Aircraft motion control : inverse simulation

Abstract

Pilot eğitiminde önemli bir yer tutan savaş uçakları simülatörlerinin geliştirilmesi son yıllarda büyük önem kazanmıştır. Farklı senaryoların kolayca uygulanabilmesi, maliyet açısından gerçek uçuşlara kıyasla çok daha ucuz olması ve yeni programlama tekniklerinin uygulamaya konması bu önemi daha da arttırmıştır. Yapay zeka alanındaki gelişmeler neticesinde nümerik yöntemler ile akıllı sistemler bütünleştirilmiş ve hibrid (hybrid) sistemler elde edilmiştir. Bu tezde yapay bir pilotun yörüngeye karar verdikten sonra, belirlenen manevrayı nasıl yapabileceği, ters problem yöntemiyle incelenmiştir. Ters problemlerde kullanılan türev alm-a yöntemi ile integral yöntemi karşılaştırılmış avantaj ve dezavantajları belirtilmiştir. Bir pilotun almış olduğu eğitim neticesinde uçuş sırasında doğal olarak akıldan yapmış olduğu ters problem çözümünün anlaşılabilmesi öncelikle uçuş şartları, kararlılık, manevra tipleri gibi temel kavramları bilinmesini gerektirmektedir. Bu nedenle tezin başlangıç bölümünde bu tür temel kavramlara yer verilmiştir. Tez içerisinde incelenen yöntemler sayısal çözümler olup,.yapay zeka yöntemleri yada savaş senaryoları dahil edilmemiştir. Daha detaya inmeden önce bazı tanımların yapılmasında fayda vardır. Bir kütlenin durgun yada sabit lineer ve açısal momentlere sahip olması haline, o kütlenin denge hali (equilibrium) denir. Uçağın denge hali ikinci tip olan momentlerinin değişmemek kaydıyla hareket halinde bulunmasıdır. Aerodiamik kuvvetlerin bileşkelerinin uçağın ağırlığını dengeleme koşulu bulunduğundan, denge halinde herhangi bir dönme etkisi bulunmaz. Bir uçağın hızının farklılaşmasına ve/veya yönünün değişmesine engel olan karakteristiği o uçağın kararlılığını oluşturur. Uçak dinamiğinde iki tür kararsızlık mevcuttur. Bunlardan birincisi statik kararsızlık diğeri ise dinamik yani uçağın denge konumu etrafında salınması durumudur. Uçağın yörüngesini değiştirmek için uygulanan etkiye ise kontrol adı verilir. Bir sistemin kontrolünün iki tür fonksiyonu vardır. Birincisi uçağın denge durumunu sabitleştirmek yada değiştirmektir. Bir denge durumundan diğerine geçişteki dinamikler daha çok kararlılık araştırmalarının konusu olup burada incelenmeyecektir. Kontrolün ikinci fonksiyonu ise dengesizlik (unequilibrium) denilen ivmeli hareketler üretmek olıîp, uçak manevraları bu konuya girmektedir. Uçağın bir manevra halinden diğer bir manevra haline geçişi uçak kontrolünün ana araştırma viii konusu olmaktadır. Otomatik uçuş kontrol sistemleri bilgisayar yardımı ile sürekli düzeltmelerde bulunarak uçağın istenilen doğrultuda hareket etmesini sağlarlar. Her uçakta üç boyutlu mekanda gerekli hareketi sağlayacak çeşitli şekillerde kontrol yüzeyleri mevcuttur. Temel olarak üç tip olan bu yüzeyler kanatçık (aileron), irtifa dümeni (elevator), istikamet dümeni (rudder) olarak adlandırılırlar. Motorlarda üretilen itki gücü (thrust) ise dördüncü kontrol olarak düşünülür. Bununla birlikte savaş uçaklarında manevra kabiliyetini artırıcı ek unsurlarda bulunabilmektedir. Bunlar yatay ve dikey kanardlar, spoiler değişken kenarlı kanatlar ve son zamanlarda uygulamaya konulan motor sonrası kontrol yüzeyleridir. Bir kontrol yüzeyinin hareket ettirilmesi genellikle birden fazla eksene etki ederek istenilenden farklı hareketler doğurur. Birden fazla kontrol yüzeyinin kullanılması ile hareket değişkenleri arasında birliktelik (coupling) ve etkileşim (interaction) oluşturur. Bu fiziksel sınırlamalar özel teknikler kullanmadan otomatik uçuş kontrol sistemlerini analiz etmeyi imkansız kılar. Bu metodlardan biriside ters (geri) problem olup uçuş dinamik ve konrolünü anlamamızda bize yardımcı olur. TERS (INVERSE) PROBLEMLER Bir uçağın dinamik denklemleri iki tür değişkeni (giriş ve çıkış) ve bir grup sabiti birbirine bağlayan sistemlerdir. Genel (forward) problemler giriş ve sabitler bilindiğinde çıkışı hesaplamayı amaçlar. Ancak, bununla birlikte problemin iki farklı olasılığı daha mevcuttur. Bunlardan birisi çıkış ve sabitlerin bilinmesi ile girişin bulunması, diğeri ise giriş ve çıkışın bilinmesi ile sabitlerin bulunmasıdır. Bu iki türde ters (inverse) problemler dediğimiz alana girmekte olup her ikisininde uygulamada önemi vardır. Genel olarak bir sistem denklemi aşağıdaki şekilde verilir:- x0 = Gis)^ Bu üç fonksiyondan herhangi biri x) açılan temel alınarak ters problem yöntemi geliştirilir. Bir uçağın uçuş güzergahını belirlemek, uçağın zamana bağlı x(t), y(t), z(t) pozisyonlarını öngörmekle mümkündür. Bu değişiklikler verildiği IX taktirde zamana göre türevleri alınıp = VL cos6wco$ysw cos6wsin\j/w -sinOw denklem takımı çözülerek teğetsel hız VT(t) ve patika açılan \|/w(t), (pw(t) elde edilir.

Combat aircraft simulators has been widely used in training pilots. The possibility of implementing different scenarios without additional cost, makes the simulators attractive to military use. The scenarios have been set up in order to maintain situational awareness of the crew in highly complex environment. A modern pilot should have the ability to react instantly to changes in enemy behaviour and the quality of a simulator has been measured by its resembling real life problems. At this point, modeling enemy forces plays major role in achieving this goal. EUCLID CPA 11.3 multinational aircraft simulator development project is devoted to implement artificial agents in simulators as an enemy forces that can decide which maneuver to accomplish in different flight conditions. Therefore, understanding of flight conditions, air combat tactics, decision making were considered as functional requirements in this project. Maneuver implementation was one of the sub-function of pilot decision making module. In this thesis general inverse simulation method is introduced and designed to answer the question of " What kind of control should be applied in order to achieve desired maneuver or trajectory. Examples of such maneuvers are presented. Real time numerical solution package has been considered to be embedded in an artificial pilot decision making steps, to form a hybrid expert system. General flight principles, such as stability, maneuver types and flight control basics are also reviwed to form an introductory knowledge base.