H-infinity mixed sensitivity optimization for a four axis gimbal platform

Abstract

Günümüzde gimbal sistemleri füzeler, insansız hava araçları, keşif gözlem helikopterleri gibi askeri ve bazı ticari amaçlı olmak üzere birçok mühendislik uygulamalarında kullanılmaktadır. Genellikle bu sistemler üzerinde taşıdıkları faydalı yük olan elektro-optik veya kızılötesi kameralarla hedef takibi, gözetleme, haritalama, görüntü işleme, yüksek çözünürlüğe sahip görüntü elde etmek amacıyla kullanılırlar. Bu sistemlerin kullanılmasındaki temel amaç, faydalı yükün; üzerinde bulunduğu platformun hareketinden bağımsız olarak istenilen konumlara yönlenmesi ve bu yönlenme sırasında sistemin kararlı olmasıdır. Hassas hedefleme ve gözlemleme söz konusu olduğunda gimbal sistemlerinin çok eksenli olarak tasarlanması istenilen hedef ve noktayı takip etme konusunda önemlidir. Bu çalışma, dört eksenli bir gimbal sisteminin detaylı olarak matematiksel modellenmesi ve kontrolü üzerine odaklanmıştır. İlk olarak, dört eksenli gimbal sistemi her eksen ayrı ayrı olacak şekilde incelenmiş, kinematik ve dinamik denklemleri detaylı olarak analiz edilmiştir. Sistem dinamiklerinin belirlenmesinden sonra sistem kontrolü için gürbüz kontrol tasarım metotlarından biri olan ��∞ karma hassasiyet yöntemi ile kontrolcüler tasarlanmıştır. Son olarak, önerilen sistem modellemesi ve kontrol tasarımı MATLAB/Simulink ortamları kullanılarak simule edilmiş olup sonuçlar tezde grafik ve tablolarla sunulmuştur.

Recently; gimbal systems are employed in a wide range of engineering applications, including military and commercial systems such as missiles, drones, attack helicopters etc. These systems are commonly used for target tracking, surveillance, mapping, image processing, and providing high resolution images with electro-optical or infrared cameras. The main purpose of using these systems is to point the optical system to the desired point regardless of the platform's movement and to compensate the disturbance effects in order to ensure that system is stabilized during the motion. It is important to design multi axis gimbal systems for tracking the desired target and point when it comes to precise targeting and observation. This study addresses the detailed mathematical modelling and ��∞ mixed sensitivity control design of a four axis gimbal system. Firstly, the four-axis gimbal system is modeled separately for each axis, and the system's kinematic and dynamic models are thoroughly analyzed. After determining the system dynamics, controllers are designed with the ��∞ mixed sensitivity method, which is one of the robust control design methods for system control. Finally, proposed system modelling and control design are simulated in MATLAB and Simulink environments. Results are presented with figures and tables in the thesis.