Dört Rotorlu Hava Aracının (Quadrotor) Durum Kontrolü İçin Donanımlı Simülatör Düzeneği Kurulması

Transkript

1 Dört Rotorlu Hava Aracının (Quadrotor) Durum Kontrolü İçin Donanımlı Simülatör Düzeneği Kurulması M.Kemal Bayrakçeken, Aydemir Arısoy Elektronik Mühendisliği Bölümü, Hava Harp Okulu, Yeşilyurt İstanbul {k.bayrakceken, Özetçe Bu bildiride 4 rotorlu bir mini İHA (İnsansız Hava Aracı) olan Quadrotor için dspace ds1103 tabanlı bir donanımlı simülatör (HIL Hardware In The Loop) test platformu anlatılmaktadır. Platformun tasarlanması ve üretilmesindeki temel amaç farklı kontrol algoritmalarının denenmesi ve geliştirilmesi, kontrol parametrelerinin gerçek zamanlı olarak iyileştirilmesi, tüm verilerin işlenmek üzere görüntülenmesi ve kaydedilmesidir. Platform 6 serbestlik dereceli (6DOF Degree Of Freedom) Ataletsel Ölçüm Birimi (IMU Inertial Measuremet Unit) içermektedir. Elektriksel ve fonksiyonel yapı, mekanik elemanlar, kullanılan malzeme çeşitleri, fırçasız motorlar, sürücü birimleri ve diğer sistem bileşenleri deneysel çalışmalarda kazanılan tecrübelerle birlikte detaylı olarak anlatılmıştır. Durum kontrolü hassasiyeti yalpa (roll) ve yunuslamada (pitch) ±15 derece, sapmada 720 derecedir. Literatürde pek çok yazar tarafından kullanılan dinamik model ve onun basitleştirilmiş gösteriminden faydalanılmıştır. PD (Proportional Derivative) durum kontrol algoritması ile alınmış deneysel sonuçlar ve video bağlantıları da bildiriye eklenmiştir. 1. Giriş Son zamanlarda İHA lar (İnsansız Hava Araçları), dağlık ve ormanlık alanlarda keşif faaliyetleri, yangınlar, meteorolojik araştırmalar, tarımsal ilaçlama, veri iletişimi, askeri amaçlı keşif ve gözetleme gibi pek çok farklı alanda kullanılır olmuştur. Elektronik ve bilgisayar teknolojisindeki hızlı gelişmeler İHA ların da paralel olarak gelişmesini hızlandırmıştır. Mikro İHA lar yerde şartlar ne olursa olsun görev yapabilmektedirler. Özellikle doğal koşullar nedeni ile ulaşılamayan ve insan hayatı için tehlikeli olabilecek bölgeler İHA ların kullanım sebeplerini arttırmaktadır. Bu özelikleri ile İHA ların görev maliyeti pilotlu sistemlere göre oldukça ekonomik olmaktadır [1]. Tüm bunlara ek olarak sensör teknolojisindeki gelişmeler, veri işleme hızındaki artış, eyleyicilerin boyut ve ağırlıklarının giderek küçülmesi ve enerji depolamada katedilen mesafe mini boyutlarda İHA yapılmasını mümkün kılmıştır. Yüksek bant genişliğine sahip fırçasız motorlar ve sürücülerin, MEMS (Micro Electromechanical Systems) teknolojisine sahip IMU ların ve oldukça yüksek enerji-ağırlık oranına sahip Li-Po (Lityum Polimer) bataryaların bolca ve ucuz olarak temin edilebilmesi ile İHA lar kolayca tasarlanmakta ve üretilebilmektedir. Ancak işin kontrol kısmı halen çalışmaların yoğun olarak devam ettiği güncel bir çalışma alanıdır [2, 3]. Helikopterlerin önemli bir dezavantajı uçuş ve bakım maliyetlerinin yüksek olmasıdır. İnsansız helikopterler için de durum aynıdır. Mekanik yapının basitleştirilmesi ile bu dezavantaj önemli ölçüde ortadan kaldırılabilir. Quadrotor tipindeki rotorlu hava araçları bu noktada klasik helikoper mimarisine iyi bit alternatif oluştururlar. Pahalı helikopter parçalarının yerini sadece hızları kontrol edilen motorlar almıştır. Böylesine avantajlı bir yapının etkin görev yapabilmesi de başarılı bir kontrol yöntemi ile mümkün olacaktır. Bu sayede dinamik performans ve manevra kabiliyeti en üst seviyede gerçekleştirilebilecek ve rotorlu mimariler sadece maliyet yönüyle değil, görev etkinliği yönüyle de helikopterlere rakip olabilecektir [4]. Kanatlı uçak kontrolünde olduğu gibi rotorlu hava araçlarında da temel durum kontrol değişkenleri yalpa, yunuslama ve sapma, pozisyon kontrol değişkenleri de x, y ve z olmaktadır. Burada temel fark quadrotorun hareketli parçalarının olmaması ve pervanelerin tek yönde itki üretmesi nedeni ile durum ve pozisyon kontrol değişkenlerinin birbirlerine oldukça bağlı olmasıdır. Bu durum değişkenlerin bağımsız kontrol edilebildiği bir yapının kurulamamasını ve her yönden başarılı bir kontrol metodunun zorluğunu netice vermektedir [5]. Quadrotor dinamikleri [6-10] helikopter dinamiklerinin bir benzeridir ve rotorlu hava araçlarının tipik özelliklerini taşır. Bu özellikler, eksik tahrikli mekanizmalar, bağımlı değişkenler, çok girişli ve çok çıkışlı yapılar ve bilinemeyen lineer olmayan durumlardır. Quadrotor hareketi birbirinden bağımsız olarak dönen 4 rotorun ürettiği itki kuvveti ve momentle sağlanır. Kontrol sistem tasarımı helikopterinkine oldukça benzerdir ancak daha basit bir yapıda gerçekleştirilir. Bu yapı farklı kontrol tekniklerinin uygulanması için oldukça müsait bir ortam oluşturur. Literatürde bu alandaki yayın zenginliği bu durumu net bir şekilde ortaya koymaktadır [5]. Eksik tahrikli ve yüksek serbestlik dereceli robotik bir sistemin gerçeğine olabildiğince yakın deneysel bir modelinin gerçeklenmesi amacı ile bir donanımlı simülatör tasarlanmıştır. Donanımlı simülatörler hem endüstri hem de eğitim amaçlı kullanımda sağladıkları avantajlara bağlı olarak uçak ve füze sistemleri, otomotiv sektörü, robotik ve mekatronik uygulamalarda yaygın olarak görülmektedir. Bu sistemlerin ortak özelliği hareket kontrol mekanizmalarının simülasyon işlevine dahil edilmeleridir [11]. Donanımlı simülatörler, sistem parametrelerinin gerçek zamanlı olarak hesaplanması ve ince ayar yapılması, MATLAB Simülink gibi endüstri standardı olmuş pratik yazılımların kullanılması, gerçek donanımların ve mekanik yapıların geliştirme prosesinde kullanılması, yazılımsal simülatörlere göre çok daha gerçeğe yakın deneysel ortamlarda çalışma yapılması gibi hem 659

2 zamandan hem de maliyetten tasarruf imkânı sağlayan özelliklere sahiptir. Bu çalışmanın en önemli özelliği quadrotor uygulaması için hassas dinamik modelleme ve kontrol yöntemi geliştirilmesini amaçlayan esnek kullanıma sahip bir test platformu üretilmesidir. Quadrotor gibi olduğu yerden iniş kalkış yapabilen ve literatürde VTOL (Vertical Take-Off and Land) diye adlandırılan sistemler için bu yapının arzu edilen parametre hesaplama ve iyileştirme işlevini kolayca ve gerçek zamanlı olarak yerine getirdiği gösterilmiştir [11]. Bildiri beş bölümden oluşmaktadır. İkinci kısımda quadrotor dinamikleri kısaca incelenmiştir. Üçüncü kısımda donanımlı simülatör düzeneği detaylı bir şekilde anlatılmış ve geliştirme safhalarında kazanılan tecrübeler aktarılmıştır. Dördüncü kısımda kullanılan kontrol metoduna değinilmiştir. Beşinci kısımda tartışmaya yer verilmiş ve son olarak altıncı kısım deneysel sonuçlara ayrılmıştır. 2. Dinamik Modelleme Bu bildiride anlatılan donanımlı simülatör düzeneği yalpa ve yunuslama açılarında ±15 derece, sapma açısında 720 derecelik serbestiyete sahiptir. Bu yapı literatürde pek çok yazar tarafından kullanılan dinamik denklem setlerinde önemli ölçüde sadeleşme yapmaya imkân vermektedir. Burada sadece konu ile doğrudan ilgili temel denklemlere yer verilmiştir. Temel quadrotor hareketlerinin sadece 4 motor hızları değiştirilerek nasıl gerçekleştirildiği şu şekilde anlatılabilir. Toplam kaldırma kuvveti 4 motor tarafından üretilen itkilerin toplamıdır. Yalpa hareketi karşılıklı motor çiftlerinden bir tanesinin hızı arttırılarak, diğerininki ise düşürülerek gerçekleştirilir. Quadrotor yapısı simetrik olduğundan yunuslama hareketi de yine yalpa hareketinde olduğu gibi diğer karşılıklı motor çiftlerinden bir tanesinin hızı arttırılarak, diğerininki ise düşürülerek gerçekleştirilir. En farklı tip manevra ise sapma hareketinde gerçekleştirilir. Burada amaç yalpa ve yunuslama açılarında herhangi bir değişiklik oluşturmadan sapma hareketini gerçekleştirmektir. Motorların toplam itki kuvveti sabit tutularak karşılıklı motor çiftlerinden bulunmaksızın Newton-Euler denklemlerini türetmek hem gereksiz hem de oldukça zor bir uğraş olacaktır. Aşağıda matematiksel modeli basitleştirmek için literatürde yaygın olarak kullanılan bazı varsayımlar verilmiştir: Karbon fiber malzemeden yapılmış olan gövde esnek değildir ve tam simetriktir. Ataletsel moment matrisi köşegendir. Karkas yapının orta noktası ile ağırlık merkezi çakışmaktadır. Yapının pozisyonu sabittir, xy düzleminde hareket yoktur. Bu nedenle de aerodinamik etkiler ihmal edilmiştir. Pervane kanadı çırpıntısı (blade flapping) ve sürtünme modellenmemiştir. Motorların ürettiği itki kuvveti açısal hızların karesi ile doğru orantılıdır. Yer etkisi ihmal edilmiştir. Pervanelerin yerden yeterli miktarda uzak olduğu varsayılmıştır. Yalpa ve yunuslama açılarının küçük değerlerle (<15 derece) sınırlı kaldığı kabul edilmiştir. Quadrotor için gövde ve yer eksenlerinde tanımlanmış tipik koordinat düzlemi Şekil. 2 de gösterilmiştir. Yukarıda verilen ihmal ve varsayımlardan sonara basitleştirilmiş dinamik denklemler (1-3) aşağıdaki gibi olmuştur: Burada Ω biri hızlandırılırken diğeri yavaşlatılır. Böylece toplam Gövde momentleri I I XX, YY ve I ZZ ile gösterilmiştir. 1,2,3,4 (1) (2) (3) motor hızları, b ve d itki katsayılarıdır. Toplam dikey itki U, yalpa momenti U, yunuslama moment farklılaştığından quadrotor kendi etrafında döner ve sapma hareketi gerçekleştirilmiş olur. 1 2 Quadrotor dinamikleri bir cismin uzaydaki altı serbestlik dereceli hareketi olarak düşünülür. Ancak test platformuna bakıldığında sadece üç serbestlik derecesi bulunmaktadır. Burada var olan serbestlik açıları yalpa, yunuslama ve sapma, olmayanlar ise x, y ve z eksenleridir. Gövde üzerine etkiyen kuvvetler toplam dört motor tarafından üretilen itki kuvveti ve diğer aerodinamik etkilerdir. Fiziksel yapı göründüğünden daha karmaşık olmakla beraber, bazı varsayım ve ihmallerde momentiu 3, sapma momenti U 4 ve bozucu kuvvet Ω aşağıdaki denklemlerde (4-8) verilmiştir. 660

3 Maxon EC-Max Fırçasız Motor (4X) PWM Hall Sensör Maxon Motor Sürücü (4X) RS-232 PC 0-5V Analog FDDI Microstrain IMU R S DAC DS1103 Arayüz Özel Arayüz DS1103 Harici Arayüz Şekil 1: Quadrotor HIL Düzeneği Elektrik Mimarisi θ CCW l φ CCW ψ Z CW Şekil 2: Quadrotor Koordinat Sistemi 3. Donanımlı Simülatör Düzeneği (4) (5) (6) (7) (8) Donanımlı simülatörün bilgisayar benzetiminden farkı gerçek donanıma sahip olması ve yazılım kısıtlarından arınmış olmasıdır. Hızlı bilgisayar mimarileri sayesinde en karmaşık mimariler bile gerçek zamanlı olarak orijinali ile birebir gerçeklenebilmektedir [11].. Şekil 3: Quadrotor HIL Düzeneği Quadrotor HIL düzeneğine ait elektriksel mimari Şekil.1 de, son görünüm ise Şekil.3 te verilmiştir. Yapının temel işlem birimi gerçek zamanlı geliştirme ortamı olan dspace 1103 tür. Fırçasız motorlar ve sürücüler Maxon markalıdır. Gelişmiş ataletsel navigasyon ünitesi ise Microstrain 3DM-GX3-25 olarak seçilmiştir. Şekil.4 te HIL düzeneğinin fonksiyonel mimarisi özetlenmiştir. Simulink ortamında oluşturulmuş olan kontrol algoritması ds1103 platformunda gerçek zamanlı olarak koşmaktadır. 6 serbestlik dereceli IMU ds1103 ünitesi ile RS- 232 veri yolu üzerinden haberleşmektedir. 661

4 Gömülü Yazılımların Koşturulması Simülasyon Durum Değişikliği Analog ve Dijital I/O ve Arayüzü DS1103 Modülleri Gömülü Yazılımı Yükle Simülasyon Parametrelerini Değiştir Simülasyon Komutları Gönder Gerçek Zamanlı Veri Gönder Simülasyon Durum Bilgisi Gönder PC Simulink Model Tasarımı Gömülü Yazılımı Derleme Veri Görüntüleme ve Kayıt Parametreleri Değiştirme Maxon Motor Sürücü Ayarı Navigasyon Bilgisi Gönder 3 eksen (φ, θ, ψ) Geri Besleme Motor Hız Kontrol Çıktısı (0-5V Analog) Maxon RS-232 Arayüz Maxon Motor Ayarla Çalışma Modu Seç Maxon Motor Motor Sürücü Veri Görüntüleme 6 DOF IMU Şekil 4: Quadrotor HIL Düzeneği Fonksiyonel Diyagramı 4. Kontrol Algoritması Klasik PD kontrol yaklaşımı uygulanmıştır. 2 nci kısımda anlatıldığı gibi cayroskopik terimler ihmal edilmiştir ve motor itki kuvvetleri doğrudan kontrol girdileri olarak kullanılmıştır. Yalpa ve yunuslama açılarının küçük olarak kabul edilmesi, düzeneğin sabitlenmiş olması ve deneylerin sadece havada asılı kalma amacı taşıması, kabullerin ve varsayımların altını doldurmaktadır. Kontrolör denklemleri aşağıdaki gibidir (9-12): 5. Tartışma (9) (10) (11) (12) Bu çalışmada, önerilen PD kontrolörün HIL düzeneği ile gerçek zamanlı olarak başarı ile test edilebildiği gösterilmiştir. HIL sistemlerinin son zamanlarda oldukça popüler olmasının nedeni HIL ortamında geliştirilen yazılımların doğrudan gömülü sistemlere aktarılabilmesidir. HIL ortamı yazılım ve donanımın kritik bileşenlerini içerir. Yapının temel amacı quadrotor için farklı durum kontrol algoritmalarının değişik giriş sinyalleri ile gerçek zamanlı olarak test edilmesidir. Bu yaklaşım ile sonuca doğru ve hızlı bir şekilde ulaşılabildiği gözlenmiştir. Gelecekte benzer HIL mimarisi kullanılarak 6, 8 veya daha fazla motorlu mini ve mikro boyutlarda VTOL konfigürasyonların, döner rotorlu özgün tasarımların geliştirme ve testlerinin yapılabileceği değerlendirilmektedir. 6. Sonuçlar Sistemin çalışma anındaki videoları aşağıdaki bağlantılardan izlenebilir Kaynakça [1] J. Kim, MS. Kang, S. Park, Accurate Modeling and Robust Hovering Control of a Quadrotor VTOL Aircraft, Journal Of Intelligent & Robotic Systems, vol. 57, pp. 9-26, Jan [2] I.C. Dikmen, A. Arisoy, H. Temeltas, Attitude control of a Quadrotor, in Proc. Recent Advances in Space Technologies, RAST '09. Istanbul-Turkey, pp , June [3] G. Homan,.H. Huang, C.J. Tomlin, S.L. Waslander, Quadrotor Helicopter Flight Dynamics and Control: Theory and Experiment, In Proc. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, Hilton Head, SC, August [4] P. Pounds, R. Mahony, P. Corke, Modelling and Control of a Large Quadrotor Robot, Original Research Article Control Engineering Practice, vol. 18, pp , July [5] A. Das, F. Lewis, K. Subbarao, Backstepping Approach for Controlling a Quadrotor Using Lagrange Form Dynamics Journal Of Intelligent & Robotic Systems, vol. 56, pp , Sep [6] P. Castillo,R. Lozano,A. Dzul, Modelling and Control of Mini Flying Machines. Springer, Berlin [7] S. Bouabdallah, A. Noth, R. Siegwart, PID Vs LQ Control Techniques Applied To An Weight Augmentation High Energy Consumption Indoor Micro Quadrotor, in Proc EEE lrs, Internationel Conference on Intelligent Robots and Systems, Sendal, Japan

5 [8] T. Madani,A. Benallegue, Backstepping Control For A Quadrotor Helicopter, in Proc IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Beijing, China [9] A. Mokhtari, A. Benallegue, Y. Orlov, Exact Linearization And Sliding Mode Observer For A Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle, International Journal of Robotics and Automation. vol. 21, pp.39 49, [10] A. Mokhtari, A. Benallegue, B. Daachi, Robust feedback linearization and GH controller for a quadrotor unmanned aerial vehicle, Journal of Electrical Engineering, vol. 57, pp , [11] M.K. Bayrakceken, A. Arisoy, M. Ilarslan, A. Karamancioglu, HILSim For Attitude Control of a Quadrotor, in Proc. UVW 2010 Unmanned Vehicles Workshop, Istanbul, Turkey