Dönerkanat tipinde bir insansız hava aracının tasarımı, modellenmesi ve kontrolü

Abstract

Bu tez çalışması dönerkanat tipinde bir insansız hava aracının modellenmesini,tasarımını ve kontrolünü ele almaktadır. Dönerkanat dinamik modeli Newton-Euleryöntemi yardımıyla türetilmiş ve model katsayıları gerçek zamanlı sistem temelalınarak hesaplanmıştır. İnsansız hava aracı uygulamalarında önemli bir yere sahipolan eyleyici itki dinamikleri sınırlı güç koşulları altında ayrıntılı şekildeincelenmiştir. İtki modelleme işlemi fırçasız doğru akım motoru (FDAM) tarafındantüketilen güç nedeniyle meydana gelen batarya gerilim düşümünü ve modülasyonubertaraf etmek, eyleyici ayırıcı özelliklerini dönerkanat dinamik sistemine yansıtmayıamaçlamaktadır. Geçici ve sürekli rejimde eyleyicilerin gösterdiği davranış,parametreleri Levenberg-Marquardt en iyileme yöntemi tarafından ayarlanan yapaysinir ağı (YSA) yardımıyla ifade edilmektedir. Dönerkanat üzerinde kontroluygulamaları benzetim ve gerçek zamanlı olmak üzere iki farklı şekildegerçekleştirilmektedir. Benzetim çalışmaları esnasında kontrol yöntemleriyle berabertüretilen dönerkanat dinamik modelinin ve YSA tabanlı eyleyici modelinindoğruluğu da gerçek zamanlı uygulamalar öncesi sınanmıştır. Sırasıyla oransalintegral ve türevsel (PID) kontrol yöntemi, kayan kipli denetim (KKD) yöntemi,geriadımlamalı kontrol yöntemi ve geribesleme ile doğrusallaştırmayla kontrolyöntemleri irdelenmiş; gezinge takip performansı, kontrol sinyallerininuygulanabilirliği ve geçici tepkilerinin uygunluğu açısından karşılaştırmalıdeğerlendirilmeleri yapılmıştır. Gerçek zamanlı uygulamalarda ise benzetimçalışmaları uygulanan PID ve KKD yöntemleri seçilmiş ve aracın kararlılığınıkoruyarak istenilen yörüngede kalması sağlanmaya çalışılmıştır. Gerçek zamanlıuygulamalarda ayrıca karşılaşılan donanımsal sorunların üstesinden nasıl gelindiğianlatılmıştır.

This thesis considers design, modeling and control of quadrotor type unmannedaerial vehicle. The derivation of the dynamic model of the vehicle is performed byaid of Newton-Euler formulation and coefficients of the model are calculated basedon the real time model. The dynamic behavior of the actuator propulsion underlimited power conditions, which is a very important issue in unmanned aerialvehicles (UAVs), is particularly investigated. The aim of the propulsion modeling isto eliminate the modulation and decrease in battery voltage due to consumption ofpower by brushless direct current (BLDC) motor and incorporate the characteristicsof propulsion into quadrotor dynamics. Transient and steady state behavior of thepropulsion is represented by artificial neural network based approach whoseparameters are adjusted by Levenberg-Marquardt optimization technique. Thecontrol applications on quadrotor are achieved by two different forms, which aresimulation and real time studies. The accuracy of control approaches with derivedquadrotor dynamic model and neural network based propulsion model are justifiedvia simulation studies before real time applications. Proportional integral andderivative (PID) control scheme, sliding mode control (SMC), backsteppingtechnique and feedback linearization control are discussed, respectively, Acomparison of the approaches is presented in terms of the tracking precision,applicability of control signals and the qualities of the transient response. In the realtime studies, PID control and SMC techniques discussed in simulations are chosen todrive the vehicle dynamics to desired trajectories while sustaining stability. Thesolutions to problems which are encountered in real time studies are also discussed.