An Effective Adaptive And Fault Tolerant Controller For Helicopters

Abstract

Helikopterler dikey olarak kalkış ve iniş yapabilir ve havada sabit olarak tutunabilirler. Helikopter ve uçakların uçma prensipleri aslında aynıdır. Uçaklarda tutunma kuvveti elde edebilmek için uçak hava içinde hareket ettirilir. Ancak kanat, uçak gövdesine bağlı olduğu için sabit bir yapıdadır. Fakat helikopterlerde kanat sabit değil, hareketlidir. Yani helikopterlerde taşıma kuvveti elde edebilmek için döner kanat yani pervane kullanılır. Pervane iki ya da daha fazla palden meydana gelir. Pervane palinin profili uçak kanadının profili ile aynıdır. Helikopterin motoru palleri döndürür. Paller hava içinde hareket ettikleri için üst yüzeylerinde alçak basınç, alt yüzeylerinde ise, yüksek basınç oluşur. Bu basınç farkı taşıma kuvvetini meydana getirir. Pallerin devir sayısının ve hücum açısının (pallerin havayı karşılama açısı) artması ile bu taşıma kuvvetinin büyüklüğü de artar. Tersi bir durumda ise azalır. Taşıma kuvveti helikopterin ağırlığına eşit olduğunda helikopter havada sabit olarak tutunur. Büyük olduğunda dikey olarak yükselir. Daha az olduğunda ise, dikey olarak alçalır. Pervanenin dönme düzlemi eğildiğinde, yani pervanenin oluşturduğu taşıma kuvvetinin yönü değiştirildiğinde, helikopter ileri - geri ve sağa - sola doğru hareket eder. Böylece helikopterin hava içinde hareket etmesi sağlanır. Pervane sürekli döndüğü için (gövde üzerinde yarattığı moment nedeniyle) helikopterin gövdesini de döndürmeye çalışır. Bunu engellemek için helikopterin kuyruğunda daha küçük olan bir pervane daha kullanılır. Kuyruktaki pervane gövde üzerindeki dönme momentini sönümler. Ayrıca sönümleme miktarı değiştirilerek gövdenin dönüşü de sağlanabilir. Helikopterler özellikle havada asılı kalma özelliğinin etkili olduğu kentsel çevrelerde sabit kanatlı uçaklara göre çok daha avantajlıdır. Ayrıca kentsel ortamlarda askeri uygulamalar için otonom helikopter kullanımına dair sürekli artan bir ilgi vardır. Otonom helikopterler güzergâh planlama ve bunları yürütme yeteneğine sahiptir. Dolayısıyla Helikopterlerin Kontrolü sistemin karmaşıklığı ve sistemin doğrusal olmamasından dolayı zorlu bir görevdir. Helikopter kontrolünde başarım, rota açısının ve yunuslama açısının denetimi ile doğrudan ilişkilidir. Yunuslama açısındaki bir değişiklik, helikopterin rota açısında istenmeyen bir sapmaya neden olmakta, yine aynı şekilde rota açısında yapılan bir değişiklik helikopterin yunuslama açısını etkilemektedir.Üç eksenli(3DOF) helikopterler sahip oldukları helikopter benzeri yüksek doğrusalsızlıklar ve eksenler arası bağlaşım sebebiyle kontrol laboratuarlarında sıkça kullanılan test platformlarıdır. Bilgisayar destekli yapıları, tasarlanan kontrol yaklaşımlarının hızla test edilmesine olanak veren bir uygulama ortamı sunar. Bu sayede helikopter kontrolünde karşımıza çıkan zorlayıcı dinamikler daha sadeleştirilmiş bir sistem üzerinde güven altında irdelenip, bu dinamiklerin üstesinden gelebilecek uygunkontrol sistemleri tasarlanabilir. Bu tezin amacı helikopterler için bilinmeyen sistem parametrelerine ve arıza gibi nedenlerden dolayı değişen sistem parametrelerine uyum sağlayabilen, arızaların oluşması durumunda gerekirse sistem performansından ödün vererek sistemin fonksiyonelliğini arızalı alt sistemlere rağmen sürdürebilen, arıza anında yolcuların güvenliği için standart prosedürlerin dışından prosedürlerin uygulayabilen ve tüm bunların yanında kontrol algoritmasının hesap yükünün az olan bir kontrolör tasarlamak. Euler'in ikinci hareket yasası kullanılarak helikopter sisteminin hareket denklemleri ve bunları kullanarak sistemin matematik modeli bulunmuştur. Sistemin simüle edilebilmesi için bir Matlab Simulink ortamında bu model gerçekleştirilmiştir. Arızaların tespiti ve izolasyonu için sistem sürekli denetlenir ve arıza tespit edildiğinde yeri ve türü belirlenir. Bu çalışmada model üzerinden hesaplanan beklenen değer ile sensörden elde edilen değerler karşılaştırılır. Karşılaştırılmanın sonunda bir residue elde edilir, Eğer bu residue önceden hesaplanan bir limitten fazla ise arıza var demektir. Daha sonra bu residuelardan elde edilen arıza tespitleri karar algoritmasından geçirilerek arızanın yeri ve türü bulunur. İki Kalman filtresi ve bir Unscented Kalman filtre bankası arızaları tespit ve arızaları izole etmek için geliştirilmiştir. Sonuçlardan, geliştirilen filtreler sayesinde arızaların neredeyse anında tespit edilebildiği gözlemlenmiştir. Doğrusal olmayan helikopter sistemi için bir arıza toleranslı kontrolcü geliştirmek amacıyla, doğrusal olmayan adaptif integral backstepping kontrol yöntemi kullanılmıştır. Uyumlu Entegratör Geriadımlamalı kontrolör sistem değişkenlerinin bazılarını "sanal kontrolcüler" olarak kabul etmek ve onlara ara kontrol kuralları dizayn etmektir. Bu kontrolörün birçok avantaları vardır. Uyumlu olması standart geriadımlamalı kontrolcünün eksikliklerini neredeyse tam anlamıyla gidermektedir. Aynı işlemde hem uygun control Lyapunov fonksiyonu bulup hem de kontrol kuralı design edebilir. Parametre belirsizliklerini ve değişen parametrelere karşı uyum sağlayabilir. Sistem derecesi kadar adımda kontrol kuralı bulunur. Sistem eksik tahrikli olmasından dolayı tüm açıların kontrol edilebilmesine imkân yoktur. Bu nedenle yükselme ve yunuslama açıları direk kontroler edilmekte ve yunuslama açısı seyahat açısını kontrol etmek için bir kontrol girişi gibi alınmaktadır. Kontrollör yükselme, yunuslama ve seyahat açısını kontrol edebilmek için üç ayrı bölüme ayrılmıştır. Adaptif kontrolör sabit bozucuları ve model belirsizliklerinin üstesinden gelmek için dolayısıyla offline arıza toleranslı kontrolör olmak için seçildi. Arıza toleranslı kontrol, arıza durumlarına karşı, kontrol işleminin devamını sağlayabilmek için metotlar önerir. Bu sayede, arızadan sonra bile, kabul edilebilir düzeyde performans düşüklüğü ile birlikte, kontrol işleminin devam ettirebilmesine olanak sağlanır. Arıza durumlarına rağmen sistemin çalışmasına olanak sağlanması, ilk olarak "fail-safe" olarak bilinen yüksek risk taşıyan sistemlerde görülmüştür. Bu yapıları oluşturmak, donanım ve çeşitli tertibatları sisteme yerleştirmek açısından ele alındığında hem oldukça maliyetli, hem de fiziki açıdan sıkıntılıdır.Donanım fazlalığına dayanan bu yaklaşımdaki dezavantajlar yüzünden analitik hesap sürecine dayanan yaklaşımları kullanmak çok daha yararlıdır.Arıza toleranslı kontrol sistemlerini iki ana kategoride incelemek mümkündür: pasif arıza toleranslı kontrol sistemleri ve aktif arıza toleranslı kontrol sistemleri. Pasif ve aktif arıza toleranslı kontrol sistemleri kıyaslandığında, pasif arıza toleranslı kontrol tasarım uygulamalarının genelde basit ve daha ekonomik olduğu bilinmektedir. Bununla birlikte arıza durumunda sistemin ancak ilgili bir tertibat sağlanmışsa çalışabildiği, daha önceden öngörülmemiş bir arızayla karşılaşıldığında yine sistemin bloke olabileceği söylenebilir. Aktif arıza toleranslı kontrol tasarım uygulamalarının ise genellikle nükleer, aviyonik, kimya endüstrisi gibi yüksek emniyet ve teknoloji kullanılan süreçlerde olduğu, arıza/hasar durumlarıyla karşılaşıldığında bunların tespit edilip, üstesinden gelindiği söylenebilir. Bu çalışmada uyumlu entegratör geri adımlamalı kontrolör offline arıza toleranslı kontrol olarak tasarlanmıştır. Online arıza toleranslı kontrolör ile beraber çalışarak oluşan arızalara hızlı ve verimli tepkiler verebilmesi amaçlanmıştır. Online arıza toleranslı kontrolör olarak ise arıza durumlarında alınabilecek önlemleri önceden elde edilmiş tecrübelere göre alan bir algoritmadır. Önerilen kontrol yöntemi standart uyarlamalı backstepping denetleyicisinin başarısız olduğu durumlarda dahi helikopter sisteminin kaza yapmasına engel olduğu ve helikopteri çalışabilir durumunu korumasına yardımcı olduğu sonuçlardan yorumlanabilir. Tüm bunlara ek olarak önerilen kontrol yönteminin ürettiği kontrol işaretleri standart kontrolcüye göre çok daha hafif geçişli ve küçüktür. Sistem performansı gerçek hayat uygulamaları için tatmin edicidir.

Helicopters have a distinct advantage over fixed-wing aircraft especially in an urban environment, where hover capability is helpful. There is increased interest in the deployment of autonomous helicopters for military applications, especially in urban environments. Autonomous helicopters must have the capability of planning routes and executing them. Control of helicopters are a challenging task because of the complexity and the nonlinearity of the system. The scope of this report is to develop a nonlinear mathematical model and a fault tolerant control system for a 3DOF helicopter. Using Euler's second law of motion the equations of motion for the helicopter system the mathematical model of the system is found. A Simulink model of the system was developed in order to be able to simulate the system. In order to develop a fault tolerant controller for the helicopter system, which is highly nonlinear, a nonlinear adaptive backstepping control method was used. Because the system is underactuated and therefore not all angles can be independently controlled, a decision was made to control the travel and elevation angles and let the pitch be indirectly controlled. The system was then decoupled into three different systems, one for the elevation system, one for the pitch system and one for the travel system, each one with a separate controller. In order to mitigate constant disturbances and model uncertainty adaptive controller was chosen. Two Kalman filters and a bank of Unscented Kalman filters were developed to detect and isolate faults. From the results, the fault identification method proved to be able to detect and identify faults almost instantly. Proposed control method kept the helicopter from crashing when the standard adaptive backstepping controller failed. In addition to all of the above, our proposed control method produces smaller in magnitude and smoother control signals. System performance is satisfactory for real life applications.