Bu bolumde Geliştirilmiş Kalman Filtresi, Geminin Matematiksel Modeli, Dinamik Mevki Kontrol Sisteminin Hesaplama ve Kontrol İşlemleri konuları 2 bölüm altında işlenecektir. Bu konu başlığı altında işlenecek konuların DP Basic ve Advance DP kursları için sizlere yardımcı olacağını umuyorum.
DPO Education Store
All questions are copyrighted by DPT Offshore Marine, and any reproduction, copying, distribution, or use of its works that requires permission is prohibited without proper authorization and knowledge. Anyone engaging in such actions will bear full legal responsibility. Declared with respect.
Geliştirilmiş Kalman filtresi, birbirinden bağımsız üç yönde gemi hareketini (pruvanın sancak-iskele dönüşü, geminin ileri-tornistan ve yanal eksendeki hareketi) yaklaşık olarak belirler (tahmin eder) bu hesaplamada gemiye etki eden diğer harici kuvvetleri de ayrıca hesaplar. Hesaplamalarda temel olarak geminin matematiksel modelini kullanır, geminin %100 gerçek durumunu yansıtmayan bu model gerçeğe en yakın değere ulaşabilmek için devamlı olarak güncellenir. Gemi cayrosu ve DGPS’inden gelen bilgiler ile gemi modelinden alınan bilgiler devamlı olarak mukayese edilir ve gemi modeli devamlı olarak güncellenir. Bu işlemler ve geliştirilmiş Kalman filtrenin çalışma prensibi aşağıdaki şekilde genel hatları ile gösterilmiştir:
Şekil 1.1 Geliştirilmiş Kalman Filtresi ve Geminin Matematiksel Modeli
Geliştirilmiş Kalman Filtre’nin avantajları: ● Sensörlerden gelen mevki ve pruva bilgilerinin güncelleme oranlarına bağlı olarak sistemde oluşabilecek gürültü sinyallerinin ve seviyelerinin sistemin kendi çalışmasına uygun şekilde (en uygun seviye) düzenlenmesi. ● Farklı mevki referans birimlerinden gelen (DGPS ve HiPAP) verilerin uygun şekilde kombinasyonunun sağlanması. Sistem kendisine farklı kaynaklardan gelen mevki bilgisini gönderen sistemin ölçüm kalitesine bağlı olarak değerlendirir ve her bir sensöre ölçüm kalitesine göre ağırlık verir. ● Mevki bilgisinde bir kayıp/arıza/hata olduğunda sanal ilerleme (DR) moduna geçer, belli bir süre mevki girişi olmadan çalışabilir.
Kalman filtresinin çalışma prensibi doğrultusunda gemi modelinin güvenirliği ve doğruluğuna bağlı olarak her bir iticiden talep edilecek itme gücü tespit edilir. Sistem çalışmasını sürdürdükçe geminin ve iticilerin komutlara verdiği tepki kalman filtre ve diğer hesaplama yöntemleri ile kontrol edilir ve en dengeli konuma ulaşılır.
DKS ölçüm, hesaplama ve kumanda işlem süreci kendini devamlı olarak mevcut şartlara uyumlu hale getirir. Örneğin, sadece bir mevki referans sistemi aktif olsun ve onun da veri güncelleme süreci düşük olsun. Bu durumda, matematiksel gemi modelinin karasızlığı uzun ölçüm periyotları arasında artacaktır ve önlem olarak gemi modelinin güncellenmesi detaylı ve dikkatli bir şekilde yapılır.
Üretici firma tarafından seyir şartlarında yapılan sistem testlerinde, mevki ölçüm sensörlerinden kaynaklanan gürültü sinyallerinin azaltılması sonucunda daha iyi bir mevki kontrolü yapılabildiği ve buna bağlı olarak da daha az yakıt tüketiminin sağlandığı, ana tahrik sisteminin kullanım süresinin kısaldığı tespit edilmiştir.
Kalman filtreden alınan pruva değeri aynı zamanda kullanılan cayrodan alınan pruva değerinin de düzeltilmiş hali olarak kullanılabilir. Sistemin çalışmasının daha iyi seviyeye çıkartılması için (özellikle yüksek süratle yapılan seyirlerde) geminin sürat ölçüm sistemlerinden alınacak veriler DKS tarafından kullanılabilir. Kontrol devreleri, tüm dış etkenler ve kullanıcı taleplerinin hesaplanması sonucu iticilere gönderilecek kumandaları hesaplar.
DKS’nin kontrol stratejisi farklı karakteristik özellik içeren üç moddan birisi olabilir: ● Yüksek Hassasiyette Kontrol: Bu modda sistem tüm hava koşullarında en hassas mevki sabitlemeyi garanti eder, ancak yakıt tasarrufu ve çalışma sürelerinin azaltılmasına yönelik hiçbir önlemi dikkate almaz. ● Gevşek Kontrol: Mevki kontrol hassasiyeti ikinci planda tutulmak kaydıyla iticilere daha kontrollü ve yavaş kumanda eder (yumuşak geçiş sağlar). Bu çalışma modu mevkinin hassas bir şekilde sabit tutulmasını garanti etmez. Daha çok sakin havalarda kullanılması tavsiye edilir.
Bununla birlikte, ● Yeşil (Çevreci) Kontrol: Linear olmayan tahmin modelini kullanarak çalışır. Mevkinin hassas bir şekilde sabit tutulmasının yanında asgari yakıt tüketimini dikkate alır. Tüm hava şartlarında kullanılabilir.
Yüksek hassasiyetli kontrol ve gevşek (rahat) kontrol metodu döngüsel geri besleme özelliği içerir. Bu geri beslemede operatör tarafından tanımlanmış pruva ve mevki değerleri ile geminin o anki gerçek pruva ve mevkisi arasındaki fark devamlı olarak kontrol edilir. Benzer şekilde dönüş oranı ve gemi sürati için de aynı işlem yapılır. Aradaki fark tespit edilir ve kazanç faktörü ile çarpılır, daha sonra itki talebi elde edilir. İtki talebi, geminin hangi yöne hangi miktarda hareket etmesi gerektiğini tanımlar. İtki talebi gemi hareketinin durdurulması/yavaşlatılması yönünde veya başlatılması yönünde olabilir.
Yüksek hassasiyetli kontrol ile gevşek kontrol arasındaki, tek fark sistemin kontrol karakteristiklerine cevap verme şeklidir. Aşağıdaki grafikte iki kontrol yöntemi arasındaki fark gösterilmiştir.
Şekil 1.2 Hassas Kontrol ve Gevşek Kontrol Metotlarında Tepkimenin Grafiksel Gösterimi
Geminin rüzgâr etkisinden kaynaklanan hareketlerini elimine etmek için DKS’nin süratli bir şekilde reaksiyon gösterebilmesi maksadıyla pozitif geri besleme (Harici Etkenler Kaynaklı İlave Talep) yöntemi kullanılmıştır. Bu sayede DKS, harici kuvvetler tarafından oluşturulan etkiye bağlı olarak geminin mevkisinin değişmesine müsaade edilmez ve anında müdahale edilir. Ancak, ölçülemeyen etkilerden dolayı (dalga, dip akıntısı vb.) döngüsel geri besleme (geminin olması istenen mevkisi ile gerçek mevkisi arasındaki fark) ve pozitif geri besleme (harici etkenlerin ölçülerek gemiye olası etkilerinin hesaplanması ve karşı önlem alınması) gemi mevkisinin tatminkâr bir şekilde muhafaza edilmesini sağlamayabilir, bu durumda sistem zaman içerisinde bu etkileri tespit eder ve itki talebini bu ölçülemeyen harici etkilere göre düzenler.
Çevreci (Yeşil) kontrol metodunda, sistem gemiyi istenen sahada asgari enerji sarfiyatı kullanarak tutar. Kontrol sistemi çevresel etkilerin ortalamasını alarak müdahale eder. Ayrıca kontrol sistemi “Kontrol Tahmin Modeli” kullanır. Kontrol tahmin modeli, geminin hareketlerini önceden tahmin eder ve bu model, kontrol sistemine bir giriş olarak kullanılır. Harekât sahasının sınırlarının aşılacağı tahmin edildiğinde sistem iticilere kumanda ederek gemiyi saha içerisinde tutmaya çalışır. Bu çalışma modunda sistem gemiye yumuşak geçişlerle müdahale ederek mevkiyi korumaya çalışır. İticilere yumuşak geçişle kumanda edilmesi materyal ömrünü arttıracağı gibi yakıt tasarrufu ve düşük çevre kirliliği de sağlar. Bu modun doğası gereği, sistem harici etkenlerden kaynaklı mevki kaymalarına kontrol tahmin modeli derhal önlem alınmasını gerektiren bir durum tespit etmediği müddetçe anında müdahale etmez, bu yüzden iticilere gereksiz şekilde anlık kumanda söz konusu değildir. Kontrol tahmin modeli, standart kontrol sisteminde olduğu gibi Kalman Filtrede kullanılan matematiksel gemi modelini de içerir. Kontrol tahmin modeli, geminin tahmini mevkisini ve pruva değerini adım adım bulmaya çalışır (1-2 dakika sürer). Kontrol tahmin modeli, harekât sahası sınırlarının aşılmaması için iticilerin kullanılmasına yönelik olarak en makul çözümün bulunması maksadıyla (optimum) devamlı hesaplama yapar (on-line). Çevreci (Yeşil) kontrol modunun çalışması aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Şekil 1.3 Çevreci (Yeşil) Kontrol Modu ve Algoritması
Tipik bir DKS aşağıdaki bileşenlerden oluşur: ● Bilgisayarlı kontrol ünitesi: Sensörlerden, referans sisteminden, iticilerden ve operatör panelden bilgi/verileri toplar ve gerekli hesaplamaları yaparak kendisine verilen komutlara bağlı olarak geminin hangi yönde ne kadar hareket etmesi gerektiğini tespit eder. Daha sonra iticilere kumanda ederek geminin istenilen mevkide kalmasını sağlar. İticilere gönderilen komutlar aynı zamanda kullanıcı ekranında da gösterilir. ● Güç Kaynağı: Sistemin çalışması için gerekli olan enerjiyi sağlar (Bu dokümanda ana tahrik sistemine ilişkin bilgi yer almadığından, iticilere enerji sağlayan jeneratörler, motorlar ve dağıtım sisteminden bahsedilmeyecektir. Bu dokümanda kullanılan “Güç Kaynağı” ifadesinde sadece DKS’nin ihtiyaç duyduğu enerjiyi sağlayan devreler anlaşılmalıdır). ● Mevki referans sistemi: Geminin hareketlerinin kontrol edilmesi için kullanılacak referans noktasına ilişkin bilgiyi sağlayan sistemdir. Coğrafi mevki veya su altında herhangi bir noktanın belirlenmesine yardımcı olan donanımdır. ● Sensörler: Gemiye etki eden harici kuvvetlerin (rüzgâr, akıntı, dalga) tespit edilmesini, bu kuvvetlere bağlı olarak geminin yaptığı fiziksel hareketlerin (yalpa, meyil, kabarma) algılanmasını sağlayan sistemdir. Mevki referans sisteminden gelen veriler, sensörlerden gelen veriler ile birlikte değerlendirilerek geminin mevkisi ve fiziksel durumu tam ve doğru olarak tespit edilebilir. ● Operatör paneli/kumanda konsolu: Kullanıcı ile sistem arasındaki arayüz olarak görev yapar. Geminin ve DKS’nin mevcut durumunu devamlı olarak gösterir. Kullanıcı tarafından sisteme komutlar bu panel/konsol üzerinden verilir. İhtiyaç halinde kullanıcı sistemin tüm kumandasını veya bir kısmının kumandasını üzerine alabilir (manuel kumanda). ● İticiler: Geminin hareket etmesini sağlayan pervanelerdir. Normal şartlarda gemiyi tek bir yöne doğru hareket ettirirler. Ancak pek çok iticinin farklı kombinasyonlarda kullanılmasıyla gemi her yöne hareket edebilir. DKS bu iticilere kumanda ederek gemi mevkisini ya da pruvasını sabit tutabilir. Bu komutlar, hangi iticinin hangi yöne ve ne kadar süre ile çalışacağı bilgisini içerir. İtici kendisine gelen kumandayı uygular ve çalışma durumunu sisteme geri bildirir.
Dinamik kumanda sisteminin ana fonksiyonları: ● Gemiye etki eden kuvvetlerin ölçülmesi ve hesaplanması. ● Gemiye etki eden kuvvetlere geminin gösterdiği reaksiyonun tespit edilmesi. ● İstenilen mevki ve pruva ile gerçek durumu mukayese ederek aradaki farkı bulmak. ● Geminin istenilen konuma gelmesi için iticilerin nasıl kullanılması gerektiğinin hesaplanması. ● Yapılan hesaplamalara uygun olarak iticilere kumanda edilmesi. ● Verilen kumandaya karşı geminin nasıl reaksiyon gösterdiğinin kontrol edilmesi ve gerekirse düzeltmelerin yapılması.
Sistem bu fonksiyonları yerine getirmek için öncelikle geminin matematiksel modelini oluşturur ve ihtiyaç duyulan hesaplamalarda kullanır. Sisteme gelen bilgiler (referans birimleri, sensörler ve operatör girişleri) ile birlikte yapılan hesaplama sonucu iticilere kumanda edilir. DKS ve cJoy birbirlerinden bağımsız olarak bu fonksiyonları yerlerine getirebilir. Aşağıdaki şekilde sistem (DKS) yazılımının ve hesaplamaların işleyişi gösterilmiştir.
Şekil 1.4 Dinamik Mevki Kontrol Sisteminin Hesaplama ve Kontrol İşlemleri
2. BölümdeGeliştirilmiş Kalman Filtresi, Geminin Matematiksel Modeli, Dinamik Mevki Kontrol Sisteminin Hesaplama ve Kontrol İşlemleri konuları hakkındaki anlatımım devam edecektir.
