Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özetlere göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Anabilim Dalı / Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı

2015

Adaptive control of a novel tilt-roll rotor quadrotor UAV

Adaptif dört rotorlu bir insansız hava aracının modellenmesi ve kontrolü

Bu tez, YÖK tez merkezinde bulunmaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi'ndeki tarama bölümünde tez numarasını arayabilirsiniz. Tez numarası: 381827

Tezi Bul
Özet:

İnsansız hava araçlarının (İHA) askeri, bilimsel ve sivil alanda kullanımı özellikle son yıllarda oldukça artmıştır. Günümüzde birçok ticari, askeri ve deneysel İHA'lar mevcuttur. Bunlar çok farklı tipte ve boyutlarda olabilmektedir. Üniversiteler, araştırma merkezleri ve hobi olarak kumandalı sistemlerle ilgilenenler tarafında halen geliştirme aşamasında olan birçok İHA tipleri ve modelleri mevcuttur. İHA'lar alternatifleri olan büyük boyuttaki klasik uçaklara oranla, yüksek manevra kabiliyetleri, düşük fiyatları, düşük radar görüntüleri, dayanıklılıkları, insan hayatının riske atılmaması gibi nedenlerle büyük fayda sağlamaktadırlar. Bu faydalar neticesinde günümüzde birçok alanda kullanımlarına rastlamaktayız. Çok rotorlu insansız hava araçları havada asılı kalabilme ve manevra yetenekleri ile dikkat çekmektedirler. Çok rotorlu hava araçlarından, dört rotorlu Quadrotor hava aracı kontrolü ve tasarımı üzerine birçok çalışma bulunmaktadır. Bu hava aracı üzerine son yıllarda dikkat çekici çalışmalar olmuştur. Günümüzde quadrotor (quadcopter) hava platformu, birçok uygulama ve araştırma projesinde kullanılmaktadır. Bu hava platformunun uygulamaya daha fazla geçirilememesinde aracın hareket etme yöntemi etkin olmaktadır. Bu hava aracı, hareket etmesi istenen yöne doğru eğilerek hareket etmektedir. Gerçekleştirilen eğilme hareketi ile aracın gidilmek istenen yönde ivmelenmesi mümkün olabilmektedir. Öte yandan, bu eğilme hareketi araç üstünde genellikle bulunması beklenen kamera sistemlerinin görüntü alma kabiliyetini olumsuz etkileyebilmekte ve kameraların doğrultu açısının değişmesine sebep olmaktadır. Bu durum, özellikle gerçek zamanda görüntü tabanlı kontrol yapmakta olan hava araçlarının istenen şekilde çalışmasına olumsuz yönde etki edebilen bir problemdir. Bunun yanı sıra söz konusu durum yüksekten gözlem ve takip uygulamalarında büyük sıkıntı yaratmaktadır. Güncel sistemlerde kamera sistemini araçtan ayrı bir hareketli platforma koyarak, hava aracının hareketlerinden soyutlamak yoluna gidilmeye çalışılsa da, önerilen proje bu probleme daha faydalı bir çözüm getirmektedir. Literatürde eğilebilen özellikte bazı döner-kanatlı hava araçları mevcut olmasına rağmen hiçbiri bu projede önerilen yapıda değildir. Standart quadrotor aracına alternatifi olarak geliştirilen eğilebilen özellikte döner kanatlı araçlar da mevcuttur. Bu yaklaşım ayrıca artan kaldırma kapasitesi de getirir. Bu tür hava araçlarının gerçek boyutta, insanlı versiyonları olan deneysel araçlar bile üretilmiştir. Literatürde eğilebilen özellikte quadrotor hava araçları hakkında birkaç çalışma vardır. Söz konusu sistem dikine havalanabilen quadrotor ile uçak modları arasında değişebilen özellikte bir hava aracıdır. Bunu tüm rotorlarını aynı oranda ve tek bir eksen etrafında eğerek yapmaktadır. xxii Bugünkü çoklu-rotorlu hava araçlarının bazı limitleyici özellikleri bulunmaktadır. Sistemin istenilen koordinat düzlemine hareket edebilmesi için kendi ataletini kullanarak bir yöne belli bir açı değeri alarak ilerlemesi şarttır. Bunun başlıca sebebi toplamda 6 serbestlik dereceli hareketi toplamda 4 adet yerleşimsel olarak statik eksenli motorun oluşturduğu itki kuvvetiyle sağlamasıdır. Bu durum bazı uygulamaların kapasitesini olumsuz olarak etkileyebilmektedir. Bunlara örnek olarak görsel çekimler için kullanılan kameraların uçuş süresince istenilen yöne bakabilmesi için ekstra sistemleri şart koşmaktadır. Bu sistemler gimbal olarak da adlandırılan kamera yatağı düzenekleri ile de desteklenmektedir. Normal koşullarda yalnızca üst kalite çekim sistemlerinde böyle bir destek ürüne gerek duyulmasına rağmen, kamera yatağı kullanımı daha amatör düzeydeki sistemler için de uygulanması gereken bir hale gelmiştir. Ekstra masraf da bu sistemlerle beraber gelen bir yüktür. Önceki çalışmaların aksine, yapmış olduğum yeni tasarım sayesinde motorlar kendi yunuslama ve yuvarlanma açıları yönünde eğilebilmektedir. Bu sayede kullanıcının yönlendirmesine göre quadrotor hava aracı istenen açıda havada sabit olarak konumlanabilmektedir. Bu gelişme yine aynı çalışma prensibi doğrultusunda quadrotor'un bir noktadan başka bir koordinat düzlemine yaptığı hareketi gövde açısını değiştirmeden, yalnızca motorlarının açılarını değiştirerek yapmasını sağlar. Bu seyahat boyunca önceki orijinal dizayna göre daha hızlı bir şekilde istenilen koordinat düzlemine aracın oturduğu ise Matlab üzerinde yapılan simülasyon ile gösterilmiştir. Bunun yanında geliştirme sürecinde de simulink ve Matlab programları da kullanılarak yeni algoritmalar ve kontrolcüler denenmiştir. Bu tez çalışmasında özel bir tip quadrotor hava aracının tasarımı ve kontrolünün yapılmıştır. Literatürde görülen çalışmalarda quadrotor hava aracının çoğunlukla gövdeye sabit olarak monte edildiği, birkaç örnekte tüm rotorların hepsinin aynı oranda (tek eksen etrafında) yatabilen tipte olduğu görülebilir. Bu çalışmadaki amaç, sabit ve tek bir eksen etrafında yatabilen quadrotor hava aracının mevcut sıkıntılarının üstesinde gelinmesini sağlayacak, birçok farklı görevde kullanılabilir yeni bir hava aracı tasarımının yapılması, üretiminin gerçekleştirilmesidir. Önceki çalışmalardan farklı olarak bu hava aracındaki rotorların eğilebilmesi sağlanmaktadır. Bu tasarım hava aracının kendi gövdesini eğmesine ve kamera sisteminin görüş açısının engellenmesine gerek kalmadan aracın hareket edebilmesine imkân sağlamaktadır. Bu aracın her iki eksen etrafında yatabilen rotorları, kuvvetin istenen doğrultuda aktarılabilmesine olanak tanımıştır. Böyle bir yenilik hava aracına daha yüksek hareket kabiliyeti sağlamaktadır. Rotorların eğilebilme imkânı her ne kadar kontrolü zorlaştırsa da, standart quadrotor hava aracının yapamayacağı bazı manevraların gerçekleştirilmesine, daha başarılı yönlendirme sağlanabilmesine imkân tanımaktadır. Bu yaklaşım standart quadrotor tasarımlarına göre büyük performans artırımı getirmiştir. Literatürde görülen çalışmalarda quadrotor hava aracının çoğunlukla gövdeye sabit olarak monte edildiği, birkaç örnekte ise tüm rotorların hepsinin aynı oranda (tek eksen etrafında) yatabilen tipte olduğu görülebilir. Bu çalışmadaki amaç, sabit ve tek bir eksen etrafında yatabilen quadrotor hava aracının mevcut sıkıntılarının üstesinde gelinmesini sağlayacak, birçok farklı görevde kullanılabilir yeni bir hava aracı tasarımının yapılması, üretiminin gerçekleştirilmesidir. Bu aracın her iki eksen etrafında yatabilen rotorları, kuvvetin istenen doğrultuda verilebilmesine olanak tanımaktadır. xxiii Önerilen bu hava aracının x ve y eksenleri etrafında bağımsız olarak dönebilen rotorları sayesinde (her rotor için 2 adet olmak üzere) toplam 8 ek kontrol sinyali gerekmektedir. Her ne kadar mekanik olarak bu sistem daha karmaşık gözükse de birçok avantaj getirmektedir. Bu tasarım ile hava aracının eğilmesine gerek kalmadan hareket edebilmesi, gerektiğinde istenen şekilde ve miktarda kendi gövde açısını değiştirebilmesi sağlanabilmektedir. Hava aracının olası motor sistemi arızalara ve oluşabilecek dış bozuntulara karşı daha dayanıklı olabileceği öngörülmektedir. Mevcut quadrotor hava araçlarına göre daha iyi bir başarı getirmesi amaçlanan bu hava aracının avantajlarının ortaya çıkarılması da projenin diğer bir hedefi olup, yapılan simulasyonlar ile de desteklenmiş – gösterilmiştir. Projenin ilk aşaması ön tasarım aşamasıdır. Gereklerin belirlenmesinin ve hava aracı parçalarının satın alınması bu aşamada yapılacaktır. Yapılan öntasarım çalışmaları sonunda, aracın özgün yazılmış algoritmalar ile simülasyon ortamında en az statik açılı motorları olan orijinal tasarım multikopterler kadar başarılı performansta uçması beklenmektedir. Projenin ikinci aşamasında, Quadrotor hava aracının alınan parçalarla kurulması, otonom uçuş için programlanması, oluşturularak, çalışıyor olduğunun teyidi yapılacaktır. Aracın dikey iniş kalkış ve seyir uçuşu esnasında kullanacağı itki sistemi dört alt bileşenden oluşmaktadır. İlk bileşen; göre dört adet, dişli kutusu olmayan pervaneyi 1:1 oranla çeviren; bu sayede aynı görevi yerine getiren muadillerine göre daha az gürültü çıkaran, daha verimli olan fırçasız motorlardır. Her biri azami olarak, kullanılacak pervane ile beraber maksimum devirde yaklaşık 1000-1200 gram itki sağlayabilecektir. Bu özelliği ile 4 motor gerektiği takdirde hava aracının ağırlığının 2 ila 2.5 katı arasında itki üretebilecekler; böylece aracın zor durumlardan kurtulma şansı veya bulunduğu ortamdan hızlıca yükselme olasılığı artacaktır. Bunun yanı sıra motorlar dikey eksene göre açı aldıklarında dahi aracı dengeli bir şekilde taşıyabileceklerdir. İkinci alt bileşen, dışarıdan hazır olarak alınacak olan pervanelerdir. Üçüncü alt sistem ise, fırçasız motorların sürülmesini ve kontrol edilmesini sağlayan elektronik hız kontrolcüleri olacaktır. Dördüncü ve son alt sistem ise motorları ile beraber bütün elektronik sistemi besleyen pillerdir. Günümüz pil teknolojisinin vardığı son nokta olan, yüksek akım çekilebilme kapasitesine sahip Lityum-Polimer (Li-Po) pil paketlerinin kullanılması tercih edilmiştir. Projenin bir sonraki aşamasında simülasyon çalışması vardır. Hava aracının kontrolcüsünün Simulink ve Matlab programlarında geliştirilmesi yapılıp, statik motorlu orijinal (eğilemeyen rotorlu) hava aracına göre performansı değerlendirilecektir. Simülasyonlarda uygun kontrolcülerin belirlenmesine müteakip, deneysel çalışmalara geçilecektir. Bu aşamada amaç, quadrotor aracının rotorlarının eğilebilir halde deneylerinin yapılması ve en dengeli kontrol yaklaşımını sağlayabilecek çeşitli kontrolcü ve sistemlerin geliştirilmesidir.

Summary:

In the last years there is a drastic increase of demand on the unmanned aerial vehicles (UAVs). The UAVs are commonly used in military, scientific and civilian sectors where they are giving better results in surveillance & rescue missions and missions that take place in danger zones such as nuclear plants and battle fields. UAVs are often preffered due to their higher maneuverability, decreased radar signature, lower cost in long run, durability, as well as decreased risk for human life. That's why vast researchers studying on UAVs are currently focusing to increase the abilities of these aircrafts. Among the UAV world, vertical take off and landing (VTOL) units are also in a favorable position as there is almost no need for an extra landing field and airfield for take off and landing. As being one of the versions of VTOL units, quadrotor is a UAV platform in which there exists four rotors and propellers to create the necessary thrust force in order to enable the vehicle's flight and determine the 3D position of its flight direction. However, as being an underactuated system, there is a limiting factor for the way quadrotor move. It is necessary to tilt the body frame along the desired direction of motion in order to change the 3D coordinates of the vehicle. Tilting the body frame can result with some undesired effects when the work area is limited and/or when there is a need to use of on-board cameras or sensors. There are already some studies on tiltable rotor design for planes which are able to tilt their rotors only in one direction, enhancing an extra one degree of freedom for the rotor in question. This kind of a design improves the maneuverability such that the aircraft can switch from plane mode to helicopter mode by the transition of the tilting rotors. Moreover, there are advantages on the increase of the distribution of required force vectors by transfering and delivering the thrust force along the desired axes. There are a few studies that have tiltable geometry for unmanned quadrotors and other VTOL units. However, their rotor tilting mechanisms are all limited along the one axis only. In these studies, rotors tilt either all at the same time at same direction with a pre-specified amount, or all tilt around one axis only. Unlike the regular design, this study proposes an alternative propulsion system for quadrotors. The rotors of the quadrotor both have tilting and rolling capabilities around their axes adding 8 additional control inputs. Hence, upgrading the system being underactuated to overactuated. In the first part of this study all the rotors are controlled such that they have the same tilt-roll angles depending on each other. After the tilt-roll capable system is designed and verified via Matlab simulations, further failure modes of the rotors, propellers xx and outside environmental effects are added as a random noise signal. Then the system is controlled and balanced by driving each of the rotors' tilt-roll angles independently from each other. It is introduced in adaptive control of tilt-roll rotor quadrotor sections of this thesis. The proposed design in this paper has more complex but more effective control system and algorithm with respect to the previous studies and regular quadrotors. What's more the possible failure modes of the system is analysed and some preventive-safe flight actions and further adaptive control systems in order to compensate for these failure modes are presented. This design eliminates the need of tilting the body frame, what's more it has relatively better performance in terms of lower reach, settling time and maximum overshoot values when travelling along 3D coordinates. The mathematical model of the tiltable-rotor type quadrotor and designed control algorithms are studied during the development stages of this work. The detailed explanation of the mathematical model, control system design and algorithm will be introduced in the following pages. In order to verify the results various simulations are developed on MATLAB and Simulink. Comparison of the proposed system performances are better than what a regular quadrotor suggests.