Model predictive control for unmanned aerial vehicle
İnsansız hava aracının model tabanlı öngörülü kontrolü
- Tez No: 363861
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. AYHAN KURAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Havacılık Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 87
Özet
Bu tezde bir insansız hava aracının model tabanlı öngörülü kontrolü yapılmıştır. Aerosonde isimli küçük insansız hava aracı model olarak seçildi. Bu uçağın matematik modeli için, u-dynamics firması tarafından Matlab-Simulink için geliştirilen Aerosim isimli blok setten yararlanılmıştır. Bu blok setin tercih edilmesinin sebepleri şu şekildedir: Aerosim herhangi bir hava aracının simulasyonu için gereken her unsuru ve hava aracının 6 serbestlik dereceli doğrusal olmayan modelini barındırır. Diğer sıradan hava aracı modellerine ek olarak parametrelerin değiştirilerek dilenilen yapıda bir insansız hava aracı modelinin elde edilmesini sağlar. Bünyesinde Aerosonde insansız hava aracının hazır modelini barındırır. Ayrıca bu blok set simulasyon verisini FlightGear gibi görsel simulasyon programlarına aktarabilmesi sayesinde eş zamanlı olarak matlab ortamında simulasyon yaparken bir yandan da FlightGear'da uçağın nasıl bir uçuş yaptığı gözlemlenebilmektedir. Bu blok setin kütüphanesinden söz etmek gerekirse, bünyesinde yüzden fazla uçağın modelinin geliştirilmesinde kullanılan blok barındırır. Bu bloklar uçağın lineer olmayan hareket denklemleri, motor-piston gücü, uçak ataletparametreleri, atmosfer modeli, dünya modeli, sensör ve aktüatörler, çerçeve dönüşümleri, pilot arayüzleri ( joystick) gibi blokları barındırır. İnsansız hava araçlarını (İHA) aslında mürettebatın bulunmadığı uçaklar olarak tanımlanabilir. Aslında daha komplike olan bu durumu açıklamak gerekirse pilotajın radyo sinyali yada tamamen otomatik olarak yapıldığı hava araçlarıdır. Genellikle küçük İHA'lar düşük yüksekliklerde (genellikle 1000mt) kullanılırlar. Kullanım amaçları sivil ve askeri olarak ikiye ayrılabilir. Sivil amaçlı kullanımına örnek olarak; meteorolojik gözlemleme, tarımsal serpme ve gözlemleme, video ve fotoğraflama, sahil kıyısı araştırma, ara ve kurtarma, vahşi doğa gözlemleme, afet kontrolü, petrol şirketlerinin alan gözlemlesi ve boru güvenliği, trafik görüntüleme ve kontrolü gibi alanlarda kullanılır. Askeri olarak ise; düşman izi arama, suni sinyallerle güdümlü füzeleri tuzağa düşürmekte, radyo sinyallerini yaymakta, kıyı taarruzlarını engellemekte, hafif bombardımanda, nükleer, biyolojik ve kimyasal açıdan tehlikeli bölgelerin incelenmesinde, uzun süre ve yüksek mesafelerdeki uçuşlarda, radar sistemini bozmak ve yok etmek amaçlı ve benzeri alanlarda kullanılır. Günümüz tanımına uyan ilk insansız hava aracı olarak Almanya'nın 2. Dünya Savaşında kullandığı ve mekanik gaz kesiciler ve mekanik gayroskopların yardımıyla uçurulan uçak gösterilebilir. Günümüzde ise elektromekanik parçaların gelişmesi ve GPS teknolojisi sayesinde insansız bir hava aracının uçurulması çok daha kolaylaşmıştır. İnsansız hava aracının kontrolü genel olarak 2 farklı kısıma ayrılır. Bunlardan ilki uçağın kontrolünün merkezden bir pilot kontrolüyle radyo sinyalleri ile yapılmasıdır. Bir diğeri ise kontrolörün insansız hava aracının bünyesinde olduğu ve önceden belirlenen bir yörüngeyi izleyecek şekilde ayarlanmış olduğu kontrol yapısıdır. İlk belirtilen kontrol teorisindeki en büyük handikap merkezden gelen pilotaj sinyallerinin doğal yollarla yada düşman tarafından kesintiye uğratılması yada taklit edilerek uçağın rotasının değiştirilmesidir. Bu yüzden tam otonom kontrol insansız hava araçlarında daha fazla tercih edilen bir yöntemdir. Görüldüğü gibi insansız hava araçları genellikle alçakta ve zor şartlarda uçuş yapar. Alçaktan uçuş yaptığı için herhangi bir yere çarparak kaza yapma riski artar. Bu yükseklikte hava değişimleri ve rüzgarlar daha çok olduğu için uçuşu zorlaştırır. Ve yerine getirmesi gereken görevler genellikle zorlayıcı görevler olduğu için zaten oldukça otonom olan bu uçaklara bu durum lar da gözetilerek oldukça gelişmiş ve güçlü oto pilot tasarlamak gerekir. Bu bahsedilen durumlar dikkate alınarak model tabanlı öngörülü kontrolörün (MPC) insansız hava aracı için iyi bir controlör olacağı düşünülmüştür. MPC, bir sistemi öngörü ve kontrol stratejilerinin combinasyonuyla kontrol altında tutar. Kontol stratejisi öngörülen sistem sinyallerini ele alarak giriş değerlerini manupile eder ve istenilen değerlerin elde edilmesini sağlar. Bu esnada sistemin kısıtlarını da dikkate alınır. Bu kısıtlar modelin yani uçağın fiziksel kısıtları olmakla birlikte dilenilen güveni sınırlar da olabilir. MPC anlık giriş çıkış sinyallerini uçağın doğrusal modeline uygular ve gelecek sinyalleri hesaplar. Bu gelecek sinyaller doğrultusunda sisteme o an uygulanması gereken en optimum kontrol giriş sinyallerini uygular. Her adımda bu prosedürü tekrar eder. Optimizasyon problemine kısıtlar dahil edilerek elde edilen kontrol sinyallerinin kısıtlara uygun olması sağlanır. Ayrıca optimizasyon probleminde giriş ve çıkışlar üzerindeki ağırlıklar değiştirilerek istenilen optimum çıkış değerleri elde edilebilir. Bu bağlamda insansız hava araçlarında daha öncelerde de model tabanlı öngörülü kontrol uygulandı. Fakat bu tezde diğer çalışmalardan farklı olarak sistemin dört giriş ve yedi çıkışı tek bir kontrolör tarafından kontrol edildi. Tek bir kontrolör kullanılmasının sisteme oldukça getirisi olacağı öngörüldü. Tek bir kontrolör sayesinde insansız hava aracının bütün giriş ve çıkışlarına ayrı kontrolör tasarlamak yerine tek bir kontrolör ile bütün giriş çıkışlar kontrol edilir. Bütün giriş ve çıkışlar tek bir kontrolör ile kontrol edildiği için sistemdeki etkileşimler de dikkate alınmış oldu. Her ne kadar uçağın enlemsel ve boylamsal hareketlerinin göz ardı edilecek kadar etkileşimde olduğu söylense de aslında bir etkileşim söz konusudur. Bu etkileşimler MPC tarafından dikkate alındığı için çok daha güvenli ve gürbüz bir kontrolör elde edilmiş olur. Ayrıca bütün giriş ve çıkışlar tek bir MPC ile kontrol edildiği için çok daha az hesaplama eforu harcanır. İHA'ların çok fazla doğrusal olmayışından oransal-integral,türevsel denetleyici(PID), yapay sinir ağları (NN), bulanık mantık(FL) gibi birçok gelişmiş kontrol algoritması bu uçakların otopilotlarında denenmiştir. Bunların arasında is en çok PID kontrolör tercih edilmektedir. PID kontrolörün diğer kontrolcülere göre en büyük avantajı basit yapısıdır. Basit yapısı sayesinde en karmaşık modeller dahi PID kontrolör ile kontrol edilebilir. Fakat PID kontrolörün negatif yanları yukarıda MPC'de bahsedildiği gibi her bir giriş çıkış sinyali için bir PID kontrolör tasarlanması gerektiği, etkileşimi göz önünde bulunduramaması ve kısıtları dikkate alamamasıdır. Günümüzde teknolojinin çok gelişmesi ve mikro elektromekanik sistemlerin ucuzlamasıyla birçok gelişmiş kontrol algoritmasını bu uçaklarda kolayca kullanma imkanı yakalanmıştır. Bu sayede MPC gibi gelişmiş dijital kontrol algoritmaları uygulanabilir hale gelmiştir. Bu tezde yedi çıkış dört girişe uygulanan MPC'ye sistemin giriş ve bazı çıkışları üzerindeki kısıtlar tanıtılmıştır. Daha sonra bir çok farklı ağırlık parametreleri denenerek en iyi sonucu veren ağırlık değerlerinin sonuçları verilmiştir. MPC 0.02 saniyelik bir periyotta çalışmaktadır. 70 adım sonrasını öngörüp 15 adım sonrası içinde kontrol sinyalini hesaplamaktadır. 90 saniyelik simulasyon un 20. Saniyesinde 1000 metrede 23 m/s hızla seyreden uçağın hızı 25 m/s çıkarılmıştır. Giriş ve çıkış sinyalleri incelendiğinde sistemin bu adım girişine çok hızlı ve bir cevap verip referans değere eriştiği görülmüştür. Ayrıca hiçbir giriş sinyali verilen kısıtı aşmamıştır. Diğer çıkışların bu basamak girişi sonrası etkilendiği fakat kontrolörün kısa zamanda bütün çıkış değerlerini tekrar denge konumuna getirdiği gözlemlenmiştir. Bu basamak girişinden en fazla etkilenen dikkat çekici çıkış ise yuvarlanma açısı olmuştur. Bu durum şu şekilde açıklanmaktadır: Tek motorlu uçaklarda rotorda elde edilen rotasyonel moment uçağın kendisini ters yönde yuvarlanmaya sebep olur. Kontrolör daha uçuşun en başında bu etkiyi sıfırlayacak kontrol sinyallerini üretir. Fakat referans hızdaki artış sonrası motor devrinin de ani bir şekilde artmış olmasından dolayı yuvarlanma açısındaki denge bozulur. Fakat MPC kontrolör kısa zamanda yuvarlanma açısındaki değişimi de tekrar denge konumuna getirir. Buradaki değişimler ayrıca FlightGear isimli görsel simulasyon programında da gözlemlenebilir.
Özet (Çeviri)
Discrete time model predictive controller will be designed to control a UAV in this thesis. The UAV 'Aerosonde' was modeled by u-dynamics and named Aerosim with the MATLAB Simulink software is choosen as model. The reasons behind choosing Aerosim are having six degree of freedom aircraft model, very detailed modeling which even includes worlds magnetic model and ready to use Aerosonde model. UAVs are designed to fly at low altitude like 1000 meters to observe ground objects, enemies etc. This low altitude flight situation brings highly crash risk to UAVs. A robust and accurate autopilot system is neccesary for small UAV's to successfully perform tasks like low-altitude surveillance. Thats why MPC is chosen. The controller calculates the system controls, needed to track the selected outputs of the Aerosonde aircraft model. Model predictive controller makes it possible to add hard constraints to the states, controls and outputs of the linear state space model. MPC has been applied to UAV control before, but in this thesis, seven output and four input controlled by MPC. This brings the ability to MPC controller to account the interactions between all output and input variables. On the other hand for all inputs and outputs just one controller algorithm will be calculated. This also brings less computing effort to the computer. Because of the high nonlinearities of the UAV dynamics, lots of control techniques, like PID control, neural network (NN), fuzzy logic (FL), sliding mode control, and H∞ control, have been used in UAVs autopilot systems to acquire a smooth desirable trajectory navigation. Nowadays, technological developments in wireless networks and micro electromechanical systems make it possible to use inexpensive micro controllers on small UAVs. The small UAVs can give developers a different view of the environment and a much easier way for remote sensing, especially in cases like environment characterization and natural habitats monitoring.
Benzer Tezler
- Safe motion planning and learning for unmanned aerial systems
İnsansız hava sistemleri için güvenli hareket planlama ve öğrenme
BARIŞ EREN PERK
Doktora
İngilizce
2022
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖKHAN İNALHAN
- Distributed nonlinear model predictive formation control of quadrotor type UAVs in cluttered and dynamic environments
Yoğun ve dinamik engelli ortamda dönerkanat İHA'ların dağıtık doğrusal olmayan model öngörülü formasyon kontrolü
MUHLİS SAMİ SATIR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA MERT ANKARALI
DOÇ. DR. EROL ŞAHİN
- Optimizing rotary-wing UAV trajectory tracking: A comparative study of optimization methods
Döner kanatlı İHA yörünge takibinin optimize edilmesi: Optimizasyon yöntemlerinin karşılaştırmalı bir çalışması
AHMET SABAH
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL BAYEZİT
- Model predictive control of a fixed wing unmanned aerial vehicle
Sabit kanatlı bir insansız hava aracının model öngörülü kontrolü
HAKAN ÜLKER
Doktora
İngilizce
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEMAL BAYKARA
- 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
Havacılık ve Uzay MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ EMİR KUTLUAY