Dört rotorlu bir insansız hava aracı için pıd ve kayan kipli kontrolcü tasarımı ve kıyaslanması

Abstract

İnsansız hava araçları üzerinde pilot bulundurmayan hava araçlarıdır. İnsan pilotların limitleriyle sınırlı olmadıklarından insan için tehlikeli olabilecek ortamlarda bulunabilirler. Ayrıca insansız hava araçları çok geniş bir kullanım alanının bulunması nedeniyle de son yıllarda popüler hale gelmiştir. Arama kurtarma, ulaşım, gazetecilik, bitki sulama, yangın söndürme, savunma, bilimsel araştırma ve keşif insansız hava araçlarının kullanıldığı alanlardan bazılarıdır. Son zamanlarda dört rotorlu hava araçları kontrolcü tasarımında önem teşkil etmektedir. Küçük boyutları ve esnek manevra kabiliyetleri sayeside dörtdönerler açık havada uçabildiği gibi kapalı alanlarda da kullanılabilmektedir. Dört rotorunun ayrı ayrı kontrol edilebilmesi rotasyonel ve translasyonel hareket edebilme kabiliyetini kazandırmıştır. Kontrol tasarımlarında sıklıkla gerçek sistem ile kontrolcü tasarlanan matematiksel model arasında farklılıklar ortaya çıkar. Bu farklılıklar ve modellerdeki bilinmezlikler gürbüz kontrol adı verilen kontrol yaklaşımlarının geliştirilmesini gerektirmiştir. Kayan kipli kontrol de gürbüz kontrol yaklaşımlarından birisidir. Kayan kipli kontrolde amaç sistemi kayma yüzeyi olarak tanımlanan yüzey etrafında tutarak sistemin kontrolünü sağlamaktır. Bir diğer kontrol metodu olan oransal integral ve türevsel kontrolcüde ise istenilen değer ile mevcut değer kıyaslanarak fark hata olarak hesaplanır. Hatadaki değişim göz önünde bulundurulduğunda zaman açısından oransal kontrolcü mevcut hataya bağlıdır, integral kontrolcü geçmiş hataların toplamı ve türevsel kontrolcü gelecekteki hataların bir tahminidir. Bu tez çalışması bir dört rotorlu insansız hava aracı için kayan kipli kontrolcü ve oransal integral türevsel kontrolcü tasarımları yapılarak bu iki kontrolcü yaklaşımları kıyaslanmasına odaklanmıştır. Kontrolcü tasarımları, dörtdönerde en yaygın kullanılan her iki konfigurasyon (artı konfigürasyonu ve çarpı konfigürasyonu) için de yapılmıştır. Temel olarak dört dönerin yükseklik kontrolü ve üç eksende yaptığı dönme hareketinin sonucunda oluşan açılar (yalpa, yunuslama ve sapma açıları) kontrol edilmiştir. Kontrolcü katsayıları iterasyon metodu ile ayarlanmıştır. Ayrıca kayan kipli kontrolcüde sistemdeki süreksizlikler ve hızlı dinamikler nedeniyle oluşan ve kontrolcüler tarafından ihmal edilmesi durumunda sistemde hızlı salınımlar olarak karşılaşılan çatırtı sorunu da çözülmüştür. x ve y eksenlerinde yapılan translasyonel hareket için ise oransal türevsel integralci kullanılmıştır. Sonuç olarak tasarlanan kontrolcülerin istenilen değerleri takip edebildiği görülmüştür. Kayan kipli kontrolcülerin istenilen değerleri daha kısa sürede ve daha az salınımla takip edebildiği söylenebilir.

Unmanned Aerial Vehicles are aircrafts without a pilot on board. Due to not being restricted with the limitations of human pilots, unmanned aerial vehicles can enter environments which are hazardous to human life. UAVs have also become increasingly popular because of their wide range of applications. Search and rescue, transportation, surveillance, aerial imagery, fire monitoring, law and enforcement, commercial and journalism, military and defense, surveying and crop spraying, reconnaissance, scientific research are some of the areas which UAVs can be used. Recently an aerial vehicle named quadcopter (or quadrotor) became popular in unmanned aerial vehicle design. Due to their small size and agile maneuverability, quadcopters can be flown indoors as well as outdoors. Their four rotors can be controlled separately giving them capability to move rotational and translational. In controller designs disturbances, dynamics, plant parameters causes discrepancies between the actual system and mathematical model. To solve this problem, robust control methods are developed. Sliding mode controller is the one of the robust control design approaches. The purpose of the sliding mode controller is keeping plant at desired predefined sliding surface. Another controller approach proportional integral derivative compares the desired value with the present value and calculates the difference as error. When the variation of error is considered; proportional control depends on present error, integral control depends on past errors and derivative controller predicts the future errors. This thesis focuses on developing sliding mode controller and proportional integral derivative controller and comparing these two controller approaches. Controller design is made for two common types of configuration (plus configuration and cross configuration). Fundamentally, altitude and the angles caused by quadcopters' rotational movement (roll, pitch and yaw angles) are controlled. Coefficients are adjusted by iteration method. Additionally chattering problem caused by the fast dynamics which are neglected by model causing fast switching of sliding mode controllers is solved. For translational movement on x and y axis proportional integral derivative controller is used. As a result, controllers are capable of tracking the desired values. It can be said that the sliding mode controllers can track the desired values with faster response and less oscillation than the proportional integral derivative controllers.