Smart structures become highly popular with the developing technology. The aim of this study is to develop a basic model, which can be also used in the design of more complex systems by performing simultaneous optimization of a structure and associated controller with respect to some design parameters and feedback gains. In this thesis work, two smart structures are used as case studies and their results are compared with the available results in the literature. The first case study is simple twobar truss problem controlled by either one or two actuators. This problem is solved both numerically and analytically. The latter is a twenty-element parabolic truss, which is controlled by four actuators. This problem is solved numerically only. In the optimization process, the design parameters are taken as the cross sectional areas of bar elements, positions and/or number of actuators, and the elements of closed loop gain matrix. In the second case study, in addition to these parameters, shape design parameters are also optimized. A coordinate transformation is applied in both cases from the displacement space to the modal space. The modal model reduction method is used in the design of second problem. The optimization goal in both cases studies is to minimize the system energy while satisfying some frequency and mass constraints. In the second case study, in addition to the original objective function, system controllability and stability robustness are also maximized. In the solution of design problem, two optimization algorithms are used one embedded within the other. In the outer loop, a hide and seek simulated annealing algorithm optimizes structural design parameters, and positions and/or number of actuators. In order to generate a candidate design family for this level, optimal closed loop gain matrices are calculated by using MATLAB&reg / .

New control methods are developed for the unconstrained motion and constrained force and motion control of flexible robots. The dynamic equations of the flexible robots are partitioned as pseudostatic equilibrium equations and deviations from them. The pseudostatic equilibrium considered here is defined as a hypothetical state where the tip point variables have their desired values while the modal variables are instantaneously constant. Then, the control torques for the pseudostatic equilibrium and for the stabilization of the deviation equations are formed in terms of tip point coordinates, modal variables and contact force components. The performances of the proposed methods are illustrated on a planar two-link robot and on a spatial three-link robot. Unmodeled dynamics and measurement noises are also taken into consideration. Performance of the proposed motion control method is compared with the computed torque method.

Die Arbeit ist der regelungstheoretischen Betrachtung von mechanischen Systemen mit mehr Freiheitsgraden als Stellgrößen gewidmet. Dabei werden Aspekte aus den Teilgebieten Modellbildung, Systemanalyse, Steuerungsentwurf und Reglerentwurf behandelt. Den Ausgangspunkt bilden die aus dem Lagrange-Formalismus resultierenden Bewegungsgleichungen, für welche neben verschiedene partiell linearisierten Zustandsdarstellungen auch eine spezielle Byrnes-Isidori-Normalform eingeführt wird. Im Unterschied zu einer früher vorgeschlagenen ähnliche Normalform existiert diese "Lagrange-Byrnes-Isidori-Normalform" immer. Weiterhin wird die bedeutende Eigenschaft der differentiellen Flachheit im Zusammenhang mit mechanischen Systemen untersucht. Die bestehende Lücke zwischen den bekannten notwendigen und hinreichenden Flachheitsbedingungen bildet die Motivation zur Anpassung der Regelflächenbedingung auf mechanische Systeme in Lagrange-Byrnes-Isidori-Normalform. Parallel dazu wird die Flachheitsanalyse auf Basis des sogenannten Variationssystems betrachtet. Dabei handelt es sich um ein System von 1-Formen, die durch Anwendung der äußeren Ableitung auf die impliziten Systemgleichungen entstehen. Äquivalent dazu können auch die in einer rechteckigen Polynommatrix bezüglich des Zeitableitungsoperators zusammengefassten Koeffizienten der Basisformen untersucht werden. Die Flachheit eines Systems ist nun gerade äquivalent zur Existenz einer unimodularen Vervollständigung dieser Matrix, welche zudem noch eine bestimmte Integrabilitätsbedingung erfüllen muss. Durch Anwendung des Satzes von Frobenius können aus diesen in der bisherigen Formulierung nur schwer überprüfbaren Bedingungen deutlich einfachere hergeleitet werden. Für den Eingrößenfall ergibt sich dadurch eine erheblich Verringerung des Rechenaufwandes im Vergleich zum Referenzansatz. Im Mehrgrößenfall ist die Situation komplizierter: Durch das Fallenlassen der Unimodularitätsforderung und die Ausnutzung der speziellen Struktur mechanischer Systeme erhält man eine neue notwendige Bedingung für Flachheit, welche sich in endlich vielen Schritten auswerten lässt. Allerdings konnte mit dieser die vermutete Nichtflachheit für die untersuchten mechanischen Beispielsysteme nicht nachgewiesen werden. Einen weiteren Untersuchungsgegenstand bildet das Konzept der Konfigurationsflachheit. Für diese Eigenschaft ist gefordert, dass ein flacher Ausgang existieren muss, der nur von den Konfigurationskoordinaten abhängt. Basierend auf theoretischen Überlungen und dem Fehlen von Gegenbeispielen wird die Hypothese aufgestellt, dass für konservative mechanische Systeme Flachheit und Konfigurationsflachheit äquivalent sind. Für lineare mechanische Systeme kann diese Hypothese mit Hilfe der Kronecker-Normalform von Matrizenscharen verifiziert werden. Bezüglich des Entwurfs von Solltrajektorien werden neben der Darstellung bekannter Verfahren für lineare und für flache Systeme zwei weitere Ansätze genauer diskutiert. Der erste basiert auf der numerischen Lösung des aus dem Steuerungsentwurf resultierenden Randwertproblems. Dazu wird ein angepasstes Kollokationsverfahren konstruiert, welches die Elimination von Systemgrößen durch die explizite Berücksichtigung von Integratorketten ermöglicht, die bei partiell linearisierten Systemen stets auftreten. Unter bestimmten Bedingungen bewirkt dies eine erhebliche Reduktion der Rechenzeit. Der zweite Ansatz betrachtet die Überführung zwischen zwei Ruhelagen und beruht auf der Zeitumkehrsymmetrie, die alle konservativen mechanischen Systeme aufweisen. Er besteht aus mehreren Schritten: Zunächst wird für beide Ruhelagen eine Rückführung mit möglichst großem Attraktivitätsgebiet entworfen. Danach wird das System simulativ ausgehend von der Zielruhelage in der Startruhelage stabilisiert. Die so erhaltene Eingangstrajektorie kann dann bezüglich der Zeit invertiert werden, um das System aus der Startruhelage in die Nähe der Zielruhelage zu überführen, wo schließlich der entsprechende Regler aktiviert wird. In praktischen Realisierungen von unteraktuierten Regelungssystemen treten auf Grund von Effekten wie trockener Reibung und Getriebespiel oft Dauerschwingungen mit schwer vorhersagbaren und beeinflussbaren Parametern auf. Als Alternative zur klassischen Stabilisierung einer (theoretischen) Ruhelage wird deshalb eine Rückführung hergeleitet, welche für ein gegebenes lineares System einen stabilen Grenzzyklus mit vorgebbarer Frequenz und Amplitude asymptotisch stabilisiert.

L’ambition de cette thèse, qui se présente en sept chapitres regroupés en trois parties, est de reprendre l’ensemble du Corpus dionysien pour en définir un principe de cohérence : la théologie négative. Dans le sillage des recherches antérieures, souvent centrées sur une des œuvres qui lui sont attribuées ou sur une thématique particulière, on s’est interrogé sur l’histoire et la complexité de plusieurs concepts centraux de l’œuvre : théologie négative, symbole, hiérarchie. Et, en proposant de considérer la Hiérarchie ecclésiastique comme l’achèvement du Corpus – c’est au bref traité de la Théologie mystique qu’on attribuait volontiers cette place – nous montrons comment l’apophase ou la théologie négative s’enrichit, s’approfondit, d’une dimension liturgique, au-delà de l'affirmation et de la négation. / The purpose of this thesis, consisting of seven chapters grouped under three sections, is to reconsider the whole dionysian Corpus and to define the principle of its consistency, that is negative theology. Following the previous research, often focusing on one of the treatises or a main theme, we start with the history and the complexity of several key concepts within the Corpus: negative theology, symbol, hierarchy. We suggest that Ecclesiastical Hierarchy should be considered as the final step of Dionysius’ theology (rather than Mystical Theology as usually), and that leads us to study how the apophasis or the negative theology deepens into a liturgical dimension, beyond affirmation and negation.

Inertial Measurement Unit (IMU) and Global Positioning System (GPS) receivers are sensors that are widely used for land vehicle navigation. GPS receivers provide position and/or velocity data to any user on the Earth&rsquo / s surface independent of his position. Yet, there are some conditions that the receiver encounters difficulties, such as weather conditions and some blockage problems due to buildings, trees etc. Due to these difficulties, GPS receivers&rsquo / errors increase. On the other hand, IMU works with respect to Newton&rsquo / s laws. Thus, in stark contrast with other navigation sensors (i.e. radar, ultrasonic sensors etc.), it is not corrupted by external signals. Owing to this feature, IMU is used in almost all navigation applications. However, it has some disadvantages such as possible alignment errors, computational errors and instrumentation errors (e.g., bias, scale factor, random noise, nonlinearity etc.). Therefore, a fusion or integration of GPS and IMU provides a more accurate navigation data compared to only GPS or only IMU navigation data. v In this thesis, loosely coupled GPS/IMU integration systems are implemented using feed forward and feedback configurations. The mechanization equations, which convert the IMU navigation data (i.e. acceleration and angular velocity components) with respect to an inertial reference frame to position, velocity and orientation data with respect to any desired frame, are derived for the geographical frame. In other words, the mechanization equations convert the IMU data to the Inertial Navigation System (INS) data. Concerning this conversion, error model of INS is developed using the perturbation of the mechanization equations and adding the IMU&rsquo / s sensor&rsquo / s error model to the perturbed mechanization equation. Based on this error model, a Kalman filter is constructed. Finally, current navigation data is calculated using IMU data with the help of the mechanization equations. GPS receiver supplies external measurement data to Kalman filter. Kalman filter estimates the error of INS using the error mathematical model and current navigation data is updated using Kalman filter error estimates. Within the scope of this study, some real experimental tests are carried out using the software developed as a part of this study. The test results verify that feedback GPS/INS integration is more accurate and reliable than feed forward GPS/INS. In addition, some tests are carried out to observe the results when the GPS receiver&rsquo / s data lost. In these tests also, the feedback GPS/INS integration is observed to have better performance than the feed forward GPS/INS integration.

In this study, a parametric model for a main battle tank electric gun turret drive system stabilization controller has been developed. Main scope was the study of the muzzle deviation due to barrel flexibility. Traverse and elevation dynamics has been modeled to include the drive-line and barrel flexibilities. Order of the models has been kept large enough to cover the frequencies dominant in the interest scope but at the same time low enough to create a parametric model which can be used in real-time fire control computers. Therefore a 5-dof elevation and a 7-dof traverse models have been implemented. These models have been used to design a classical feedback and feedforward controllers which performed good enough to meet 0.5mrad stabilization accuracies. After satisfactory results have been obtained from the stabilization controller, a special coincidence algorithm has been implemented by time-series analysis of the disturbance signal which is constantly being measured by the feedforward gyro. Necessity of predicting the future muzzle angular orientation due to the latency in fire is discussed and by using autoregressive modeling of the disturbance signal, future values of the disturbance signal has been entered into the observer model. The prediction horizon has been set to the time delay value between the trigger is pulled by the gunner and the ammunition exit from the muzzle. By checking the future coincidence within a very narrow windowing (0.05mrad) a 100% first round hit probability in theory has been achieved. This is assured since the coincidence inhibited the fire signals which were to miss the aiming point with a large error.

This doctoral study aims to develop a methodology for use in determining aerodynamic models and parameters from actual flight test data for different types of autonomous flight vehicles. The stepwise regression method and equation error method are utilized for the aerodynamic model identification and parameter estimation. A closed loop aerodynamic parameter estimation approach is also applied in this study which can be used to fine tune the model parameters. Genetic algorithm is used as the optimization kernel for this purpose. In the optimization scheme, an input error cost function is used together with a final position penalty as opposed to widely utilized output error cost function. Available methods in the literature are developed for and mostly applied to the aerodynamic system identification problem of piloted aircraft / a very limited number of studies on autonomous vehicles are available in the open literature. This doctoral study shows the applicability of the existing methods to aerodynamic model identification and parameter estimation problem of autonomous vehicles. Also practical considerations for the application of model structure determination methods to autonomous vehicles are not well defined in the literature and this study serves as a guide to these considerations.

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