Modeling and control of a new unmanned aerial vehicle (SUAVI) with tilt-wing mechanism

Abstract

İnsansız Hava Araçları (İHA) yer istasyonundaki bir operatör tarafından kontrol edilen ya da verilen komutlara göre otonom olarak uçabilen mobil robotlardır. Kameralar, başka sensörler ve haberleşme sistemleri gibi çeşitli ekipmanlarla donatılan bu araçlar insanlar için tehlike arz eden ya da zorlu görevlerde kullanılmaktadır. Gözetim, keşif, trafik görüntüleme, afet inceleme (yangın, deprem, sel, vb...) ve tarımsal ilaçlama insansız hava araçlarının kullanıldığı çeşitli görevlere örneklerdir.Bu tez çalışmasında döner kanat mekanizmasına sahip dört rotorlu bir insansız hava aracının (SUAVİ: Sabancı University Unmanned Aerial Vehİcle) modellemesi ve kontrolü yer almaktadır. Hava aracı bir helikopter gibi dikey (VTOL) ve bir uçak gibi yatay uçabilecek şekilde tasarlanmıştır. Aracın tasarım özellikleri ve sensör/eyleyici entegrasyonu sunulmuştur. SUAVİ'nin yatay uçuş, dikey uçuş ve iki uçuş modu arasındaki geçiş dinamiklerini içeren matematiksel modeli Newton-Euler metoduyla elde edilmiştir. Aracın VTOL modu için yönelim ve pozisyon kontrolörleri (PID, LQR) tasarlanmıştır. Bir başka kontrolör ise aracın dikey ve yatay uçuş modları arasındaki geçişi sağlamak üzere tasarlanmıştır . Bütün kontrolörler benzetim ortamında incelenmiş ve benzetimler 3 boyutlu olarak görselleştirilmiştir. Gerçek zamanlı deneylerde kullanılmak üzere, Kalman filtresi ile yuvarlanma ve yunuslama açılarının kestirimi yapılmıştır. Prototip ile yapılan VTOL uçuş deneyleri kontrolörlerin başarısını göstermektedir.

Unmanned Aerial Vehicles (UAV) are flying robots that are either controlled by an operator from a remote location or flown autonomously according to the given commands. UAVs are often equipped with cameras, other sensors and communication units and used for missions which are dangerous, tedious or effortful for manned aircrafts. Some applications of these vehicles are surveillance, reconnaissance, traffic monitoring, exploration of disasters (fire, earthquake, flood, etc...) and agricultural pesticide spraying.This thesis work focuses on the modeling and control of a new quadrotor Unmanned Aerial Vehicle (SUAVİ: Sabancı University Unmanned Aerial Vehİcle) with tilt-wing mechanism. The vehicle is capable of vertical take-off and landing (VTOL) like a helicopter and flying horizontally like an airplane. The design specifications and sensor/actuator integration of SUAVİ are presented. A full mathematical model that incorporates the dynamics of horizontal flight, vertical flight and the transition mode is obtained using Newton-Euler formulation. Attitude and position controllers (PID, LQR) are designed in linear framework for the VTOL mode of the vehicle. A controller for transition between vertical and horizontal flight modes is also proposed. All controllers are evaluated in simulations along with 3D visualization. For real-time experiments, Kalman filtering is employed to obtain accurate roll and pitch angle estimations. VTOL experiments with the prototype demonstrate the success of the proposed controllers.