DİKEY İNİŞ-KALKIŞ YAPABİLEN DÖRT ROTORLU HAVA ARACININ(QUADROTOR) UÇUŞ KONTROLÜ



Benzer belgeler
1. Giriş. 2. Dört Rotorlu Hava Aracı Dinamiği 3. Kontrolör Tasarımı 4. Deneyler ve Sonuçları. 5. Sonuç

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

Döner Kanat İnsansız Hava Aracının Dinamik Modellenmesi ve Benzetimi

Dört Rotorlu İnsansız Hava Aracı için Kayan Kipli Kontrolcü Tasarlanması Design of a Sliding Mode Controller for Quadcopter

Dikey İniş Kalkış Yapabilen Sabit Kanatlı İnsansız Hava Aracı Çalışmaları

G( q ) yer çekimi matrisi;

Döner-Kanat Mekanizmasına Sahip Yeni Bir İnsansız Hava Aracının (SUAVİ) Modellenmesi ve Kontrolü

DÖRT ROTORLU BİR İNSANSIZ HAVA ARACININ GERİ- ADIMLAMA YÖNTEMİ İLE YOL TAKİBİ KONTROLÜ

Mikro İHA nın Gerçek Zamanlı Yörünge Kontrolü

DÖRT ROTORLU HAVA ARACI İÇİN GERÇEK ZAMANDA YAPAY SİNİR AĞLARI İLE KONTROLÖR TASARIMI

Döngüde Donanımsal Benzetim Test Platformu Kullanarak Otopilot Tasarımı. Autopilot Design Using Hardware-in-the-Loop Test Platform

YTÜ Makine Mühendisliği Bölümü Mekanik Anabilim Dalı Genel Laboratuvar Dersi Eğilme Deneyi Çalışma Notu

Sabit Kanatlı İHA için Çevik Kontrolcü Tasarımı ve Uçuş Denemeleri Controller Design for Agile Maneuvering Fixed-Wing UAV and Flight Tests

IX. ULUSAL UÇAK, HAVACILIK VE UZAY MÜHENDİSLİĞİ KURULTAYI BİLDİRİLER KİTABI

Gökhan Göl 2. MULTİKOPTER SİSTEMLERİ VE UÇMA PRENSİPLERİ

İTKİLİ MOTORLU UÇAĞIN YATAY UÇUŞ HIZI

Dönerkanat Tipinde Bir İnsansız Hava Aracının Anatomisi

Sponsorlar için detaylı bilgi, ekte sunulan Sponsor Başvuru Dosyası nda yer almaktadır.

HAFİF TİCARİ KAMYONETİN DEVRİLME KONTROLÜNDE FARKLI KONTROLÖR UYGULAMALARI

Kompozit Malzemeler ve Mekaniği. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

1. DÖNEM Kodu Dersin Adı T U K. Matematik II Mathematics II (İng) Fizik I Bilgisayar Programlama I (Java) Computer Programming I (Java) (İng)

DÖRT ROTORLU İNSANSIZ HAVA ARACI İÇİN DENGELEYİCİ OTOPİLOT TASARIMI

YALIN PERVANE VE KANAL İÇİ PERVANE SİSTEMİNİN SAYISAL VE DENEYSEL OLARAK KARŞILAŞTIRILMASI

İNSANSIZ HAVA ARACI PERVANELERİNİN TASARIM, ANALİZ VE TEST YETENEKLERİNİN GELİŞTİRİLMESİ

326 ELEKTRİK MAKİNALARI LABORATUVARI II ÜÇ-FAZ SİNCAP KAFESLİ ASENKRON (İNDÜKSİYON) MOTOR DENEY

Kompozit Malzemeler ve Mekaniği. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri II Dersi

Taarruz Helikopteri Simülatörü için İnsan Faktörleri Değerlendirmeleri

DÖRT ROTORLU BİR İNSANSIZ HAVA ARACININ İRTİFA KESTİRİMİ

Mühendislik Mekaniği Statik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

Mühendislik Mekaniği Dinamik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

Şekil 2: Kanat profili geometrisi

ASİSTAN ARŞ. GÖR. GÜL DAYAN

(Mekanik Sistemlerde PID Kontrol Uygulaması - 3) HAVA KÜTLE AKIŞ SİSTEMLERİNDE PID İLE SICAKLIK KONTROLÜ. DENEY SORUMLUSU Arş.Gör.

BOŞTA HAREKET DOĞRUSALSIZLIĞI BULUNAN, GÖREVE UYUMLU KONTROL YÜZEYLERİNİN ÇIRPMA YÖNÜNDEN İNCELENMESİ

DURUM GERİBESLEMELİ UÇUŞ KONTROL SİSTEM TASARIMI. Emre KIYAK 1, * FLIGHT CONTROL SYSTEM DESIGN WITH STATE FEEDBACK

EEM 452 Sayısal Kontrol Sistemleri /

(Mekanik Sistemlerde PID Kontrol Uygulaması - 1) SÜSPANSİYON SİSTEMLERİNİN PID İLE KONTROLÜ. DENEY SORUMLUSU Arş.Gör. Sertaç SAVAŞ

KONTROL VE OTOMASYON MÜH. BÖLÜMÜ

AERODİNAMİK KUVVETLER

Yetenekler Ve Mühendislik/Danışmanlık Hizmetleri. Ağustos 2014

1. DENEY ADI: Rezonans Deneyi. analitik olarak bulmak denir. Serbestlik Derecesi: Genlik: Periyot: Frekans: Harmonik Hareket:

TORNA TEZGAHINDA KESME KUVVETLERİ ANALİZİ

MAK 308 MAKİNA DİNAMİĞİ Bahar Dr. Nurdan Bilgin

İNSANSIZ BİR HELİKOPTER İÇİN KONTROL EDİLEBİLİRLİK, STATİK VE DİNAMİK KARARLILIK DEĞERLENDİRMESİ

Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri II Dersi

HİBRİT İNSANSIZ HAVA ARACININ YÖNELİM DİNAMİKLERİNİN HİBRİT DENETİMİ

KST Lab. Shake Table Deney Föyü

Dört Rotorlu Döner Kanat İnsansız Hava Aracı Test Düzeneği Geliştirilmesi

Otomatik Kontrol I. Dinamik Sistemlerin Matematik Modellenmesi. Yard.Doç.Dr. Vasfi Emre Ömürlü

YTÜ Makine Mühendisliği Bölümü Mekanik Anabilim Dalı Özel Laboratuvar Dersi Strain Gauge Deneyi Çalışma Notu

LAZER SENSÖRLERLE BİR ROBOTUN DOĞAL FREKANSLARININ VE STATİK ÇÖKMELERİNİN ÖLÇÜMÜ

Arduino Geliştirme Kartı ile Döner Kanatın Kontrolü ve Kontrol Yazılımlarının Geliştirilmesi

MAK 210 SAYISAL ANALİZ

İstatistik ve Olasılık

BAŞKENT ÜNİVERSİTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAK 402 MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ LABORATUVARI DENEY 9B - BURULMA DENEYİ

Dikine İniş Kalkış Yapabilen Dört Rotorlu Hava Aracının (Quadrotor) Uçuş Kontrolü. Mehmet Kemal Bayrakçeken DOKTORA TEZİ

Taşıt Aktif Süspansiyon Sistemlerinin Adaptif Kontrolü

KİNETİK MODEL PARAMETRELERİNİN BELİRLENMESİNDE KULLANILAN OPTİMİZASYON TEKNİKLERİNİN KIYASLANMASI

DÖRT ROTORLU HAVA ARACI İÇİN GERÇEK ZAMANDA BULANIK MANTIKLA KONTROLÖR TASARIMI

UÇAK MÜHENDİSLİĞİ MÜFREDATI

PROJE ADI; ARDUİNO DESTEKLİ QUADCOPTER PROJE SORUMLUSU; PROF. DR. AHMET DEMİR HAZIRLAYANLAR; AHMET EMİN ARGÜL MEHMET

BTÜ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE LABORATUVARI DERSİ

İki Serbestlik Dereceli Dört Rotor Sisteminin Tasarımı, Modellenmesi ve Kontrolü

MAK585 Dinamik Sistemlerin Modellenmesi ve Simülasyonu

BELĐRLĐ BĐR SIKMA KUVVETĐ ETKĐSĐNDE BĐSĐKLET FREN KOLU KUVVET ANALĐZĐNĐN YAPILMASI

Tablo 1 Deney esnasında kullanacağımız numunelere ait elastisite modülleri tablosu

ANAHTARLI RELÜKTANS MOTORUN SAYISAL HIZ KONTROLÜ

Kayma Kipli Kontrol Yöntemi le Dört Rotorlu Hava Aracının Kontrolü

AFYON KOCATEPE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI BAŞKANLIĞI YÜKSEK LİSANS PROGRAMI

Emre KIYAK * ve Gülay İYİBAKANLAR. Geliş Tarihi/Received : , Kabul Tarihi/Accepted :

FLAP TİPİNDEKİ DENETİM YÜZEYLERİ İÇİN ANTAGONİSTİK TİP ŞEKİL BELLEKLİ ALAŞIMLI BİR EYLETİCİ TASARIMI

Sistem Dinamiği ve Simülasyon

MATLAB A GİRİŞ. EE-346 Hafta-1 Dr. Ayşe DEMİRHAN

Rıdvan Özdemir, Mustafa Kaya, Monier Elfarra, Mehmet Önder Efe Türk Hava Kurumu Üniversitesi, Ankara

Uluslararası Yavuz Tüneli

OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİ İŞARET AKIŞ DİYAGRAMLARI SIGNAL FLOW GRAPH

5 serbestlik dereceli robot kolunun modellenmesi ve kontrolü. Modelling and control of 5 dof robotic arm

ÖZGEÇMİŞ. Doktora Tezi: Nonlinear Dynamical State Feedback Design for Tracking and Chaotification. Görev Ünvanı Görev Yeri Yıl

PROSES KONTROL DENEY FÖYÜ

Musa DEMİRCİ. KTO Karatay Üniversitesi. Konya

Şekil 6.1 Basit sarkaç

Dört Rotorlu bir İHA nın Geri Adımlamalı Kontrolcü ile Gerçek Zamanlı Yörünge Kontrolü

YORULMA ANALİZLERİNDE ARAÇ DİNAMİĞİ MODELLERİNİN KULLANIMI

MKT5001 Seminer Programı

Zaman Domeninde Modelleme Transfer Fonksiyonu Durum Uzay Dönüşümü Durum Uzay Transfer Fonksiyonu DönüşümÜ


AFYON KOCATEPE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI BAŞKANLIĞI DOKTORA PROGRAMI

DEÜ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MÜHENDİSLİK BİLİMLERİ DERGİSİ DÖRT ROTORLU UÇAN ROBOT DENGE VE YÖNELİM ANALİZİ İLE UYGULAMASI

POSITION DETERMINATION BY USING IMAGE PROCESSING METHOD IN INVERTED PENDULUM

Burma deneyinin çekme deneyi kadar geniş bir kullanım alanı yoktur ve çekme deneyi kadar standartlaştırılmamış bir deneydir. Uygulamada malzemelerin

T.C. ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ BİLGİSAYAR MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ EĞİTİM ÖĞRETİM YILI DERS KATALOĞU

Kuantum Mekaniğinin Varsayımları

SES-ÜSTÜ KANARD KONTROLLÜ FÜZELER İÇİN SERBEST DÖNEN KUYRUĞUN ŞEKİL OPTİMİZASYONU

Sabit Kanatlı İnsansız Hava Araçları için Döngüde Donanımsal Benzetim Tasarımı ve Gerçeklenme Sonuçları

Otomatik Kontrol. Otomatik kontrol sistemleri ve sınıflandırılması

Ders Adı Kodu Yarıyılı T+U Saati Ulusal Kredisi AKTS. Process Control EEE

Yapı Sistemlerinin Hesabı İçin. Matris Metotları. Prof.Dr. Engin ORAKDÖĞEN Doç.Dr. Ercan YÜKSEL Bahar Yarıyılı

ANADOLU ÜNİVERSİTESİ HAVACILIK VE UZAY BİLİMLERİ FAKÜLTESİ. Prof. Dr. Mustafa Cavcar 8 Mayıs 2013

Güçlendirme Alternatiflerinin Doğrusal Olmayan Analitik Yöntemlerle İrdelenmesi

Transkript:

HAVACILIK VE ZAY TEKNOLOJİLERİ DERGİSİ OCAK CİLT 4 SAYI (-4) DİKEY İNİŞ-KALKIŞ YAPABİLEN DÖRT ROTORL HAVA ARACININ(QADROTOR) ÇŞ KONTROLÜ Hv.Plt. Ütğm. İ. Can DİKMEN* HHO Havacılık ve zay Teknolojileri Enstitüsü candikmen@gmail.com Dr.Hv.Müh.Yb. Aydemir ARISOY Hava Harp Okulu Dekanlığı Elektronik Müh. Böl. a.arisoy@hho.edu.tr Hakan TEMELTAŞ İstanbul Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Fakültesi temeltas@elk.itu.edu.tr Geliş Tarihi: 5 Ağustos 9, Kabul Tarihi: 8 Ocak ÖZET Bu çalışmada quadrotorun durumsal ve hover kontrolleri üzerinde durulmuştur. Klasik PD kontrol, ters dinamik kontrol, geri adımlamalı kontrol ve kayma kipli kontrol teknikleri doğrusal olmayan sistem için benzetim çalışmasında matematiksel modeline; deneysel çalışmada ise quadrotor platformuna uygulanmıştır. Bahsi geçen kontrol teknikleri bilgisayarlı benzetim ortamında quadrotorun durum kontrolüne; önceden belirlenen hedefler doğrultusunda uygulanmış ve sonuçları karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Quadrotor; Dayanıklı Kontrol; PD; Geri Adımlamalı Kontrol; Kayma Kipli Kontrol; Ters Dinamik Kontrol. FLIGHT CONTROL OF A VTOL AIR VEHICLE (QADROTOR) ABSTRACT This study includes altitude stabilization, hovering control and attitude control of quadrotor. Classically PD controller derived and applied to this system. Inverse dynamic control, feedback linearization control and sliding mode control methods have used to derive as nonlinear controllers. Linear and nonlinear control techniques applied to mathematical model as simulation and applied to quadrotor platform for experimental results. Derived control methods have been performed using computer simulations and compared the results according to this study objectives. Keywords: Quadrotor; Robust Control; PD; Back Stepping; Sliding Mode; Inverse Dynamic Control.. GİRİŞ Günümüzde otonom insansız hava araçları (İHA) ticari, askeri ve akademik platformlarda artan bir popülerliğe sahiptir. Askeri uygulamalar insansız hava araçları pazarında en büyük payı oluşturmakta ve giderek büyüyen bir endüstri yaratmaktadır. Quadrotorlar yapısal basitlikleri ve fakat kontrol güçlüklerine karşın en büyük ilgiyi görmektedir. Daha önce benzetim olarak veya gerçek sistem üzerinde çeşitli kontrol teknikleri çalışılmıştır [-5]. Bu çalışmada quadrotorun matematiksel modeli benzetim ve kontrol uygulamaları için ele alınmıştır. Sonuç olarak bu makalede dört farklı kontrol tekniği çalışılmış ve çalışmanın hedefleri doğrultusunda kıyaslanmıştır. Geliştirilen tasarımıyla quadrotorun ve deney setinin imalatı ve işlerliği sağlanmıştır. Bu çalışmada lineer olmayan, quadrotorun açısal durum sisteminin kontrolüne yönelik olarak PD kontrol, ters dinamik kontrol, geri adımlamalı kontrol ve kayma kipli kontrol yöntemleri uygulanmıştır. Bahsi geçen kontrol yöntemleri bilgisayar benzetimi kullanılarak test edilmiş ve ana amaçlar doğrultusunda kıyaslanmıştır. Takip eden bölümde quadrotorun matematiksel modelinin incelenmesi ele alınmıştır. Üçüncü bölümde; kontrol yöntemlerinin kısaca matematiksel anlatımı ve modele nasıl uygulanacağı üzerinde durulmuştur. Dördüncü bölümde; üçüncü bölümde *Sorumlu Yazar

değinilen kontrol yöntemlerinin benzetim sonuçları sergilenmiştir. Beşinci bölümde ise deney setinin kısaca tanıtımına yer verilmiş ve altıncı bölümde ise imal edilen bu deney seti ve quadrotorun deneysel sonuçları sunulmuştur. Yedinci bölümde elde edilen benzetim ve deney sonuçlarına değinilmiştir.. QADROTORN DİNAMİĞİ. Modelleme Dizaynı itibariyle quadrotorun kontrolu pervanelerinin dönülerinin birbirinden bağımsız olarak değiştirilmesiyle sağlanır [-7]. V V τ 4 τ 4 l τ τ m Ψ Şekil. Quadrotor. Pervane dönülerini değiştirerek sistemde torklar ve momentler oluşturulur. V i ; i nci pervanenin dönüş hızı τ i ise itkisi olsun. Böylece sisteme etki eden toplam itki ifadesi: =τ +τ +τ +τ 4 () ve 4 numaralı pervanelerin dönüsü değiştirilerek sistemde yalpa momenti oluşturulur. =l(τ 4 τ ) τ 4 () ve numaralı pervanelerin dönüsü değiştirilerek de yunuslama momenti elde edilir. =l(τ τ ) τ 4 () Ve tek yada çift numaralı pervanelerin dönü değişimiyle de sapma momenti elde edilir. 4 =(τ τ + τ τ 4 ) (4) İtki dönünün karesi ile doğru orantılı olduğundan itki bağıntısı şu şekilde yazılabilir [5]. Ti = bω i (b,d: sabit) Di = dωi Φ V V (5) (6) Böylece sisteme etki eden momentler; = l( Ω4 - Ω) = l( Ω - Ω) = ( Ω - Ω + Ω - Ω4) Ω =Ω Ω +Ω Ω r 4 olarak yazılır.,, kontrol işaretleridir. (7) (8) (9) () Dinamik model Euler-Lagrange yaklaşımı ile aşağıdaki varsayımlar doğrultusunda oluşturulmuştur [5], [6], [7]: Yapı katıdır (rigid). Yapı simetriktir. Kütle merkezi ile gövde merkezi aynı eksendedir. Pervaneler katıdır (rigid). İtki ve sürükleme dönünün karesiyle doğru orantılıdır. Lagrangian ın türevlenmiş hareket denklemini yazarsak: d L L L = T V, Γ i = dt q& i qi () burada q& i genelleştirilmiş koordinatlar ve Γi genelleştirilmiş kuvvetlerdir. Buradan haraket denklemi şu hali alır; I && xx = & ψ& ( Iyy - Izz ) + J & RΩ r + () I && yy = & ψ& ( Izz - Ixx ) + J & RΩ r + () I && ψ = && ( I - I ) + (4) zz xx yy Bu denklemlerde görülen sembollerin tanımları Tablo de gösterildiği gibidir. Tablo. Matematiksel modelde kullanılan sembollerin tanımları. Sembol Tanım Φ yalpa açısı yunuslama açısı Ψ sapma açısı τ itki Ω pervane dönüsü Ω r dönüsel dengesizlik m kütle L kol uzunluğu b,d itki, sürükleme sabiti. KONTROL Bu bölümde quadrotorun açısal alt sisteme uygulanan kontrol yöntemleri ele alınacaktır. Bunlar aşağıda sırayla değinileceği üzere, PD kontrol, ters dinamik kontrol, geri adımlamalı kontrol and kayma kipli kontroldür. Burada temel denklemler [7], [8], [9], [] dan alınmıştır. 4

. PD Kontrol PD kontrolünde sistem istenen davranışı vermeye yönlendirilir. Bu da hatanın hesaplanması ve bir katsayı ile çarpılıp giriş işaretine eklenmesiyle sağlanır. b && = b && 4 b ψ && b a + aωr a b a + a4ωr a & b a a ψ& 5 5 & = Cp ( d ) + C (& d d & ) = Cp ( d ) + Cd( & d & ) = C ( ψ ψ) + C ( ψ& ψ& ) Şekil. PD kontrol şeması pψ d dψ d (5) (6) (7). Ters Dinamik Kontrol Bu yöntemde sistem kendi dinamiğinin tersiyle kontrol edilmektedir. Temel fikir sistemin davranışını hesaplayarak istenen çıkışı elde etmek için uygulanacak girişi elde etmektir []. Şekil. Ters dinamik kontrol şeması. Eğer değişkenler yeniden adlandırılır ve hareket denklemleri matris formunda tekrar yazılırsa; && a+ aωr a & b && = a+ a4ω r a & b + ψ a5 a5 ψ && & b 4 Burada katsayılar Tablo deki gibidir. Tablo. Katsayıların açılımları.. Geri Adımlamalı Kontrol Bu kontrol yöntemi, [] ve [] de de anlatıldığı üzere, sistemi istenen çıkışı verecek şekilde yönlendirir. Birinci adımda hata hesaplanır, z = x x (8) d = (9) ( ) z V z (7) nin zamana gore türevi ( ) V& z = z ( x& x ) () d Takiben sanal bir işaret yaratılır x x& z () = > d +α α ( ) = α V& z z () z = x x& α z () d V ( z, z) = ( z + z) (4) V& ( zz) = z( ax4x6 + ax4ω r + b ) zz αz z (&& x α ( z + α z )) (5) d ( ) V & z z < gerçekleyecek şekilde && x =,, Böylece şu şekilde yazılabilir d a a a a 4 a 5 b b b (I y -I z )/I x -J r /I x (I z -I x )/I y J r /I y (I x -I y )/I z /I x /I y /I z = ( z a x x a x Ω α ( z + α z ) α z (6) 4 6 4 r b ve aynı adımlar izlenerek hesaplanır [], [] = ( z a x x a x Ω α ( z + α z ) α z (7) 6 4 r 4 4 4 b = ( z a x x α ( z + α z ) α z (8) 5 5 4 5 6 b Ω r nin hovera yakın koşullarda sabit olduğu kabul edilerek sistem dinamiğinin tersi aşağıdaki şekilde yazılır;.4 Kayma Kipli Kontrol Kayma kipli kontrol yönteminde Lyapunov kararlılık metodu kullanılarak lineer olmayan sistemin kontrolu sağlanır. Kayma kipli kontrol yaklaşımında daha yüksek dereceden bir sistem birinci mertebeden bir sisteme dönüştürülür. Bu sayede, kolay ve 5

dayanıklı(robust) olan kontrol yöntemi uygulanabilir[4]. Sistemimiz şu şekilde tanımlanabilir x& = x x& = f( x) + g( x) stabil bir manifolda göre koordinat tanımlanırsa s = x + Cx s& = x& + Cx& = f( x) + g( x) + Cx Takiben Lyapunov aday fonsiyonu seçilir V = s ve zamana gore türevi alınır. V& = ss& = s[ f( x) + g( x) + Cx ] Kararlılığı sağlamak için < ( x) for s β > = β ( x) for s = > β ( x) for s < olmalıdır. Burada f ( x) + Cx β ( x) = gx ( ) olarak ifade edilir. Bu da kontrol işareti olarak = β ( x) Ksign( s), K> seçilerek sağlanır. Sistemimize uygulandığında (9) () () () () (4) (5) (6) (7) σ = ( ) S + (& & ) (8) d a & ψ& + a & Ω r + S & β ( x) = b r b d aψ + a Ω + S = & & & & K s ign( σ ) ve aynı adımlar izlenerek hesaplanır a ψ + a Ω + S = & & & & K s ign( σ ) 4 r 4 b a && + S ψ& = K s ign( σ ) b ψ (9) (4) (4) (4) Tablo. PD kontrolörün katsayı optimizasyonunda kullanılan kısıtlar. Gürültüsüz Gürültülü pi/ Zaman(sn) Değer Zaman(sn) Değer phi. 5.7. 5.7 theta. 5.7. 5.7 psi. 5.7. 5.7 Elde edilen değerler: Gürültüsüz; Cp = 5.4765, Cd =.5578 Cp = 7.685, Cd =.478 C = 5.79, C =.48 pψ dψ..4.6.8 Şekil 4. π/ başlangıç değeriyle PD kontrol sonuçları; gürültüsüz. Gauss gürültüsü ile; ortalama=, varyans=. rad. Cp = 5.59, Cd =.557 Cp = 7.4, Cd =.796 C = 5.7, C =.569 pψ pi/ dψ 4. BENZETİM SONÇLARI 4. PD Kontrol Simulink Signal Constraint bloğu kulanılılarak C p and C d sabitleri Tablo deki kısıtlar ile optimize edilmiştir; 4 5 Şekil 5. π/ başlangıç değeriyle PD kontrol sonuçları; gürültülü. 6

4. Ters Dinamik Kontrol Simulink Signal Constraint bloğu kulanılarak C inv,,,4,5,6 sabitleri Tablo 4 deki kısıtlar ile optimize edilmiştir; Tablo 4. Ters dinamik kontrolörün katsayı optimizasyonunda kullanılan kısıtlar. Gürültüsüz Gürültülü Zaman(sn) Değer Zaman(sn) Değer phi. 5.7. 5.7 theta. 5.7. 5.7 psi. 5.7. 5.7 Elde edilen değerler: Gürültüsüz; Cinv =.57, Cinv Cinv =.894, Cinv4 =.59 =.969 C = 7.49, C =.95 inv5 inv6 4. Geri Adımlamalı Kontrol Optimizasyon kısıtları Tablo 5 de verilmiştir. Tablo 5. Geri adımlamalı kontrolörün katsayı optimizasyonunda kullanılan kısıtlar. Gürültüsüz Gürültülü Zaman(sn) Değer Zaman(sn) Değer phi.5 5.7. 5.7 theta.5 5.7. 5.7 psi.5 5.7. 5.7 Gürültüsüz optimize edilmiş katsayılar aşağıdaki gibidir: α = 7.65, α = 5.757 α = 5.4668, α4 = 5.4668 α = 5.645, α = 5.645 pi/ pi/..4.6.8 Şekil 6. π/ başlangıç değeriyle Ters kontrol sonuçları; gürültüsüz. Gauss gürültüsü ile; ortalama=, varyans=. rad. Cinv = 6., Cinv Cinv = 5.867, Cinv4 =.9 =.858 C = 6.79, C =.8 inv5 inv6..4.6.8 pi/ Şekil 8. π/ başlangıç değeriyle Geri Adımlamalı Kontrol sonuçları; gürültüsüz. Gauss gürültüsü ile optimize edilmiş sabitler; ortalama=, varyans=. rad. α = 7.65, α = 5.757 α = 5.4668, α4 = 5.4668 α = 5.645, α = 5.645 pi/ 4 5 Şekil 7. π/ başlangıç değeriyle Ters kontrol sonuçları; gürültülü. 4 5 Şekil 9. π/ başlangıç değeriyle Geri Adımlamalı Kontrol sonuçları; gürültülü. 7

4.4 Kayma Kipli Kontrol Optimizasyon kısıtları Tablo 6 da verilmiştir. Tablo 6. Kayma kipli kontrolörün katsayı optimizasyonunda kullanılan kısıtlar. Gürültüsüz Gürültülü Zaman(sn) Değer Zaman(sn Değer phi. 5.7 ). 5.7 theta. 5.7. 5.7 psi. 5.7. 5.7 Gürültüsüz optimize edilmiş katsayılar aşağıdaki gibidir. S =.695, S S = 5.95, S4 =.6 =.66 S =.744, S =.5 pi/ K =.79 K =.7 K =.888 Şekil. π/ başlangıç değeriyle Kayma Kipli Kontrol sonuçları; gürültüsüz...4.6.8 5. DENEY SETİ Quadrotor olarak isimlendirilen bu hava aracının tasarımı, imalatı ve dikey iniş kalkış sisteminin irtifa kontrolü için oluşturulan deney düzeneğinin imali bu çalışma kapsamındadır. Toplam itki her bir motorun kaldırma gücünün toplamıdır. Bu tasarım yaklaşımı mini insansız hava aracının kararlılığını ve kontrol edilebilirliğini artırmıştır. Bu sıra dışı mini İHA ya üçüncü bölümde anlatımı yapılan kontrol yöntemleri uygulanmış ve laboratuvar ortamında deneysel olarak test edilmiştir. Deney seti DSP tabanlı işlemci, atalet ölçüm ünitesi (IM), fırçasız DC motor ve bu motorlar için elektronik hız kontrolörlerinden meydana gelmektedir. Platformun gövdesi sert karbon fiber çubuklar ile oluşturulmuştur. Şekil de görülen deney setinin yapısı dört karbon fiber çubuğun uçlarının plastik bir malzeme ile yapının ortasından artı şekli oluşturacak şekilde birleştirilmesiyle oluşturulmuştur. Tablo 7 de sistemin toplam ağırlığının belirlenmesi gösterilmiştir. Tablo 7. Platformun ağırlığının belirlenmesi Motorlar ve bataryalar hariç 5 g platformun ağırlığı 4 x motor ve 4 x hız kontrolörü g Bataryalar DSP, IM, CNY7 sensörler ve bütün kablolar Toplam g g g S =.74, S =. S S = 5., S =.686 4 =.567, S =.9976 K =.96 K K =.859 =.56 Gauss gürültüsü ile optimize edilmiş sabitler; ortalama=, varyans=. rad. pi/ 4 5 Şekil. π/ başlangıç değeriyle Kayma Kipli Kontrol sonuçları; gürültülü. Şekil. Quadrotor platformu. 8

IM, altı serbestlik dereceli ölçüm ünitesi platformun konumu ile ilgili üç boyutlu bilgi alabilmek için kullanılmıştır. IM, quadrotor yapısı için geri-besleme olarak üç cayro ve üç ivme ölçer ile yere göre üç açı bilgisi verebilmektedir. TMSF85 DSP tabanlı kontrolör olarak kullanılmıştır. Bu kontrolör quadrotor için kontrol uygulamalarına uygundur. Kontrol uygulamalarının ihtiyaç duyduğu yüksek performans işlemlerine yeterli olacak yetenekte bir işlemcidir. Türetilmiş kontrol yöntemleri TMSF85 kontrolörü kullanılarak sisteme uygulanmıştır. Bu deney setine ek olarak değişen uçuş şartları için motor ve pallerin test edilebileceği kaldırma test düzeneği oluşturulmuştur. Şekil de gösterilen kaldırma test düzeneği dolu bir batarya ile motorların gücünü ölçme imkanı vermektedir. Total Error PD Inverse Backstepping Sliding Mode -.5..4.6.8 Time Şekil 4. π/ rad. başlangış değeriyle hesaplanan toplam hata. 6. Deneysel Sonuçlar Motor hızlarının kontrolü ile sağlanan irtifa kontrol deneyinin sonuçları Şekil 5 de gösterilmiştir. 8 6 Motor Motor Motor Motor 4 MOTOR HIZLARI VE Ω r 4 RPM Şekil. Kaldırma test düzeneği. - Bu test düzeneği fırçasız bir DSP kontrolör, PWM ile sürülen dijital hız kontrol ünitesi ve fırçasız DC motor ile bunlara bağlı, ortasından sabitlenmiş bir manivela ile tartıdan oluşmaktadır. Motorların hız ölçümleri CNY7 algılayıcısı ile sağlanarak DSP marifetiyle RPM e çevrilerek bilgisayar ortamında görüntülenmesi sağlanmıştır. 6. DENEYSEL VE BENZETİM SONÇLARI 6. Benzetim Sonuçları Bu çalışmada benzetim ortamında quadrotor dinamikleri üzerinde farklı kontrol yöntemleri uygulanmıştır. Böylelikle bu kontrol yöntemlerinin avantaj ve dezavantajları gözlemlenmiştir. Sonuç olarak asıl hedef olan H.H.O. (Hava Harp Okulu) kontrol laboratuarı quadrotor projesi için en uygun kontrol yöntemini bulmaya bir adım daha yaklaşılmıştır. Şekil 4 de de görüldüğü gibi kayma kipli kontrol algoritması özellikle yüksek başlangıç değerlerinde ve bozucuların yoğunluğunda diğer algoritmalara göre üstünlük göstermiştir. Sistemin kayma yüzeyine oturduktan sonra dış bozuculara karşı oldukça duyarsız hale geldiği gözlemlenmiştir. 9-4 5 5 5 5 4 Zaman (sn) 7. SONÇ Şekil 5. İrtifa kontrol deneyi sonuçları. Bu makalede quadrotorun temel yapısını, buna benzer sistemlerin kontrolü ve bu kontrol sistemlerinin test edilmesini olanaklı kılacak deney düzeneğinin araştırılması amaçlamıştır. Laboratuvar ortamında quadrotor irtifa kontrol deney setinden elde edilen sonuçlar gömülü bir kontrolör kullanılarak serbest uçuş yapabilecek çalışmaları hedeflemek için motivasyon sağlamıştır. Takip eden çalışmalarda laboratuvar ortamında DSP tabanlı mikro-kontrolör kullanılarak türetilen kontrolörlerin sisteme uygulanması amaçlanmıştır. İnsansız hava araçları üzerinde bir kullanıcı taşımaya gerek duymayan, yerden veya önceden programlanmış ve sisteme yüklenmiş olan bir uçuş rotasınna göre görev yapan araçlar olarak günümüzde askeri keşif ve arama-kurtarma gibi görevlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Otonom insansız hava araçları ticari, askeri ve akademik platformlarda önem kazanmaya başlamıştır. Kullanım alanlarının daha da genişleyeceği düşünülmektedir. quadrotor tipi olduğu yerden havalanabilen sistemlerin etkin kontrolunun sağlandığı ve uzun uçuş süresi sağlayabilecek güç problemleri

aşıldığında kullanım alanlarının hayal gücü ile sınırlı olacağı değerlendirilmektedir. TEŞEKKÜR Bizi destekleyip cesaretlendirdikleri için Hava Harp Okulu ve HTEN (Havacılık ve zay Teknolojileri Enstitüsü) ndeki komutanlarımıza teşekkür ederiz. 8. KAYNAKLAR [] Patrick Adigbli, Nonlinear Attitude and Position Control of a Micro Quadrotor using Sliding Mode and Backstepping Techniques, rd S- European Competition and Workshop on Micro Air Vehicle Systems (MAV7) & European Micro Air Vehicle Conference and Flight Competition (EMAV7), 7, Toulouse, France [] Muriel Labadille, Non-linear Control of a Quadrotor,MS thesis, School of Engineering Cranfield niversity,7 [] Randal W. Beard, Quadrotor Dynamics and Control, Brigham Young niversity,8 [4] Advances in nmanned Aerial Vehicles State of the Art and the Road to Autonomy, Springer, 7 [5] Samir Bouabdallah, Design And Control Of Quadrotors With Application To Autonomous Flying, Phd Thesis, École Polytechnique Fédérale De Lausanne, 7 [6] http://www.asl.ethz.ch/education/master/ aircraft/ [7] C.Ballas, Modellıng and Lınear Control Of A Quadrotor, Ms Thesis, Cranfield niversity, 7 [8] Samir Bouabdallah, Andr e Noth and Roland Siegwart, PID vs LQ Control Techniques Applied to an Indoor Micro Quadrotor [9] Tommaso Bresciani, Modelling, Identification and Control of a Quadrotor Helicopter, Master Thesis, Lund niversity, 8 [] Gabriel M. Hoffmann, Haomiao Huang, Steven L. Waslander, Claire J. Tomlin, Quadrotor Helicopter Flight Dynamics and Control: Theory and Experiment, AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit 7 [] Sciavicco L. and Siciliano B., Modelling and Control of Robot Manipulators., Springer,. [] Lorenzo Pollini, Alessandra Metrangolo, Simulation and Robust Backstepping Contro of a Quadrotor Aircraft AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit, 8 [] Samir Bouabdallah, Backstepping and Slidingmode Techniques Applied to an Indoor Micro Quadrotor, IEEE International Conference on Robotics and Automation Barcelona, Spain, April 5 [4] http://www.control.lth.se/~fusyntes/lectures/lec 4_4/SlidingMode_martin_kjaer.pdf ÖZGEÇMİŞLER Hv.Plt.Ütğm. İ.Can DİKMEN 979 yılında İstanbul da doğmuştur. İlk, orta ve lise öğretimini Yalova da tamamlamıştır. yılında Hava Harp Okulu Elektronik Mühendisliğinden teğmen rütbesiyle mezun olmuştur. 4 yılında uçuş okulunu bitirerek helikopter pilotu olarak Malatya ya atanmıştır. Takiben 7 yılında girdiği Havacılık ve zay Teknolojileri Enstitüsünde 9 yılında yüksek lisansını tamamlamıştır. Halen İzmir de inci Ana Jet Üs Komutanlığında görev yapmaktadır. Dayanıklı kontrol ve optimal kontrol alanlarında çalışmalarına devam etmektedir. Dr.Hv.Müh.Yb. Aydemir ARISOY 967 yılında Malatya da doğmuştur. İlkokul ve ortaokulu Eskişehir de, liseyi 985 yılında İzmir de bitirmiştir. 989 yılında İstanbul Yıldız Teknik Üniversitesi nden Lisans, yılında Orta Doğu Teknik Üniversitesi nden Yüksek Lisans ve 8 yılında İstanbul Teknik Üniversitesi nden Doktora derecelerini almıştır. Hava Kuvvetleri Komutanlığı na 99 yılında katılmıştır. 99 998 yılları arasında Ankara da ncü Hava İkmal Bakım Merkezi Komutanlığı nda değişik birimlerde proje subaylığı, atölye şefliği, grup amirliği, şube müdürlüğü gibi farklı görevlerde bulunmuştur. yılında Hava Harp Okulu na atanmıştır. Halen Hava Harp Okulu Dekanlığı Elektronik Mühendisliği Bölümü, Kontrol ABD Başkanı olarak görev yapmaktadır. Otomatik Kontrol, Devre Teorisi, Enerji Dönüşüm Temelleri, Elektrik Mühendisliğinin Temelleri, Araştırma Yöntem ve Teknikleri derslerini vermekte, Kontrol Laboratuvarı, Analog Elektronik Laboratuvarı ve Devre Temelleri Laboratuvarı derslerini yürütmektedir. Prof.Dr. Hakan TEMELTAŞ 96 Yılında İstanbul'da doğdu. İlk ve orta öğrenimini İstanbul da tamamladı.984 yılında İstanbul Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Fakültesini bitirdi. 987 yılında yine aynı üniversitede yüksek lisansını tamamladı. 99 yılında ise Notthingham Üniversitesinde (niversity of Notthingham) Doktorasını bitirdi. Halen İstanbul Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Fakültesinde görevine devam etmektedir. Evli ve iki çocuk babasıdır. 4