Bir hava aracının gerçekleştirebileceği görevin niteliği ve etkinliği o aracın
manevra kabiliyeti ile doğrudan ilgilidir. İstenen düzeyde manevra kabiliyeti ise ancak
başarılı bir uçuş kontrol sistemi ile elde edilir. Uçuş faaliyeti, kendi doğası gereği
hesaplanamayan parametreler ve doğrusal olmayan dinamiklere sahiptir. Diğer yandan
kullanılan platformun yapısal tipine göre problemin zorluğu önemli ölçüde
değişmektedir. Kanatlı uçaklarda belli hız ve irtifada herhangi bir itki kuvveti
olmaksızın kararlı uçuş mümkün iken, helikopter gibi dikine iniş kalkış yapabilen hava
araşlarında, hareket değişkenleri önemli ölçüde birbirine bağlı olmakta ve en basit
manevra gibi gözüken sabit irtifada asılı kalma esnasında bile karmaşık hesaplamalar
yapılması gerekmektedir.
Dikine iniş-kalkış yapan hava araçları çok alçak irtifalarda ve ulaşılması zor
bölgelerde görev yapabilme özellikleri ile diğer hava araçlarına üstünlük
sağlamaktadırlar. Deprem, sel ve yangın gibi doğal afetlerden sonra hasar tespiti için
görüntü çekme, iletişim sağlama, trafik kontrolü, sınır emniyeti için gözetleme, orman
yangınları, zirai mücadele gibi sivil ve askeri pek çok uygulama sahası mevcut ve
potansiyel kullanım alanlarına örnek olarak verilmektedir.
Bu tez çalışmasında, dikine iniş-kalkış yapabilen dört rotorlu hava aracının
dinamik modelinin oluşturulması, gerçek zamanlı oryantasyon kontrol amaçlı donanımlı
benzetim tekniğini esas alan deney düzeneğinin tasarlanarak imal edilmesi ve
doğrusal/doğrusal olmayan kontrol yöntemlerinin deney düzeneği üzerinde
gerçeklenerek farklı kontrolör yapılarının performans analizinin yapılması ana hedefler
olarak belirlenmiştir. Ana hedefler doğrultusunda deney düzeneğinin yapısal
parametrelerinin belirlenmesi, ataletsel algılayıcı tasarımı ve imalatı ile itki ve denge
deney düzenekleri kurulması gibi yan çalışmalar da icra edilmiştir. Diğer yandan deney
düzeneği lisans ve lisansüstü kontrol mühendisliği eğitiminde kullanılmış, buna ilişkin
öğrenme hedefleri konu bazında belirlenmiş ve öğrenme çıktılarının değerlendirilmesine yönelik kıstaslar ortaya konmuştur.
Tez çalışmasının geniş kapsamlı uygulama içermesi nedeni ile ilk bölümde
literatür araştırmasına ek olarak ticari ve akademik amaçla üretilmiş benzer
platformların incelenmesine de yer verilmiştir. İkinci bölüm quadrotor oryantasyon
kontrolüne yönelik dinamik modelin oluşturulmasına ve kullanılacak hareket
denklemlerinin belirlenmesine ayrılmıştır. Üçüncü bölümde; deney düzeneğinin
tasarımı ve imalatı detaylı olarak anlatılmış, kazanılan tecrübelere yer verilmiştir.
Dördüncü bölümde; PD (Proportional Derivative), bulanık mantık ve kayma kipli
kontrol yöntemleri kullanılarak kontrolör türetilmiş, uygulamaya yönelik detaylar
aktarılmıştır. Beşinci bölümde; bir önceki bölümde anlatılan kontrol yöntemlerine ait
deneysel sonuçlar karşılaştırmalı olarak verilmiş, performans analizleri yapılmıştır.
Altıncı bölümde quadrotor deney düzeneğinin lisans ve lisansüstü eğitimde
kullanılmasına yönelik öğrenme hedef ve çıktıları listelenmiş, uygulama neticesinde
yapılan öğrenci anketleri değerlendirilmiştir. Son bölümde; elde edilen sonuçların
irdelenmesi ve gelecek çalışmaların değerlendirmesi yapılmıştır.
Mission effectiveness and quality of an aerial vehicle is strictly dependent on its
maneuver capability. Such desired maneuvers are achieved with robust flight
controllers. Due to its nature, flight activity incorporates nonlinear and unpredictable
dynamics. Additionally, the difficulty of the flight problem varies greatly with the type
of aerial platform used. While a fixed wing aircraft stabilizes easily at a constant
airspeed and altitude even without a thrust, the vertical take-off and land (VTOL) aerial
vehicles can perform the simplest maneuver, hanging in the air, only with the aid of
complex calculations.
The VTOL aerial vehicles are superior to other types of platforms in such
missions involving low altitude terrain, dangerous and inaccessible environments.
Border security and surveillance, traffic control, forest fires, agricultural pesticide,
search and rescue operations after natural disasters like flood and earthquake are
examples of such missions.
The main achievements of the thesis include dynamic modeling of a four rotor
VTOL aerial vehicle (quadrotor), the design and build of a real time quadrotor
experimental setup and experimental results of linear and nonlinear control methods on
the setup. Additionally, system identification and determination of mass parameters of
the setup, design and build of a 6 DOF inertial sensor, a thrust control setup and a 1
DOF rotor stabilized lever experimentation platform are side achievements of the thesis.
All platforms are used in undergraduate and graduate level control education. The
learning objectives and desired outcomes are listed according to course topics.
Thesis includes a considerable amount of practical study, hence in addition to
the literature research, a review of commercial quadrotor platforms is added to the first
section. In the second section a short derivation of the dynamic model and the equations
of motion are given. The design and build of the quadrotor experimentation platform is given in the next section together with the gained experiences and materials used. The
details of the control methods (PD, fuzzy, sliding mode) are included in the fourth
section and their experimental results with comparisons are given in the fifth section.
The sixth section is reserved for the educational aspect of the quadrotor experimentation
platform. The learning objects/outcomes and an analysis of survey results based on
student feedback are given. The final section includes a discussion of the results and
future prospects.
