Design, modeling, and optimal control allocation of a heavy-lift aerial vehicle consisting of large and small tilt-rotors

---

Tezin Türü: Doktora

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye

Tezin Onay Tarihi: 2021

Tezin Dili: İngilizce

Öğrenci: GÖKHAN ÖZDOĞAN

Danışman: MEHMET KEMAL LEBLEBİCİOĞLU

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.