Composite prototyping and vision based hierarchical control of a quad tilt-wing UAV

Abstract

As the attention to unmanned systems is increasing, unmanned aerial vehicles (UAVs) are becoming more popular based on the rapid advances in technology and growth in operational experience. The main motivation in this vast research field is to diminish the human driven tasks by employing UAVs in critical civilian and military tasks such as traffic monitoring, disasters, surveillance, reconnaissance and border security. Researchers have been developing featured UAVs with intelligent navigation and control systems on more efficient designs aiming to increase the functionality, flight time and maneuverability.This thesis focuses on the composite prototyping and vision based hierarchical control of a quad tilt-wing aerial vehicle (SUAVI: Sabanci University Unmanned Aerial VehIcle). With the tilt-wing mechanism, SUAVI is one of the most challenging UAV concepts by combining advantages of vertical take-off and landing VTOL) and horizontal flight. Various composite materials are tested for their mechanical properties and the most suitable one is used for prototyping of the aerial vehicle.A hierarchical control structure which consists of high-level and low-level controllers is developed. A vision based high-level controller generates attitude references for the low-level controllers. A Kalman filter fuses data from low-cost inertial sensors to obtain reliable orientation information. Low-level controllers are typically gravity compensated PID controllers. An image based visual servoing (IBVS) algorithm for VTOL, hovering and trajectory tracking is successfully implemented in simulations. Real flight tests demonstrate satisfactory performance of the developed control algorithms.

Son günlerde insansız sistemlere ilginin artmasıyla beraber, teknolojideki hızlı ilerlemeler ve operasyonel eneyimdeki gelişmeler İnsansız Hava Araçlarını (İHA) daha populer yapmaktadır. Bu geniş araştırma alanındaki esas motivasyon, trafik görüntüleme, afet inceleme, gözetleme, keşif, sınır güvenliği gibi kritik sivil ve askeri uygulamalarda İHA'ları kullanarak insan üzerine düşen görevi azaltmaktır. Araştırmacılar akıllı navigasyon ve kontrol sistemlerine sahip daha verimli İHA'lar geliştirerek fonksiyonellikte, uçuş süresinde ve manevra kabiliyetinde artışı amaçlamaktadırlar.Bu tez çalışmasında döner kanat mekanizmasına sahip dört rotorlu bir insansız hava aracının (SUAVİ: Sabanci University Unmanned Aerial Vehicle) kompozit prototip üretimi ve görüntü tabanlı hiyerarşik kontrol sistemi yer almaktadır. SUAVİ, döner kanat mekanizmasıyla dikey (VTOL) ve yatay uçuşun vantajlarını birleştiren en zorlu İHA konseptlerinden biridir. Değişik kompozit malzemeler mekanik özellikleri bakımından test edilmiş ve hava aracının prototip üretimi için en uygun olanı tercih edilmiştir.Alt-seviye ve üst-seviye denetleyicilerden oluşan hiyerarşik bir kontrol sistemi geliştirilmiştir. Görüntü tabanlı üst-seviye ivme kontrolörü alt-seviye denetleyiciler için yuvarlanma ve yunuslama referanslarını üretmektedir. Konum açılarının sağlıklı elde edilmesi için, genişletilmiş Kalman filtresi kullanılmıştır. Alt-seviye denetleyiciler genellikle yerçekimine göre kompanse edilmiş PID kontrolörlerdir. Geliştirilen imge tabanlı görsel geri beslemeli algoritma benzetim ortamında süzülme, yerden havalanma ve seyir görevleri için başarıyla doğrulanmıştır. Gerçek uçuş deneyleri kontrolörlerin başarısını göstermektedir.