Dönerkanat Tipinde Bir İnsansız Hava Aracının Tasarımı, Modellenmesi ve Kontrolü

Abstract

This thesis considers design, modeling and control of quadrotor type unmanned aerial vehicle. The derivation of the dynamic model of the vehicle is performed by aid of Newton-Euler formulation and coefficients of the model are calculated based on the real time model. The dynamic behavior of the actuator propulsion under limited power conditions, which is a very important issue in unmanned aerial vehicles (UAVs), is particularly investigated. The aim of the propulsion modeling is to eliminate the modulation and decrease in battery voltage due to consumption of power by brushless direct current (BLDC) motor and incorporate the characteristics of propulsion into quadrotor dynamics. Transient and steady state behavior of the propulsion is represented by artificial neural network based approach whose parameters are adjusted by Levenberg-Marquardt optimization technique. The control applications on quadrotor are achieved by two different forms, which are simulation and real time studies. The accuracy of control approaches with derived quadrotor dynamic model and neural network based propulsion model are justified via simulation studies before real time applications. Proportional integral and derivative (PID) control scheme, sliding mode control (SMC), backstepping technique and feedback linearization control are discussed, respectively, A comparison of the approaches is presented in terms of the tracking precision, applicability of control signals and the qualities of the transient response. In the real time studies, PID control and SMC techniques discussed in simulations are chosen to drive the vehicle dynamics to desired trajectories while sustaining stability. The solutions to problems which are encountered in real time studies are also discussed.

Bu tez çalışması dönerkanat tipinde bir insansız hava aracının modellenmesini, tasarımını ve kontrolünü ele almaktadır. Dönerkanat dinamik modeli Newton-Euler yöntemi yardımıyla türetilmiş ve model katsayıları gerçek zamanlı sistem temel alınarak hesaplanmıştır. İnsansız hava aracı uygulamalarında önemli bir yere sahip olan eyleyici itki dinamikleri sınırlı güç koşulları altında ayrıntılı şekilde incelenmiştir. İtki modelleme işlemi fırçasız doğru akım motoru (FDAM) tarafından tüketilen güç nedeniyle meydana gelen batarya gerilim düşümünü ve modülasyonu bertaraf etmek, eyleyici ayırıcı özelliklerini dönerkanat dinamik sistemine yansıtmayı amaçlamaktadır. Geçici ve sürekli rejimde eyleyicilerin gösterdiği davranış, parametreleri Levenberg-Marquardt en iyileme yöntemi tarafından ayarlanan yapay sinir ağı (YSA) yardımıyla ifade edilmektedir. Dönerkanat üzerinde kontrol uygulamaları benzetim ve gerçek zamanlı olmak üzere iki farklı şekilde gerçekleştirilmektedir. Benzetim çalışmaları esnasında kontrol yöntemleriyle beraber türetilen dönerkanat dinamik modelinin ve YSA tabanlı eyleyici modelinin doğruluğu da gerçek zamanlı uygulamalar öncesi sınanmıştır. Sırasıyla oransal integral ve türevsel (PID) kontrol yöntemi, kayan kipli denetim (KKD) yöntemi, geriadımlamalı kontrol yöntemi ve geribesleme ile doğrusallaştırmayla kontrol yöntemleri irdelenmiş; gezinge takip performansı, kontrol sinyallerinin uygulanabilirliği ve geçici tepkilerinin uygunluğu açısından karşılaştırmalı değerlendirilmeleri yapılmıştır. Gerçek zamanlı uygulamalarda ise benzetim çalışmaları uygulanan PID ve KKD yöntemleri seçilmiş ve aracın kararlılığını koruyarak istenilen yörüngede kalması sağlanmaya çalışılmıştır. Gerçek zamanlı uygulamalarda ayrıca karşılaşılan donanımsal sorunların üstesinden nasıl gelindiği anlatılmıştır.