Askıda yük taşıyan dört rotorlu İHA için kontrolcü tasarımı

Abstract

İnsansız hava araçları (İHA) ile havadan yük taşıma uygulamaları, son zamanlarda büyük ilgi gören bir alan olarak dikkat çekmektedir. Özellikle dört rotorlu İHA (quadrotor)'lar, basit yapıları, dikey iniş-kalkış yapabilmeleri ve istenilen yükseklikte asılı kalabilmeleri gibi önemli avantajlarından dolayı coğrafi olarak ulaşılması zor yerlere veya tehlikeli bölgelere yük teslimatı yapmak için önemli rol oynayabilirler. Bu tez çalışmasında, yük taşıyan bir quadrotor için kontrolcü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Öncelikle quadrotorun lineer olmayan matematiksel modeli elde edilmiştir. Daha sonra taşınacak yük üç boyutlu noktasal bir sarkaç kütle olarak modellenmiş ve yük ile quadrotorun dinamikleri birleştirilerek sistemin lineer olmayan tam matematiksel modeli parametre belirsizlikleri de dikkate alınarak çıkarılmıştır. Sistem modellendikten sonra kontrolcü olarak kayan kipli kontrol tasarımı yapılmıştır. Kayan kipli kontrolcü, lineer olmayan sistemlerde etkin performans göstermesi, tasarımının basit olması ve belirsizliklere karşı gürbüz bir kontrol karakteristiği göstermesinden dolayı yaygın olarak kullanılan bir kontrolcü tipidir. Önerilen kontrolcünün tasarlanmasının ardından kararlılığı, Lyapunov kararlılık ölçütü uygulanarak teorik olarak gösterilmiştir. Son olarak da sistemin MATLAB ortamında benzetimi gerçekleştirilip sonuçlar değerlendirilmiştir. Geliştirilen kontrolcünün etkinliğini göstermek için sistem üzerinde, sadece quadrotor kontrolü için tasarlanmış bir kayan kipli kontrolör kullanılmış ve önerilen kontrolcü ile karşılaştırılması da yapılmıştır. Alınan sonuçların da açık bir şekilde gösterdiği gibi, önerilen kayan kipli kontrolcü, yük taşıyan quadrotorun kontrolünde, klasik kayan kipli kontrolcüye nazaran çok daha etkin bir performans göstermektedir.

Aerial load transportation applications with unmanned aerial vehicles (UAV), has recently attracted attention as an area of great interest. In particular, the quadrotor UAVs can play an important role in delivering loads to geographically difficult locations or hazardous areas due to their advantages such as their simple structures, vertical take-off and landing capabilities and their ability to hover at desired height. In this thesis, a controller has been designed for a quadrotor transporting a suspended payload. First off, nonlinear mathematical model of a single quadrotor is derived based on Newton-Euler approach. The load to be transported was then modeled as a three-dimensional point mass pendulum and the dynamics of the load and the quadrotor were combined and the full nonlinear mathematical model of the system was obtained considering parameter uncertainties. After the system had been modelled a sliding mode controller was designed. The sliding-mode controller is a commonly used type of controller because of its efficient performance in nonlinear systems, its simplicity in design and its robust control characteristic against uncertainties. After the design of the proposed controller, its stability is shown theoretically by applying the Lyapunov stability criterion. Finally, the system was simulated in Matlab and the results were evaluated. To demonstrate the effectiveness of the suggested controller, a classical sliding mode controller is used on the system and compared with the proposed controller. As the results clearly indicate, the proposed sliding mode controller is much more efficient in controlling the quadrotor transporting a suspended payload than in the conventional sliding mode controller.