GPS based position control and waypoint navigation of a quad tilt-wing UAV

Abstract

Günümüzde kabiliyetleri önemli ölçüde artan İnsansız Hava Araçlarının (İHA) sivil uygulamalarda ve askeri görevlerde kullanılması daha da önem arz eden bir hal almıştır. Farklı sensörlerle donatılarak insanlar için tehlikeli ve zorlu çevresel koşullardaki görevlerde kullanılan bu araçların tasarımları ve gelişmelerinde dikkate değer ilerlemeler sağlanmaktadır. Son zamanlarda, bu araçlara olan ilginin ve ihtiyacın önemli ölçüde artması araştırma gruplarını bu alanda çalışmaya kanalize etmiştir.Bu tez çalışmasında döner kanat mekanizmasına sahip bir insansız hava aracı SUAVI'nin (Sabancı University Unmanned Aerial Vehicle) GPS tabanlı pozisyon kontrolü ve güzergah noktalarını takibi yer almaktadır. Hava aracı dikine kalkış iniş yapabilecek ve döner kanat mekanizması sayesinde yatay uçabilecek şekilde tasarlanmıştır. İlk olarak, mekanik ve aerodinamik tasarımı ana hatlarıyla açıklanmıştır. Aracın doğrusal olmayan matematiksel modeli melez bir koordinat sistemi kullanılarak elde edilmiştir. Newton-Euler metoduyla elde edilen model rüzgar ve hava akımı gibi aerodinamik etkileri de içermektedir. Hava araçlarının yönelim kontrolünde oldukça kritik olan güvenilir oryantasyon ölçümlerini elde edebilmek amacıyla IMU ölçümlerini kullanan genişletilmiş Kalman filtresi tasarlanmıştır.Hava aracının havada asılı kalma ve güzergah takibi senaryolarında, bir üst seviye denetleyici GPS verilerine dayanarak alt seviye denetleyicilere yuvarlanma ve yunuslama açı referanslarını yaratmak amacıyla kurgulanmıştır. Aracın doğrusal olmayan dinamik denklemleri havada asılı kalma koşulları için belirli çalışma noktaları etrafında doğrusallaştırılmış, pozisyon ve yönelim kontrolü için yer çekimini kompanse eden PID kontrolör kullanılmıştır. Benzetim ve deney sonuçları pozisyon kontrol sisteminin başarısını göstermektedir.

Unmanned aerial vehicles (UAV) are becoming increasingly capable nowadays and the civilian applications and the military tasks that can be carried out by these vehicles are far more critical than before. There have been remarkable advances in the design and development of UAVs. They are equipped with various sensors which make them capable of accomplishing missions in unconstrained environments which are dangerous or effortful for manned aircrafts. Recently, significant interest in unmanned aerial vehicles has directed researchers towards navigation problem of flying vehicles.This thesis work focuses on GPS based position control and waypoint navigation of a quad tilt-wing unmanned aerial vehicle (SUAVI: Sabanci University Unmanned Aerial Vehicle). The vehicle is capable of vertical take-off and landing (VTOL). It can also fly horizontally due to its tilt-wing structure. Mechanical and aerodynamic designs are first outlined. A nonlinear mathematical model expressed in a hybrid frame is then obtained using Newton-Euler formulation which also includes aerodynamics effects such as wind and gusts. Extended Kalman filtering (EKF) using raw IMU measurements is employed to obtain reliable orientation estimates which is crucial for attitude stabilization of the aerial vehicle.A high-level acceleration controller which utilizes GPS data produces roll and pitch references for the low-level attitude controllers for hovering and trajectory tracking of the aerial vehicle. The nonlinear dynamic equations of the vehicle are linearized around nominal operating points in hovering conditions and gravity compensated PID controllers are designed for position and attitude control. Simulations and several real flight experiments demonstrate success of the developed position control algorithms.