Quadrotor dinamik modelinin ve kontrolcüsünün freertos işletim sistemi ile Raspberry Pi üzerinde gerçeklenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında bir Quadrotor'un matematiksel modellenmesi ve irtifa kontrolü Matlab ortamında yapılmış, benzetim C programı olarak çalıştırılmıştır. C programına dönüştürülen benzetim, Raspberry Pi geliştirici kartları üzerinde FreeRTOS işletim sistemi içerisinde yüksek önceliğe sahip bir görev olarak çalıştırılmıştır. Çalışma kapsamında Quadrotor aracı, matematiksel olarak modellenmiş ve sistem denklemleri için tüm kuvvet ve tork eşitlikleri türetilmiştir. Gerçeklenen benzetim senaryosu için varsayımlar tanımlanmış ve model ilk olarak sadeleştirilmiştir. Klasik bir PD kontrol stratejisi ile aracın irtifa kontrolü yapılmıştır. Kontrolcünün çalışması farklı referans seviyeleri ile test edilmiş ve çıktılar yorumlanmıştır. Matlabda gerçeklenen senaryo, C dili ile ayrı bir program olarak gerçeklenmiştir. Gerçek zamanlı işletim sistemine geçmeden önce, benzetim, C programlama dili ile dış kütüphane bağımlılığı olmaksızın gerçeklenmiştir. Buı sayede, C dili ile geliştirilmiş programları çalıştırabilen her donanım üzerine bu benzetim taşınabilir hale gelmiştir. Gerçek zamanlı işletim sistemi alternatifleri kullanılacak geliştirme kartları göz önünde bulundurularak deperlendirilmiştir. Raspberry kartlarından, Pi Zero ve Pi 4 isimli iki adet geliştirme kartı kullanılmıştır. Gerçek zamanlı işletim sistemi olarak FreeRTOS kullanılmaya karar verilmiştir. Resmi olarak Raspberry Pi için FreeRTOS desteklenmese bile, aynı işlemci ailesinden bir işlemciye sahip başka kartlarda çalışabildiğinden, düzgün taşıma işlemi yapıldıntan sonra her iki kart üzerinde de çalıştırılmıştır. Benzetim programı için, iki farklı benzetim sistem tasarımı önerilmiştir. İlk tasarım, tüm benzetim programını sadece Pi Zero kartı üzerinde çalıştıracak ve sonuçları analiz bilgisayarına gönderecek tek kartlı bir tasarımdır. Bu tasarım için, benzetim çıktıları, Matlab benzetimi ile aynı çıktıları üretmiştir. Zamanlama analizinde, tek kartlı tasarım önerisinin kabul edilebilir bir hızda çalıştığı gözlemlenmiştir. Gerçek quadrotor için Pi Zero kartı, FreeRTOS ile birlikte kullanıma uygun olduğu görülmüştür. İkinci tasarım, benzetim programını iki ana döngüye bölerek, iki farklı kart üzerinde gerçekler. Benzetim senaryosunda model dinamikleri Pi Zero üzerinde, kontrolcü ise Pi 4 üzerinde gerçeklenmiş ve iki kart arası haberleşme seriport bağlantı kanalı ile gerçeklenmiştir. Benzetim sonuçları, ilk tasarım ve model ile birebir aynı olsa da, zamanlama incelendiğinde ikinci tasarımın çok kötü performans sergilediği gözlemlemiştir. Tasarımdaki problem incelendiğinde, sorunun kaynağı seriport olarak belirlenmiştir. Kartlar yoğun veri transferi olduğundan, bu haliyle seriportu direkt olarak kullanmak, beklenenin altında sonuç vermiştir. Gerçek quadrotor gerçeklemesinde, iki kartlı tasarımın kullanılması önerilmemektedir.