İnsansız Dört Rotorlu Hava Araçları İçin Değişken Serbestlik Dereceli Yere Sabit Deney Düzeneği Ve Denetleyici Tasarımı

Abstract

İnsansız hava araçları (İHA) kapsamında dört rotorlu helikopterler (quadrotorlar), yüksek hareket kabiliyetleri ve farklı kontrol tekniklerinin uygulanabilirliği açısından son yıllarda üzerinde dikkate değer araştırmalar yapılmış konulardandır. Yapılan çalışmalar daha çok kontrol ve modelleme ağırlıklı olup, tasarım ve haberleşme konularında da çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmada, farklı kontrol tekniklerinin denenmesi amacıyla, yere sabit, sınırlı/kontrollü serbestlik derecesine sahip dört rotorlu bir helikopter deney düzeneğinin bütün tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiş, temel kontrol algoritmaları ile daha gelişmiş ve karmaşık kontrol algoritmalarının uygulanabilirliği ve performansı gösterilmiştir. Sistemin serbestlik derecesi sınırlandırılarak, yunuslama, yalpalama ve sapma hareketlerinin birbirinden bağımsız kontrolüyle, kontrol algoritmaların etkilerinin daha net incelenebileceği düşünülmüştür. Deney sisteminin tasarımında mekanik-mekatronik bakımdan deney düzeneği düşünülmüş ve ayrıca yazılım yönünden de kararlı bir yapı elde edilmeye çalışılmıştır. Mekanik tasarımdan maksat yere sabit bu uçuş kontrol sisteminde eksenlerin birbirinden bağımsız kontrol edilebilmesini sağlamaktır. Mekatronik bakımdan sistem performansının yüksek tutulması için elektrik bağlantıları, elektronik devreler, geri besleme algılayıcıları, motorlar ve sürücüler ve son olarak mikro denetleyici ön plana çıkmaktadır. Yazılım olarak, Matlab&Simulink kullanılmıştır. Gerek kullanılan denetleyici ve geri besleme algılayıcılarının donanımsal entegrasyonu gerekse kontrol programı için yazılımsal olarak kullanıcı dostu ara yüzü ile kuvvetli ve çok sayıda işlem kapasitesi açısından seçilen yazılım programı öne çıkmaktadır. Yapılan çalışma sürecinde birbirini takip eden ve birbirine ışık tutan 3 ana iyileştirme yapılmıştır. Bu araştırma ve geliştirme çalışmaları tez için hedeflenen başarıya ulaşmak için düşünülmüş ve uygulanmıştır. Tez kapsamında mekanik, mekatronik ve yazılım bazında tasarım anlatılacak ve sistemde farklı serbestlik derecelerinde ve farklı kontrol algoritmaları altındaki yapılan deney sonuçları açıklanacaktır. Tez sürecinde yapılan geliştirmeler de sebepleri ve sonuçları ile birlikte açıklanacaktır.

Unmanned air vehicles (UAV) and especially quadrotors have drawn great attention in recent years due to their high maneuverability and feasibility of different control techniques. Vast majority of the works concentrate mostly on control; yet, design and communication are also points of interest. In this research, a stationary, four-rotor air vehicle with limited/controlled degree of freedom is designed and constructed so that various control algorithms and their changing effects with varying vehicle dynamics can be studied on the ground in consideration with the safety purposes. Ascending/descending, pitch/yaw/roll motions can be limited/controlled by setting the vehicle’s degree of freedom mechanically, resulting a better net observability of the control algorithms on the vehicle’s dynamic performance. Mechanic, mechatronic and software are the main concerns of the design. Also a stable software has been aimed to achieve. Objective of the mechanic design is to decouple different axes of the vehicle so that control algorithm effects can be observed. The mechatronic design searches for the best combination of the system control components, electric connections and electronic circuits, feedback systems and the microcontroller. Matlab&Simulink is the prefered software due to its user-friendly interface, powerful process library and easy integration with the hardware. In this research process, 3 main developments are achieved in order to optimize the mechanic, mechatronic and software designs to fulfill the main goal of the thesis. In this thesis; design, in terms of mechanics, mechatronics and software will be explained and the usability of the system will be presented. In addition, the experiments with their results of various control algorithms for varying degree of freedom will be presented and explained along with the improvements and their purposes.