Yapay Sinir Ağlarının Temel Bileşeni: Nöronlar

Yapay sinir ağları (YSA), biyolojik sinir sistemlerinin çalışma prensiplerinden esinlenerek geliştirilen ve makine öğrenmesi ile derin öğrenmenin temelini oluşturan matematiksel modellerdir. Bu sistemlerin çekirdeğini ise "nöronlar" oluşturur. Bu yazıda, yapay nöronların yapısı, fonksiyonları ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi vereceğiz.

Yapay Nöron Nedir?

Yapay nöronlar, biyolojik nöronları taklit eden matematiksel birimlerdir. Bir yapay nöron genellikle şu bileşenlerden oluşur:

1. Girdi (Input): Yapay nöron, birçok girdiyi (örneğin, x1, x2, x3 gibi) kabul eder. Bu girdiler, işlenmesi gereken verileri temsil eder.

2. Ağırlıklar (Weights): Her girdi bir ağırlıkla (örneğin, w1, w2, w3 gibi) çarpılır. Bu ağırlıklar, sistemin girdilere verdiği önemi ifade eder ve eğitim sürecinde optimize edilir.

3. Toplama (Summation): Girdi ve ağırlıkların çarpımları toplanarak toplam bir değer elde edilir. Bu işlem, biyolojik nöronlarda dendritlerin toplama işlevine benzer.

4. Aktivasyon Fonksiyonu: Toplam değer, belirli bir çıktı (output) oluşturmak için bir aktivasyon fonksiyonundan geçirilir. Bu fonksiyon, sistemin çıktısının lineer mi yoksa lineer olmayan mı olacağını belirler.

5. Çıktı (Output): Aktivasyon fonksiyonunun sonucu, nöronun çıktısıdır. Bu çıktı, bir sonraki katmana veya sisteme iletilir.

Aktivasyon Fonksiyonları

Aktivasyon fonksiyonları, yapay nöronların en önemli bileşenlerinden biridir. Bu fonksiyonlar, karmaşık veri modellerini çözmek için çıktıları dönüştürür. En yaygın aktivasyon fonksiyonları şunlardır:

• Sigmoid Fonksiyonu: Çıktıları 0 ile 1 arasında sınırlar. Genellikle iki sınıflı problemler için kullanılır.

• ReLU (Rectified Linear Unit): Pozitif girdileri aynen aktarırken, negatif girdileri 0 yapar. Hızlı ve etkin çalışır.

• Tanh (Hyperbolic Tangent): Çıktıları -1 ile 1 arasında dönüştürür ve sigmoid fonksiyonuna benzer bir yapısı vardır.

• Softmax Fonksiyonu: Birden fazla sınıfa ait olasılıkları hesaplamak için kullanılır.

Yapay Nöronların Eğitimi

Yapay nöronlar, genellikle bir ileri besleme (feedforward) yapısında organize edilir ve "geri yayılım" (backpropagation) algoritması ile eğitilir. Bu süreç şu adımlardan oluşur:

1. İleri Besleme (Forward Pass): Girdiler ağ boyunca iletilir ve çıktılar hesaplanır.

2. Hata Hesaplama: Hesaplanan çıktı, hedef çıktı ile karşılaştırılarak hata bulunur.

3. Geri Yayılım (Backward Pass): Hata, ağırlıkları optimize etmek için geriye doğru yayılır.

4. Ağırlıkların Güncellenmesi: Hata miktarına göre ağırlıklar yeniden ayarlanır.

Kullanım Alanları

Yapay nöronlar, birçok farklı alanda kullanılır:

• Görüntü Tanıma: El yazısı tanıma, obje algılama gibi alanlarda yaygındır.

• Doğal Dil İşleme (NLP): Makine çevirisi, duygu analizi gibi uygulamalarda temel taşıdır.

• Finans: Hisse senedi tahmini ve dolandırıcılık tespiti gibi alanlarda kullanılır.

• Sağlık: Hastalık tanısı, tıbbi görüntüleme analizinde yer alır.

Sonuç

Yapay nöronlar, yapay zeka ve derin öğrenme sistemlerinin şüphesiz en temel bileşenidir. Biyolojik nöronlardan esinlenilerek geliştirilen bu modeller, karmaşık problemleri çözmeyi mümkün kılar. Nöronların işleyişini anlamak, yapay sinir ağlarının daha etkili bir şekilde kullanılmasına katkı sağlar.

Tek Fazlı, Üç Fazlı Elektrik Hattı, Doğrultma Devreleri

Türkiye'de evlerde, iş yerlerinde AC 220 V, tek fazlı elektrik hattı bulunmaktadır. Sanayi bölgelerinde AC 380 V, üç fazlı elektrik hattı bulunmaktadır. Bu değerler teknik açıdan voltaj RMS değerleridir. Bu durumda tek fazlı elektrik hattı için tepeden tepeye gerilim farkı 220 V * sqrt(2) = ~311 V değerindedir. Üç fazlı elektrik hattında ise tepeden tepeye gerilim farkı 380 V * sqrt(2) = ~537 V değerindedir. 

Her iki hatta frekans 60 Hz değerindedir.

Aşağıdaki görselde tek fazlı ve üç fazlı elektrik hattını görebilirsiniz.

Tek fazlı hatta V+ 311 V değerindedir. Üç fazlı hatta V+ 537 V değerindedir.

Tek fazlı bir hatta, hattı doğrultmak için aşağıdaki devre topolojisi uygulanabilir.

Bu durumda alttaki görseldeki gibi RL direnci üzerinde her zaman tek yönde, değişken bir gerilim oluşur. RL direnci yerine uygun değerde bir kapasitör kullanılırsa DC gerilim elde edilmiş olur. Düşük dalgalanmaları göz ardı edecek olursak sabit 220 V bir hattı doğrutup DC baraya dönüştürdüğümüz durumda kapasitörün üzerinde ~311 V DC gerilim oluşacaktır.

Üç fazlı bir hatta, hattı doğrultmak için aşağıdaki devre topolojisi uygulanabilir.

Bu durumda RLoad üzerinde tek yönde aşağıdaki gibi bir gerilim uygulanır. Çıkışa kapasitör eklenmesi durumunda tek fazlı hatta örnekteki gibi 571 V seviyesinde DC gerilim oluşacaktır.

*sqrt (2)=~1.414

Kaynaklar:

• https://schoner-electric.com/blog/f/tek-faz-ve-%C3%BC%C3%A7-faz-aras%C4%B1ndaki-fark-nedir
• https://devreyakan.com/tek-fazli-duzeltme/
• 
  

CAN Bus Temelleri ve Bir Mesajının Yapısı

CAN (Controller Area Network) Bus Robert Bosch GmbH tarafından oluşturulmuştur. 1986'da RB GmbH tarafından SAE'de yayınlanmıştır. Takip eden yıllarda CAN Bus'ın farklı versiyonları yayınlanmıştır ve ISO tarafından standardize edilmiştir. CAN Bus günümüzde içten yanmalı ve elektrikli bir çok araç tipinde aktif olarak kullanılan ve temel kontrol yetenekleri dolayısı ile sıklıkla tercih edilen bir haberleşme protokolüdür.

CAN Bus, mesaj tabanlı bir haberleşme protokolüdür. Hat üzerinde bulunan bütün noktalar hatta veri basabilir ve veriyi okuyabilir. Fiziksel olarak CANH, CANL şeklinde isimlendirilen iki fiziksel hat üzerinden iletilir. Fiziksel hat üzerinde bulunan voltaj farkı üzerinden çalışır.

CAN Bus ile haberleşen bir ağın fiziksel bağlantısı aşağıdaki gibidir. Bir hat boyunca bir çok sistem bağlanabilir. Her bir sistem ağa mesaj gönderebilir ve okuyabilir.

CAN Bus'a bağlantı için transreceiver yapılarına ihtiyaç duyulur. Mikrodenetleyiciler ile CANH, CANL hatları arasında aşağıdaki gibi transreceiver yapıları kullanılır. Mikrodenetleyiciler tarafında Rx, Tx hatları ile iletişim kurulur.

Aşağıda verilen görselde CANH, CANL hatlarındaki değişim ve bu değişimin CAN Rx ucundaki karşılığını gözlemleyebilirsiniz. CANH, CANL aynı seviyede iken CAN Rx 1'dir. Aksi durumda CAN Rx 0 olur. 0 değeri CAN Bus için baskın bit olarak ifade edilir.

Bir önceki görsel üzerinden CAN Bus mesajını inceleyecek olursak;

• Start of frame: Bir CAN Bus mesajı 0 biti ile başlar.
• ID-Arbitration: Takip eden bitler mesaj ID sini ifade eder. Mesaj ID'si aynı zamanda paketin önceliğini de ifade eder. Örneğin aynı anda iki sistem hatta veri basmak isterse CAN Bus'ın önceliklendirme yapısına göre değerlendirilir. Çok basitçe ifade etmek gerekirse Veri gönderimi başladığı anda bir mesajın ID'si ne kadar 0 ile başlarsa o kadar baskındır. Görseldeki sıraya göre "00001xx" ve "00100xx" başlayan iki mesaj paketi gelirken birinci paket önceliklendirilir ve ikinci paketi gönderen sistem gönderimi durdurur.
• RTR: Remote transmission request olarak geçer. Bir mesaj paketini başka bir sistemden talep etmek için kullanılır.
• Control: Bu kısımda mesaj ile ilgili ek bilgiler yer alır.
• IDE: ID Extend olarak geçer. 1 olması durumunda 18 bitlik daha ID kısmı aktif olur. Mesaj paketi toplamda 29 bitle ifade edilir.
• DLC: Data length code olarak geçer. Mesaj paketinin kaç byte olduğunu ifade eder.
• Data: Veri aktarma kısmıdır. Kullanıcının iletmek istediği veri tam olarak buradadır.
• CRC: Veri paketinin doğruluğunu teyit etmek için kullanılır.
• ACK: Gönderilen paketin en azından bir sistem tarafından alındığını ifade eder. Bu kısım Herhangi bir alıcı sistem üzerinden sürülür. Eğer CAN Bus üzerinde başka bir sistem yoksa bu bit 0 olmaz ve gönderici mesajın iletilemediğini anlar.
• End of frame: Mesaj paketi sonunda 7 bit 1 gönderilir.

Otomotivde Pasif ve Aktif Emniyet Kavramları (Active Safety/Passive Safety)

Otomotiv sektörü, araçların güvenliği ve emniyeti için sürekli olarak çalışmaktadır. Bu çalışmalar sonucunda otomotiv sektöründe Pasif ve Aktif Emniyet kavramları ortaya çıkmıştır.

Pasif Emniyet, araç kazası durumunda oluşabilecek zararları en aza indirmeyi amaçlayan bir sistemdir. Aktif Emniyet ise, araç kazasını önlemeyi amaçlayan bir sistemdir.

Pasif Emniyet Sistemleri, araç kazası durumunda yolcuların zarar görme riskini en aza indirmek için tasarlanmıştır. Bu sistemler, araç içi ve dışı güvenlik sistemlerini içerir. Örneğin, araç içi emniyet sistemleri arasında; kemerler, hava yastıkları, koltuk başlıkları, koltuk kemeri hatırlatıcıları, çocuk koltukları ve emniyet kafesleri gibi sistemler bulunur. Araç dışı emniyet sistemleri arasında ise; çarpışma anında aracın enerjisini emen ve yavaşlatan kasa yapısı, kaporta ve önemli parçaların çarpışma sonrası deformasyonu sonucunda yolcuların zarar görmesini önleyen sistemler yer alır.

Aktif Emniyet Sistemleri, araç sürüşü esnasında kazaları önlemek için tasarlanmıştır. Bu sistemler arasında, ABS (Anti-Blokaj Fren Sistemi), ESP (Elektronik Stabilite Programı), akıllı hız kontrolü, şerit takip sistemi, park asistanı ve uzaktan kumandalı acil durum freni gibi sistemler bulunur.

Günümüzde, otomotiv sektörü sürekli olarak Pasif ve Aktif Emniyet sistemlerini geliştirmektedir. Bu sistemler, araçların güvenliği ve emniyeti için çok önemlidir.

Birim Adım Cevabına Göre İkinci Dereceden Sistemlerin Sınıflandırılması

Tabii, şimdi birim adım cevabına göre ikinci dereceden sistemlerin sınıflandırılmasını açıklayan bir blog yazısı yazacağım.

İkinci dereceden sistemler, bir giriş sinyaline karşılık olarak bir çıkış sinyali üreten sistemlerdir. Bu sistemlerin matematiksel modelleri ikinci dereceden diferansiyel denklemlerle ifade edilir. Bu denklemlerin genel formu şöyledir:

adt2d2y​+bdtdy​+cy=f(t)

Burada, $y$ çıkış sinyalini, $f(t)$ giriş sinyalini, $a$, $b$ ve $c$ ise sistem parametrelerini temsil eder.

İkinci dereceden sistemler, genellikle aşağıdaki şekilde sınıflandırılır:

• Aşırı sönümlü sistemler (Overdamped Systems):

Bu sistemlerin karakteristik denklemi, gerçel, farklı ve negatif köklere sahiptir. Bu durumda, sistem çıkışı, giriş sinyalinin istenen değerine kararlı bir şekilde yaklaşırken, aşırı sönümlü sistemlerin çıkış sinyali, birkaç kez aşım yapabilir ve daha sonra giriş sinyalinin istenen değerine kararlı bir şekilde yaklaşabilir. Bu sistemler, aşırı sönümlü sistemler olarak adlandırılır.

• Kritik sönümlü sistemler (Critically Damped Systems):

Bu sistemlerin karakteristik denklemi, çift köklüdür ve bu köklerin değeri eşittir. Bu durumda, sistem çıkışı, giriş sinyalinin istenen değerine kararlı bir şekilde yaklaşırken, kritik sönümlü sistemlerin çıkış sinyali, aşırı sönümlü sistemlerin çıkış sinyalinden daha hızlı bir şekilde istenen değere yaklaşır.

• Aşırı sönümsüz sistemler (Underdamped Systems):

Bu sistemlerin karakteristik denklemi, karmaşık köklere sahiptir. Bu durumda, sistem çıkışı, giriş sinyalinin istenen değerine kararlı bir şekilde yaklaşırken, aşırı sönümsüz sistemlerin çıkış sinyali, aşırı sönümlü sistemlerin çıkış sinyalinden daha hızlı bir şekilde istenen değere yaklaşırken, sürekli olarak salınır. Bu sistemler, aşırı sönümsüz sistemler olarak adlandırılır.

Bu sınıflandırmalar, sistem davranışının analizi için kullanışlı bir araçtır ve birim adım cevabına göre ikinci dereceden sistemlerin davranışını anlamak için kullanılabilir.

Referans ve Kaynaklar

1. https://www.quora.com/What-are-over-damped-critically-and-under-damped-systems

Unit Step Response (Birim Adım Cevabı)

Birim adım cevabı (step response), kontrol sistemlerinin dinamik performansını analiz etmek için önemli bir araçtır. Bu cevap, bir kontrol sistemi için birim adım girdisi (step input) uygulandığında, çıkışın nasıl davrandığını tanımlar. Birim adım girdisi, zamanda sıfır olan bir girdi sinyalidir ve zaman sıfırından sonra aniden bir değer alır. Bu nedenle, birim adım cevabı, kontrol sistemi çıkışının zamana bağlı olarak nasıl değiştiğini gösterir.

Birim adım cevabı, bir kontrol sistemi tasarlarken veya bir kontrol sistemi için performans değerlendirmesi yaparken çok önemlidir. Birim adım cevabı, kontrol sistemi çıkışının kararlılık, hız ve doğruluk gibi özelliklerini analiz etmek için kullanılır.

Birim adım cevabının analizi, bir dizi anahtar kelimeyi içerir. Bunlar arasında, kararlılık (stability), hız (speed), doğruluk (accuracy), yükselme zamanı (rise time), kararlı durum hatası (steady-state error), durulma süresi (settling time), aşım (overshoot) ve zirve zamanı (peak time) yer alır.

Kararlılık, bir kontrol sisteminin istikrarlı olup olmadığını ifade eder. Birim adım cevabı, bir kontrol sisteminin kararlılık özelliğini analiz etmek için kullanılır. Eğer birim adım cevabı kararlı bir çıkış sağlıyorsa, kontrol sistemi kararlıdır.

Hız, bir kontrol sisteminin ne kadar hızlı cevap verdiğini ifade eder. Birim adım cevabı, bir kontrol sisteminin hız özelliğini analiz etmek için kullanılır. Yükselme zamanı, bir kontrol sisteminin belirli bir yüzde değerindeki çıkışa ne kadar sürede ulaştığını ifade eder. Birim adım cevabı, yükselme zamanını belirlemek için kullanılır.

Doğruluk, bir kontrol sisteminin ne kadar doğru çalıştığını ifade eder. Birim adım cevabı, bir kontrol sisteminin doğruluk özelliğini analiz etmek için kullanılır. Kararlı durum hatası, bir kontrol sisteminin belirli bir yüzde değerindeki istenen çıkışa ulaşamama derecesini ifade eder. Birim adım cevabı, kararlı durum hatasını belirlemek için kullanılır.

Durulma süresi, bir kontrol sisteminin belirli bir yüzde değerindeki çıkışın istenen değere ulaşması için ne kadar süre gerektiğini ifade eder. Birim adım cevabı, durulma süresini belirlemek için kullanılır.

Aşım, bir kontrol sisteminin istenendeğerden fazla çıkmasıdır. Aşım, birim adım cevabı grafiği üzerinde zirve zamanı ve zirve değeri ile belirtilir.

Zirve zamanı, bir kontrol sistemi çıkışının en yüksek değere ne kadar sürede ulaştığını ifade eder. Birim adım cevabı grafiği üzerinde, zirve zamanı aşımın gerçekleştiği zamana denk gelir.

Birim adım cevabı, bir kontrol sistemi tasarlarken veya performansını değerlendirirken kullanılan bir araçtır. Birim adım girdisi uygulandığında, çıkışın nasıl değiştiğini gösterir ve kararlılık, hız ve doğruluk gibi özellikleri analiz etmek için kullanılır.

Kontrol sistemleri tasarımında ve performans analizinde kullanılan diğer anahtar kelimeler arasında frekans cevabı (frequency response), kök-ünite çevrimi (root locus), kutup-günüm gösterimi (pole-zero plot) ve Bode diyagramı yer alır.

Frekans cevabı, bir kontrol sistemi için girdiye verilen belirli bir frekansta çıkışın nasıl tepki verdiğini ifade eder. Frekans cevabı analizi, bir kontrol sisteminin frekans aralığında nasıl davrandığını analiz etmek için kullanılır.

Kök-ünite çevrimi, bir kontrol sisteminin kararlılık özelliğini analiz etmek için kullanılan bir yöntemdir. Kök-ünite çevrimi, köklerin (poles) ve kutupların (zeros) birim çember üzerinde nasıl yerleştiğini analiz eder.

Kutup-günüm gösterimi, bir kontrol sisteminin transfer fonksiyonunu kutuplar ve sıfırların yerlerini kullanarak gösteren bir yöntemdir. Kutup-günüm gösterimi, bir kontrol sisteminin kararlılık ve performans özelliklerini analiz etmek için kullanılır.

Bode diyagramı, bir kontrol sistemi için frekans cevabının bir grafiksel gösterimidir. Bode diyagramı, bir kontrol sisteminin frekans tepkisini analiz etmek için kullanılır.

Sonuç olarak, birim adım cevabı, kontrol sistemleri tasarımı ve performans analizinde önemli bir araçtır. Kararlılık, hız ve doğruluk gibi kontrol sistemleri özelliklerinin analizi için kullanılan bir dizi anahtar kelimeyi içerir. Frekans cevabı, kök-ünite çevrimi, kutup-günüm gösterimi ve Bode diyagramı gibi diğer yöntemler de kontrol sistemleri analizinde kullanılan önemli araçlardır.

İkinci dereceden bir sistemin birim adım cevabı aşağıdaki grafiğe benzer şekilde davranır. Bu grafik bir underdamped sisteme aittir. İkinci dereceden olan sistemler undamped, underdamped, critically dapmed ve overdamped şeklinde dört ayrı sınıfa ayrılabilir.

Bu grafikte işaretlenen ifadeler;

• Max. Overshoot: Sistem çıkışının çıktığı maximum değer.
• Rise Time: Sisteme step input uygulandıktan sonra, sistem çıkışının %10 dan %90 a kadar ulaşması için geçen süre. Burada ifade edilen yüzde değeri set pointi %100 kabul ederek hesaplanır.
• Peak Time: Sisteme step input uygulandıktan sonra, sistemin max. overshoot noktasına ulaşma süresi.
• Settling Time: Sisteme step input uygulandıktan sonra, sistemin set pointe +-%2 hata ile ulaşma süresi. %2 değeri genel kabuldur. Farklı bir değer de kabul edilebilir.
• Steady State Error: Sistemin osilasyona girdiği, set pointe yakınsadığı alanda % kaç hata ile salındığını ifade eder. Örnek olarak sıcaklık 50 dereceye ayarlanmış olsun ve sistem çıkışı 45-55 derece arasında salınırsa steady state error +-%10 olarak ifade edilir.

Referanslar

• https://lpsa.swarthmore.edu/Transient/TransInputs/TransStep.html
• https://www.researchgate.net/figure/Unit-step-response-of-the-2nd-order-system_fig2_221347190

Otomotivde ECU Nedir?

Electronic Control Unit/Elektronik Kontrol Ünitesi (ECU) araçlar üzerindeki çeşitli görevleri/fonksiyonları gerçekleştirmek üzere geliştirilmiş sistemlerdir. ECU genel bir isimlendirmedir. VCU, BMS, BCM gibi ünitelerin elektronik kontrol birimleri de ECU olarak anılır.

Araç üzerindeki ECU'lar görevlerine göre farklı tip, özellik ve boyutlarda olabilir. Örneğin bir VCU genel olarak yatay ve ince bir metal yuvaya sığarken, EDS/MCU/Inverter gibi güç süren sistemler daha hacimli ve geniş soğutucu bloklu yuvalara ihtiyaç duyar.

Örnek Bir VCU Görseli

Örnek Bir EDS/MCU/Inverter Görseli

Günümüzde araçlar 100 civarında farklı ECU içerebilir. Örneğin 4 kapı camı elektrikli bir araçta sadece bu camların aç/kapa fonksiyonundan sorumlu 4 farklı motor ve bu motorları süren ECU'lar vardır. Bu ECU'lar tek bir ana fonksiyonu (cam aç/kapat) gerçekleştirse bile araç networkü ile haberleşen akıllı sistemlerdir. Araç networkü üzerinde bir fonksiyon bir veya birden fazla elemanın entegrasyonu ile gerçekleşebilir. İlgili sistemler her zaman birbiri ile konuşarak senkron bir şekilde çalışacak topolojide tasarlanır.

Her ECU genel olarak kendisinden sorumlu bir işlemci barındırır. Bu işlemciler çoğunlukla otomotiv sektörü için özelleşmiş, kendi üzerinde 12 V regülatörü, haberleşme alıcı/vericileri gibi önemli yapıları entegre edilmiş bir şekilde barındırırlar. Böylece birim maliyet, yer kaplama, hata yapma gibi konularda avantaj sağlanır.

Referanslar:

1.  https://www.aptiv.com/en/insights/article/what-is-an-electronic-control-unit
2. https://www.bosch-mobility-solutions.com/en/solutions/vehicle-computer/vehicle-control-unit/
3. https://automotivepowertraintechnologyinternational.com/news/electric-powertrain-technologies/mclaren-applied-targets-automotive-with-800v-sic-inverter.html