Design, construction and flight control of a quad tilt-wing unmanned aerial vehicle

Abstract

İnsansız Hava Araçları (İHA) hem sivil hem de askeriuygulamalarda her geçen gün daha çok kullanılan uçan robotlardır. Buaraçlar halihazırda kanun uygulama, gökyüzünden haritalandırma vefelaketlerde gözlem gibi sivil uygulamalarda, ve gözlem, keşif,hedef tespiti gibi askeri uygulamalarda yaygın olarakkullanılmaktadır. Bu araçların kullanımına talep arttıkça otonomi,uçuş yetenekleri ve daha kompleks ve akıllı sensörler taşımakapasitesi daha da geliştirilmiş yeni tasarımlar ortaya çıkmaktadır.Bu teknolojik gelişmelerle beraber, insansız hava araçları için dahada yeni kullanım alanları ortaya çıkacaktır.Bu tez çalışması yeni bir insansız hava aracının (SUAVI: SabancıUniversity Unmanned Aerial VehIcle) tasarım, imalat ve uçuşkontrolüne odaklanmaktadır. SUAVI, helikopter gibi dikeykalkış-iniş, kanatlarını yatırarak uçak gibi yatay uçuş yapabilen,elektrikle çalışan, küçük boyutlu bir dört-rotorlu döner-kanatinsansız hava aracıdır. Üstünde, yer istasyonuyla kurulan kablosuzhaberleşme yoluyla görüntü yollamak için kameralar taşımaktadır.SUAVI'nin aerodinamik ve mekanik tasarımında uçuş süresi, uçuş hızı,boyut, enerji kaynağı ve yürütülecek görevler dikkate alınmıştır.Aerodinamik tasarım, aerodinamik verimin en üst düzeye çıkarılmasıve güvenli uçuş niteliklerinin elde edilmesi için yapılmıştır. İtkisistemindeki bileşenler itki üretim verimini eniyilemek ve bütün hızbandında kararlı bir uçuş sağlamak için seçilmiştir. Bu süreçteANSYS ve NASA FoilSimII'de elde edilen benzetim sonuçlarıdeğerlendirilmiş ve itki ölçüm testleri yapılmıştır. Enerji kaynağı,ağırlık ve uçuş süresi dikkate alınarak belirlenmiştir. Kanatlar vegövde, döngülü hava akış testlerinde şekillendirilmiştir. Ayrıca,aerodinamik tasarım ve manevra yeteneğinin doğrulanması rüzgartünelinde yarı-gövde prototipin üzerinde tamamlanmıştır. Aracınmekanik yapısı hafif, sağlam, koruyucu olacak ve pratik kullanımiçin kolay montaj-demontaja izin verecek şekilde tasarlanmıştır.Mekanik sistemin güvenlik katsayıları ANSYS'te sonlu elemanlaryöntemi temelli analizlerle bulunmuştur. Kullanılmaya aday kompozitcidar numuneleri hazırlanmış; bu numunelere hafiflik, sağlamlık vebütünlüğü koruma bakımından mekanik testler uygulanmıştır. SUAVI'ninuçuşa hazır prototipi belirlenmiş olan kompozit malzemedenüretilmiştir.SUAVI'nin dinamik modeli Newton-Euler formülasyonu ile eldeedilmiştir. Rüzgar ve rüzgar akımları gibi aerodinamik bozucularliteratürde iyi bilinen Dryden rüzgar modeliyle modellenmiştir. Uçuşkontrol sistemi olarak Gumstix mikrobilgisayarın üst-seviye, birdizi Atmega16 mikrodenetleyicinin ise alt-seviye denetleyici olarakkullanıldığı gözetimci bir kontrol mimarisi uygulanmıştır. Gumstixbilgisayar alt-seviye denetleyicilerin sistemdeki anahtarlamasınıdüzenleyen bir gözetimci olarak çalışmanın yanısıra karar vermeişleminden, aracın verilerinin gözlenmesinden ve güvenlikkontrollerinin sürekli yürütülmesinden sorumludur. Ayrıca GPS vegörüntü tabanlı kontrol için alt-seviye denetleyicilere açıreferansları üreten bir üst-seviye denetleyici göreviniyürütmektedir. Gürültülü sensör ölçümlerinin gürültüdenarındırılması için çeşitli analog ve dijital filtreleruygulanmıştır. Jirolar, ivmeölçerler gibi düşük maliyetli ataletselMEMS sensörler ve pusuladan elde edilen verinin tümleştirilmesiylegüvenilir yönelim bilgisi elde edilmesi için Genişletilmiş KalmanFiltresi (EKF) kullanılmıştır. GPS tabanlı yüksek seviyeli kontrolörile düşük seviyeli irtifa ve yönelim kontrolörleri olarak PIDdenetleyici kullanılmıştır. Dıştan bozucu etkiler bir bozucugözlemci kullanılarak kestirilmiş ve kompanse edilmiştir. Tüm uçuşkontrol sistemi için gerçek zamanlı kontrol yazılımıgeliştirilmiştir. SUAVI yer istasyonuyla haberleşerek yarı-otonommodda çalışabilir. Uçuş kontrol sisteminin ilk testlerininyürütülmesi için dört-rotorlu helikopter test platformu (SUQUAD:Sabancı University QUADrotor) üretilmiş ve kullanılmıştır. Buplatform üzerindeki başarılı uçuş testlerinden sonra kontrol sistemiSUAVI'ye aktarılmıştır. Uçuş kontrol sisteminin performansı birçokbenzetim ve gerçek uçuş testiyle doğrulanmıştır. Dikey kalkış-inişve yatay uçuşlar başarıyla gerçekleştirilmiştir.

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are flying robots thatare employed both in civilian and military applications with asteeply increasing trend. They are already used extensively incivilian applications such as law enforcement, earth surface mappingand surveillance in disasters, and in military missions such assurveillance, reconnaissance and target acquisition. As the demandon their utilization increases, novel designs with far more advancesin autonomy, flight capabilities and payloads for carrying morecomplex and intelligent sensors are emerging. With thesetechnological advances, people will find even newer operationalfields for UAVs.This thesis work focuses on the design, construction and flightcontrol of a novel UAV (SUAVI: Sabancı University Unmanned AerialVehIcle). SUAVI is an electric powered compact size quad tilt-wingUAV, which is capable of vertical takeoff and landing (VTOL) like ahelicopter, and flying horizontally like an airplane by tilting itswings. It carries onboard cameras for capturing images andbroadcasting them via RF communication with the ground station. Inthe aerodynamic and mechanical design of SUAVI, flight duration,flight speed, size, power source and missions to be carried out aretaken into account. The aerodynamic design is carried out byconsidering the maximization of the aerodynamic efficiency and thesafe flight characteristics. The components in the propulsion systemare selected to optimize propulsion efficiency and fulfill therequirements of the control for a stable flight in the entire speedrange. Simulation results obtained by ANSYS and NASA FoilSimII areevaluated and motor thrust tests are conducted during thisoptimization process. The power source is determined by taking theweight and flight duration into account. The wings and the fuselageare shaped iteratively in fluid flow simulations. Additionally, theverification of aerodynamic design and maneuverability are assessedin the wind tunnel tests on the half-body prototype. The mechanicalstructure is designed to be lightweight, strong and protective, andto allow easy assembly and disassembly of SUAVI for practical use.The safety factors in the mechanical system are determined using FEManalysis in ANSYS environment. Specimens of candidate composite skinmaterials are prepared and tested for lightness, strength andintegrity in mechanical tests. The ready for flight prototype SUAVIis produced from the selected composite material.Dynamical model of SUAVI is obtained using Newton-Euler formulation.Aerodynamic disturbances such as wind gusts are modeled using thewell-known Dryden wind turbulence model. As the flight controlsystem, a supervisory control architecture is implemented where aGumstix microcomputer and several Atmega16 microcontrollers are usedas the high-level and low-level controllers, respectively. Gumstixcomputer acts as a supervisor which orchestrates switching oflow-level controllers into the system and is responsible fordecision making, monitoring states of the vehicle and safety checksduring the entire flight. It also generates attitude references forthe low-level controllers using data from GPS or camera. Variousanalog and digital filters are implemented to smooth out noisysensor measurements. Extended Kalman filter is utilized to obtainreliable orientation information by fusing data from low-cost MEMSinertial sensors such as gyros, accelerometers and the compass. PIDcontrollers are implemented for both the high-level GPS basedacceleration controller and the low-level altitude and attitudecontrollers. External disturbances are estimated and compensated bya disturbance observer. Real-time control software is developed forthe whole flight control system. SUAVI can operate insemi-autonomous mode by communicating with the ground station. Aquadrotor test platform (SUQUAD: Sabancı University QUADrotor) isalso produced and used for the initial performance tests of theflight control system. After successful flight tests on thisplatform, the control system is transferred to SUAVI. Performance ofthe flight control system is verified by numerous simulations andreal flight experiments. VTOL and horizontal flights aresuccessfully realized.