Dörtlü rotor konfigürasyonuna sahip bir insansız hava aracının model öngörülü kontrol yöntemi ile uçuş performansının incelenmesi / Abdülhamid Han Doğru; thesis advisor Hüseyin Enes Salman.

Tez (Yüksek Lisans)--TOBB ETÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Temmuz 2024

Dört rotorlu İnsansız Hava Araçları (İHA) ulaşım, savunma ve eğlence gibi sektörlerde sıklıkla kullanılmaktadır. Bu İHA'lar genellikle değişen hava koşullarında karmaşık manevralar gerçekleştirmek için karmaşık uçuş algoritmaları kullanılarak kontrol edilir. Bu gibi durumlarda istenilen uçuş performansını gözlemlemek için ileri düzeyde bir kontrolcünün tasarlanması ve bu kontrolcünün uçuş performansına etkisinin belirsizlik analizleri ile incelenmesi gerekmektedir. Bu tez çalışması, dört rotorlu bir İHA'nın altı serbestlik dereceli (6-DOF) uzayda modellenmesini ve kontrolünü amaçlamaktadır. Oluşturulan 6-DOF modelde İHA'nın değişen hava koşulları, hassas olmayan sensör ölçümleri ve bilinmeyen aerodinamik özellikleri altındaki uçuş performansını incelenmek amacıyla Monte Carlo belirsizlik analizi kullanılmıştır. Modelleme ve kontrolcü tasarımı MATLAB & Simulink yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Modelleme 6-DOF uzayda yapıldığı için, 3 adet kuvvet denklemi ile öteleme dinamiği modellemesi ve 3 adet moment denklemi ile dönme dinamiği modellemesi yapılmıştır. Elde edilen model üzerine iki döngülü bir kontrolcü yapısı tasarlanmıştır. Bu kontrolcünün dış döngüsünde bir pozisyon kontrolcüsü, iç döngüsünde ise bir rotasyon kontrolcüsü yer almaktadır. Pozisyon kontrolcü, 3 eksenin her birinde 2 durum değişkenini kontrol edebilen bir durum uzayı kontrolcüsüdür. Durum uzayı tipindeki pozisyon kontrolcüsünün her bir ekseninin ayrı ayrı kontrol edilebilmesi için Kutup Yerleştirme tekniği ile kontrolcüler tasarlanmıştır. Rotasyon kontrolcüsü ise, 6 durum değişkenini bir arada kontrol edebilecek şekilde tasarlanan daha karmaşık yapıda bir durum uzayı kontrolcüsüdür. Sistemin farklı kontrol teknikleri altında performansının karşılaştırılabilmesi için, rotasyon kontrolcüsü Model Öngörülü Kontrol, Kutup Yerleştirme ve Doğrusal Kuadratik Regülatör (Linear Quadratic Regulator, LQR) teknikleri ile ayrı ayrı tasarlanmıştır. Tasarlanan model içerisinde bu 3 kontrolcünün her biri anahtarlanarak kullanıma alınabilmektedir. Modelleme kontrolcü tasarımlarının tamamlanmasının ardından tekli koşularla kontrolcülerin gürbüzlüğü incelenmiştir. Ayrıca, İHA'nın uçuş performansını değerlendirmek için belirsiz koşullar altında istenen açı, konum ve hız değerlerindeki sapmalar incelenmiştir. Benzetim sonuçları bir araya toplanarak 3 rotasyon kontrolcüsünün birbirine olan üstünlükleri ortaya çıkartılmıştır. Sonuç olarak, yapılan bu tez çalışması ile dört rotorlu bir İHA'nın uçuş performansı farklı kontrol teknikleri altında incelenmiştir.

Quadrotor Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are frequently used in sectors such as transportation, defense, and entertainment. These UAVs are often controlled using complex flight algorithms to perform complex maneuvers in changing weather conditions. In such cases, an advanced controller must be designed to observe the desired flight performance and the effect of this controller on flight performance must be examined through uncertainty analysis. This thesis study aims to explain the modelling and control of a quadrotor UAV in six degrees of freedom (6-DOF) space. In the created 6-DOF model, Monte Carlo uncertainty analysis was used to examine the flight performance of the UAV under changing weather conditions, imprecise sensor measurements and unknown aerodynamic features. Modelling and controller design were carried out using MATLAB & Simulink software. Since the modelling was done in 6-DOF space, translational dynamics modelling was performed with 3 force equations and rotational dynamics modelling was performed with 3 moment equations. A two-loop controller structure was designed based on the resulting model. There is a position controller in the outer loop of this controller and a rotation controller in the inner loop. The position controller is a state space controller that can control 2 state variables in each of the 3 axes. Controllers have been designed using the pole placement technique to control each axis of the state space type position controller separately. The rotation controller is a more complex state space controller designed to control 6 state variables together. In order to compare the performance of the system under different control techniques, the rotation controller was designed separately with Model Predictive Control, Pole Placement and Linear Quadratic Regulator (LQR) techniques. Within the designed model, each of these 3 controllers can be switched and put into use. After completing the modeling controller designs, the robustness of the controllers was examined with single runs. Additionally, deviations in desired angle, position and speed values under uncertain conditions were examined to evaluate the flight performance of the UAV. By gathering the simulation results together, the advantages of the three rotation controllers over each other were revealed. As a result, in this thesis study, the flight performance of a four-rotor UAV was examined under different control techniques.