Dikine iniş kalkış yapabilen dört rotorlu hava aracının (quadrotor) uçuş kontrolü

Abstract

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.