İki eksenli bir helikopterin kontrolü

Abstract

Helikopterler kısıtlı alanlarda zemin tipi ayırmaksızın hızla dikey kalkış ve iniş yapabilmeleri dolayısıyla taşımacılık ve acil müdahale durumlarında sıkça kullanılan hava taşıtlarıdır. Helikopter kontrolünde başarım, rota açısının ve yunuslama açısının denetimi ile doğrudan ilişkilidir. Yunuslama açısındaki bir değişiklik, helikopterin rota açısında istenmeyen bir sapmaya neden olmakta, yine aynı şekilde rota açısında yapılan bir değişiklik helikopterin yunuslama açısını etkilemektedir. İki eksenli (2E) helikopterler sahip oldukları helikopter benzeri yüksek doğrusalsızlıklar ve eksenler arası bağlaşım sebebiyle kontrol laboratuarlarında sıkça kullanılan test platformlarıdır. Bilgisayar destekli yapıları, tasarlanan kontrol yaklaşımlarının hızla test edilmesine olanak veren bir uygulama ortamı sunar. Bu sayede helikopter kontrolünde karşımıza çıkan zorlayıcı dinamikler daha sadeleştirilmiş bir sistem üzerinde güven altında irdelenip, bu dinamiklerin üstesinden gelebilecek uygun kontrol sistemleri tasarlanabilir. 2E helikopterlerin kontrolü, sahip oldukları iki adet elektrik motorunun hız ayarı ile mümkündür. Bu tezde, kullanılan 2E helikopterin bir tanıtımı Lagrange modellemesiyle birlikte sunulmakta ve ardından birkaç kontrol tekniğinin deneysel uygulamaları, detaylı tasarım adımlarını da içerecek şekilde bu test düzeneği kullanılarak takdim edilmiştir. Sisteme uygulanan kontrol yaklaşımlarından ilki dilsel yapısıyla bilinen bulanık kontroldür. İkici kontrol yaklaşımı ise Lyapunov kararlılık kıstasının iyi bir uygulayıcısı; geriadımlama tekniğidir. İncelenen üçüncü yaklaşım gürbüzlüğü ile bilinen kayan kipli kontroldür. Dördüncü yöntem, sistemin pasiflik özelliğini temel alan bir kontrol tekniğidir. İçerikte yer verilen son kontrol tekniği kayan kipli kontrol kuralının sistemin pasifliğinin sağlanması şartı altında tanımlandığı, pasiflik tabanlı kayan kipli kontrol olarak adlandırılan kontrol tekniğidir.

Helicopters are widely used air vehicles in emergency cases and in transportation sector owing to their capability of rapid landing on and taking off from limited and different types of terrains. The performance of helicopter control is directly related to the control of pitch and yaw angles. Any motion of the helicopter in pitch angle causes an undesired deviation in yaw angle, and in the same way the changes of yaw angle affects the pitch angle. Two-degrees-of-freedom (2-dof) helicopters are widely used test platforms in control labs due to their helicopter-like high nonlinearity and the coupling between its axial motions. Their computer assisted structure provides a rapid prototyping environment for testing the designed control approaches. Thus, the challenging dynamics, encountered in helicopter controlling, can be safely investigated via a more simplified system, and the controller systems which can handle these dynamics can be designed. The control of 2-dof helicopters is doable through the adjustment of rotation speed of the two electrical motors. This thesis presents an introduction to the used 2-dof helicopter including its Lagrangian modeling and then the experimental applications of several control techniques are demonstrated by utilizing this test setup with detailed design procedures. The first of applied control approaches is fuzzy control which has a linguistic structure. Second control scheme is backstepping technique which is a good implementation of Lyapunov stability criterion. Third control approach investigated is sliding mode control known with its robustness against disturbances and parameter uncertainties. Fourth method is a technique that is based on the passivity of the system. The last control technique placed in content is called passivity based sliding mode control obtained by defining the sliding mode control law under the circumstance that the passivity of the system is ensured.