Nonlinear control of a quad Tilt-Wing UAV

Abstract

Son yıllarda İnsansız Hava Araçları (İHA) giderek daha yaygınlaşmaya başlamıştır. İHA'ların etkileyici kabiliyetleri ve verilen görevi tamamlamadaki başarıları, bu hava araçlarını birçok sivil ve askeri uygulamada vazgeçilmez hale getirmiştir. İleri üretim teknikleri ve elektronik ekipmanlardaki dikkat çekici gelişmeler küçük boyutlu, akıllı ve düşük maliyetli İHA'ların yapımını mümkün kılmıştır. Sonuç olarak, önemli derecede araştırma çabası akıllı navigasyon ve kontrol sistemlerine sahip İHA'ların tasarımına adanmıştır.Bu tez çalışması döner kanat mekanizmasına sahip bir insansız hava aracı olan SUAVI'nin (Sabancı University Unmanned Aerial Vehicle) doğrusal olmayan kontrolüne odaklanmaktadır. Bu hava aracı döner-kanat mekanizması sayesinde dikine iniş-kalkış ve yatay uçuş özelliklerine sahiptir. Aracın değişik uçuş modları için doğrusal olmayan dinamik modeller elde edilmiş; dikey, geçiş ve yatay mod uçuş kontrolörlerini içeren bir hiyerarşik kontrol sistemi geliştirilmiştir. Bu kontrolörleri tasarlamak için araç dinamiği pozisyon ve yönelim olmak üzere iki alt sisteme ayrılmıştır. Hava aracının her üç uçuş modu için çeşitli doğrusal olmayan pozisyon kontrol yaklaşımları geliştirilmiştir. Aracın dikey uçuş modu için integral kayan kipli ve PID tabanlı pozisyon kontrol algoritmaları dinamik evirme methodu ile tasarlanmıştır. Bunun yanı sıra geri besleme ile doğrusallaştırma ve integral kayan kipli yönelim kontrolörleri aracın dikey, geçiş ve yatay uçuş modlarında yönelim stabilizasyonu için önerilmiştir. Geliştirilen kontrol yaklaşımlarının başarısı benzetim ve deney sonuçları ile doğrulanmıştır.

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have become increasingly more popular over the last few decades. Their fascinating capabilities and performance in accomplishing a specific task have made them indispensable for various civilian/commercial and military applications. The remarkable progress in advanced manufacturing techniques and electronic components have rendered development of small, intelligent and low-cost UAVs possible. Consequently, a significant amount of research effort has been devoted to design of UAVs with intelligent navigation and control systems.This thesis work focuses on nonlinear control of a quad tilt-wing unmanned aerial vehicle (SUAVI: Sabanci University Unmanned Aerial Vehicle). The aerial vehicle has the capability of vertical takeoff and landing (VTOL), and flying horizontally due to its tilt-wing mechanism. Nonlinear dynamical models for various flight modes are obtained. A hierarchical control system that includes vertical, transition and horizontal modes flight controllers is developed. In order to design these controllers, the dynamics of the aerial vehicle is divided into position and attitude subsystems. Several nonlinear position control methods are developed for different flight modes. For the vertical flight mode, integral sliding mode and PID based position controllers via dynamic inversion method are designed. Feedback linearization and integral sliding mode attitude controllers are also proposed for the attitude stabilization of the aerial vehicle in vertical, transition and horizontal flight modes. Simulations and several real flight experiments demonstrate success of the developed flight controllers.