Modeling And Control Of Quadrotor Unmanned Aerial Vtol Vehicle

Abstract

Bu tezde insansız hava araçları çeşitlerinden biri olan quadrotor (dört rotorlu) hava aracının modellemesi ve kontrolü üzerine çalışılmıştır. Öncelikle, şimdiye kadar yapılan önemli çalışmaların tarihsel gelişimi araştırılmış ve sonra günümüzde yapılan akademik araştırmalar anlatılmıştır. Quadrotor hava aracının matematiksel modeli Newton-Euler denklemleri kullanılarak elde edilmiştir. Durum ve yükseklik kontrolü için PID, Lyapunov tabanlı ve geri adımlamalı olmak üzere üç farklı kontrolör tasarlanmıştır. Uygun donanımlar (pervane, motor, esc, lipo pil, mikrodenetleyici, sensörler ve radyo verici alıcısı) kullanılarak bir gövde iskeleti üzerine quadrotor hava aracı tasarlanmıştır. Seçilen gövde iskeleti ile ilgili ve yapılan çalışmalar hakkındaki bilgiler detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Donanımların teknik verileri ve elektriksel devreler ile program algoritması ile ilgili bilgiler ayrıntılı şekilde verilmiştir. Kontrolörleri quadrotor üzerinde güvenli bir şekilde test edebilmek için üç farklı test düzeneği kurulmuştur. Birinci test düzeneğinde sistemin yunuslama yada yalpalama açıları üzerindeki kontrolü test edilmiştir. Ikinci test düzeneğinde sistemin durum kontrolü test edilmiştir. Bu düzenekte quadrotor üzerinde yükseklik kontrolüne izin verilmemiştir. Üçüncü test düzeneğinde durum kontrolünün yanında irtifa kontrolü de test edilmiştir. Sonuç olarak PID, Lyapunov tabanlı ve geri adımlamalı kontrolcüler tasarlanan test düzeneklerinde test edilmiştir ve performansları karşılaştırılmıştır. Kontrolörlerin durum ve irtifa kontrolü üzerindeki test sonuçları ayrıntılı şekilde verilmiştir.

The subject has been studied on modelling and control of quadrotor (four rotors), a type of unmanned aerial vehicles, in this thesis. Firstly, historical development of important studies are searched and then academical studies done so far about aerial vehicles are explained. A mathematical model of quadrotor aerial vehicle acquired by using Newton-Euler equations. Three different controllers are designed to supply attitude and altitude control including PID, Lyapunov stability based, and back stepping. Quadrotor aerial vehicle is designed with selecting suitable equipments (propeller, motor, esc, lipo battery, microcontroller, sensors, and radio transmitter and receiver) on the body frame. Studies and information about selected body frame and equipments are explained in detailed. Technical datasheets about equipments and also the information about algorithm of programming of microcontroller and electrical circuits on quadrotor are given in detailed. Three different test benches has been setup to test controllers on quadrotor safely. The system’s control of pitch or roll angle was tested on the first test bench. The system’s attitude control was tested on the second test bench. The altitude control on quadrotor was not allowed by this test bench. On third test bench, altitude control was tested besides attitude control. Consequently, three different controllers as PID, Lyapunov based, and back stepping were tested and their performances were compared on the designed test benches. Tests results of the controllers on the attitude and altitude control are given in detailed.