Fault Tolerant Control of Octoplane UAVs Using Sliding Mode Techniques
Kayan Kipli Teknikler Kullanarak Octoplane İnsansız Hava Araçlarının Hata Toleranslı Kontrolü
- Tez No: 1001416
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HALIM ALWI, PROF. DR. CHRİSTOPHER EDWARDS
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Uçak Mühendisliği, Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Unıversıty Of Exeter
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak Mühendisligi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, kayan kipli kontrol (SMC) teknikleri ve kontrol tahsisi (CA) kullanan octoplane insansız hava araçları (İHA'lar) için hata toleranslı kontrol (FTC) sistemlerinin tasarımı ve uygulanmasına yönelik bir yaklaşımı sunmaktadır. Bir çift sistemli hibrit İHA olan Octoplane (sabit kanatlı ve dikey kalkış/iniş (VTOL)) aktüatör fazlalığı nedeniyle benzersiz meydan okumalar ve fırsatlar sunmaktadır. Bu araştırma, farklı uçuş modlarında (dikey, geçiş ve seyir) octoplane İHA'lar için FTC sistemlerinin modellenmesi, simülasyonu ve tasarımını ele almaktadır. Bu tez, bu uçuş modlarıyla ilişkili belirli zorluklar ve hata/arıza senaryolarını ele alır ve uçuş kararlılığı ile performansını korumak amacıyla SMC tekniklerini kullanır. Kontrol şemaları, aktüatör arızalarını yönetmek için ek aktüatör fazlalığını içerecek şekilde tasarlanmıştır ve bu yaklaşımın, çeşitli arıza ve belirsizlik koşullarında ne kadar etkili olduğunu vurgular. SMC, aktüatör arızalarını doğrudan yönetebilen sağlam bir kontrol yöntemidir. Ancak tüm aktüatörlerin arızalanması durumunda, CA yöntemi kullanılabilir çalışmayı sürdürmeyi sağlar. CA yöntemi kontrol sinyallerini yeniden dağıtarak kontrolcüyü yeniden yapılandırmadan aktüatörlere kontrol sinyallerini yeniden dağıtarak kontrolcüyü yeniden yapılandırmadan çalışmayı sürdürmeyi sağlar. Tez, hibrit İHA yapılandırmalarının, özellikle dört rotorlu ve sekiz rotorlu sistemlerin kapsamlı bir incelemesiyle başlar ve FTC'nin İHA dayanıklılığını artırmadaki önemini, ayrıca FTC tasarımında ek aktüatör fazlalığı kullanmanın avantajlarını vurgular. Sonrasında SMC tasarım süreci tanıtılır ve FTC'nin uygulanması açıklanır; buna LPV tabanlı SMC de dahildir. Tez, octoplane için hareket denklemlerinin analizini sunarak sonraki bölümlerde farklı uçuş modlarında FTC'nin incelenmesi için temel oluşturur. Seyir modunda, önerilen SMC-CA şeması, arıza durumlarında bile arızasız durumlarla karşılaştırıldığında performans düşüşü göstermemektedir. LPV tabanlı SMC FTC yaklaşımı, dikey uçuş modu için de aktüatör arızalarına karşı sağlamlık göstermektedir. Geçiş modunda, LPV tabanlı SMC FTC şeması, tırmanma, seyir ve iniş aşamaları boyunca geniş bir hız aralığında arızasız durumla karşılaştırıldığında aynı performans düzeyini korumaktadır. Son bölümde, eğilebilir rotor mekanizması incelenmiş ve sonuçlar, geçiş modu sırasında rüzgar ve türbülans varlığında bile çeşitli arıza koşullarında iyi izleme performansının sürdürüldüğünü göstermiştir. Tez, CA ve SMC tekniklerinin bir octoplane İHA'ya tüm uçuş modlarında başarıyla entegre edildiğini, böylece FTC ile ilgili zorlukların ele alındığını ve güvenilirliğin artırıldığını ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis presents an approach to designing and implementing fault-tolerant control (FTC) systems for octoplane unmanned aerial vehicles (UAVs) employing sliding mode control (SMC) techniques and control allocation (CA). The octoplane, a hybrid dual-system UAV (a fixed-wing aircraft with VTOL capabilities), presents unique challenges and opportunities due to its actuator redundancy. This research delves into the modelling, simulation, and design of FTC systems for octoplane UAVs in different flight modes: vertical, transition, and cruise. It addresses specific challenges and fault/failure scenarios associated with these flight modes, using SMC techniques to maintain flight stability and performance. The control schemes incorporate additional redundancy to manage actuator faults and failures, highlighting the scheme's efficacy under various actuator faults, failures, and uncertain conditions. SMC is a robust control method which can handle actuator faults directly. However, to deal with total actuator failures, CA is used to redistribute control signals to the remaining available actuators without reconfiguring the controller. The thesis begins with a comprehensive review of hybrid UAV configurations, focusing on quadplanes and octoplanes, and emphasizes the importance of FTC in enhancing UAV resilience and the advantages of incorporating additional actuator redundancy in the FTC design. It then introduces the SMC design process and explains its implementation of FTC, including an introduction to LPV-based SMC. Subsequently, the thesis provides an analysis of the equations of motion for an octoplane, setting the foundation for examining the FTC of different flight modes in the following chapters. In cruise mode, the proposed SMC-CA scheme shows no performance degradation under fault/failure scenarios compared to fault-free cases. An LPV-based SMC FTC approach for vertical flight mode also demonstrates robustness against actuator faults and failures. For transition mode, an LPV-based SMC FTC scheme maintains the same level of performance compared to the fault-free case within a wide speed range during climb, cruise, and descent stages. In the final chapter, a tilt-rotor mechanism is investigated, and the results show that good tracking performance has been maintained for various failure conditions during transition mode in the presence of wind and gusts. The thesis highlights the successful integration of CA and SMC techniques to an octoplane UAV across all flight modes, thus addressing FTC challenges and enhancing reliability.
Benzer Tezler
- Fault tolerant control of a quadrotor UAV
Dört rotorlu bir İHA'nın arıza toleranslı kontrolü
MAJID MOGHADAM
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN
- Fault tolerant control of a quadrotor helicopter
Dört pervaneli helikopterin hata toleranslı kontrolü
YARKIN HOCAOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÜNEL
- Fault tolerant control of a dual-three-phase electrical machine with predictive current control and reduced computation burden
Çift üç fazlı elektrik makinasının hesaplama yükü azaltılmış öngörülü akım kontrolcüsüyle hata toleranslı kontrolü
HAKAN SARAÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OZAN KEYSAN
- Fault tolerant control of unmanned aerial vehicles using nonlinear model predictive control
İnsansız hava araçları için doğrusal olmayan model öngörülü kontrolcü kullanarak hata toleranslı kontrolü
UHUT ÇAĞRI ADAMKAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ EMİR KUTLUAY
- Fault tolerant control of a missile autopilot system
Füze otopilot sisteminin arıza toleranslı kontrolü
YUSUF ÖNAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Uçak MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELAHATTİN ÇAĞLAR BAŞLAMIŞLI