezin sonunda ise bu çalışmadan elde edilen çıkarımlar anlatılmıştır.