Dört rotorlu insansız hava aracı tasarımı ve analizi

Abstract

İnsansız hava araçları (İHA), günümüzde askeri ve sivil olmak üzere birçok alanda çok yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu hava araçları; düşük işletme maliyetleri, kullanım yerine ve amacına göre çok farklı güç ve dizayna göre seçim yapılabilmesi ve en önemlisi de hava aracında oluşabilecek beklenmedik bir arıza, hasar veya kaza durumunda pilot kaybı yaşanmaması gibi avantajları nedeniyle kullanımı her geçen gün giderek artmaktadır.Günümüzde, diğer hava taşıtlarıyla kıyaslandığında konstrüksiyon ve kontrol kolaylıklarının yanında küçük boyutları, yakın etkileşim için güvenilirliği ve dikey iniş kalkış özelliği sayesinde hemen hemen her ortamda operasyonel bir şekilde kullanılan quadcopterlerin popülaritesi, sensörler ve kontrol sistemlerindeki gelişmelere paralel olarak her geçen gün daha da artmakta ve bunun bir sonucu olarak, quadcopterin dinamik yapısı pek çok araştırmacının dikkatini çekmekte ve profesyonel araştırma platformlarında, quadcopterler üzerinde yapılan çalışmaların sayısı günbegün artmaktadır.Quadcopterler yüksek dinamiğe sahip elektromekanik sistemler olup, bu dinamik sistemlere kararlı bir şekilde havada kalabilme ya da hareket edebilme gibi yetileri kazandıran uçuş kontrolcüleri, MEMS tabanlı sensörlerden aldıkları çıkış sinyallerini bir tür filtreleme yöntemi kullanarak bir geri besleme kontrol mekanizmasına aktarır ve böylece sistemin kararlı bir yapıda çalışmasını sağlarlar.Bu tez çalışmasının amacı, quadcopter modelleme ve kontrolünün temellerini araştırmak ve bu temellere dayanarak tek kartlı bir bilgisayar olan Raspberry Pi ile bir uçuş kontrolcüsü tasarlamak ve tam operasyonel bir quadcopter oluşturmaktır.Belirtilen amaca ulaşmak için, bu tez çalışmasında, quadcopter dinamiğinin matematiksel modeli incelenmiş ve bu matematiksel model ayrıntılarıyla ortaya konulmuştur. Ayrıca, uçuşun mühendislik becerilerince olabildiğince verimli hale getirilmesi için bir quadcopterde kullanılan esansiyel donanım elemanları üzerinde çeşitli araştırmalar yapılmış ve bu tez çalışmasında oluşturulan quadcopterin donanım elemanlarının seçimi çeşitli analizler sonrasında gerçekleşmiştir. Yapılan literatür araştırmalarının ardından, quadcopterin stabilizasyonu sağlayacak olan uçuş kontrolcüsü, bir Raspberry Pi tek kartlı bilgisayarı üzerinde, modüler programlama teknikleri kullanarak tasarlanmıştır. Bir quadcopterin kontrolünün sağlanması için gerekli esansiyel elemanlar olan MEMS tabanlı sensörlerden alınan çıkış verileri, üç farklı filtreleme tekniği kullanılarak test edilmiş ve yapılan testlerin ardından optimal filtreleme yöntemi olarak Kalman filtreleme yöntemi seçilmiştir. Uçuş kontrolcüsünde kullanılacak olan geri besleme mekanizması olarak ise PID kontrol döngüsü geri besleme mekanizması seçilmiş ve PID kontrol döngüsü geri besleme mekanizması üzerinde ayrıntılı çalışmalar yapılmıştır. Bu tez çalışmasında oluşturulan quadcopter üzerinde stabilizasyonun sağlanabilmesi amacıyla PID denetleyicileri kullanılarak oluşturulan uçuş kontrolcüsüyle yapılan kapsamlı testler ile PID kazanç katsayıları manuel tuning yöntemiyle belirlenmiş ve sonuç olarak, bu tez çalışmasının amacına ulaşılmış olup, quadcopter modelleme ve kontrol teknikleri temel alınarak tek kartlı bir bilgisayar olan Raspberry Pi üzerinde başarılı bir şekilde bir uçuş kontrolcüsü programlanmış ve işlevsel bir quadcopter oluşturulmuştur.

Unmanned aerial vehicles (UAVs) are now widely used in many areas, including military and civilian. The use of these air vehicles is increasing day by day due to low operating costs, to be able to choose according to usage and purpose for very different power and design and most importantly, the use of the airplane is increasing day by day because of the fact that there is no pilot loss in the event of an unexpected breakdown, damage or accident that may occur in the air.Nowadays, the popularity of quadcopters, operationally used in virtually any environment due to their small sizes, reliability for close interaction and vertical landing and take-off features as well as ease of construction and control compared with other types of aircrafts, are constantly increasing parallel to the developments in sensors and control systems. Consequently, the dynamic of quadcopter is attracted the attention of many researchers and so the number of studies on quadcopters is increasing day by day on professional research platforms. Quadcopters are electromechanical systems with high dynamics, and flight controllers that provide the ability to hover or move in the air steadily to these dynamics systems transfer the output signals which they receive from MEMS based sensors after using a filtering method to a feedback control mechanism, thereby the system can operate steadily.The purpose of this thesis is to explore the fundamentals of quadcopter modelling and control, and to design a flight controller based on these fundamentals by using Raspberry Pi, a single-board computer, and to create a fully operational quadcopter.To achieve the stated purpose, in this thesis, the mathematical model of the quadcopter dynamics has been examined, and introduced. In addition, to make the flight as efficient as possible with engineering skills various researches have been carried out on essential hardware elements used in a quadcopter, and the selection of the hardware of the quadcopter whose flight controller has been designed in this thesis has been carried out after various analyzes. Following literature review, the flight controller, which provides stabilization to the quadcopter, has been designed using a modular programming technique on a Raspberry Pi single-board computer. The output data from MEMS-based sensors, which are the essential elements required to achieve control of a quadcopter, have been tested using three different filtering techniques and after these tests, the Kalman filtering method has been chosen as the optimal filtering method in this thesis. As the feedback mechanism to be used in the flight controller, the PID control loop feedback mechanism has been selected, and detailed studies are made on it. To provide stabilization on the quadcopter, PID coefficients have been determined by manual tuning method with comprehensive tests performed with the flight controller created by using this feedback mechanism. In conclusion, a flight controller has been successfully programmed on a single-board computer, Raspberry Pi, and a functional quadcopter has been created, and the purpose of the thesis has been achieved.