Modeling, identification and simulation of a quadrotor using real-time flight data
Bir dört rotorlu hava aracının gerçek zamanlı uçuş verisi ile modellemesi, tanılaması ve simülasyonu
- Tez No: 393036
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. AYHAN KURAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Electrical and Electronics Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- 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: 137
Özet
Dört rotorlu hava aracı, yani quadrotor, itkinin dört bağımsız pervane tarafından oluşturulduğu özel bir hava aracı türüne verilen addır. Temelde rotorlu hava aracı yani helikopter sınıfında yer almaktadırlar. İnsansız türlerini uçan robotlar olarak da adlandırmak mümkündür. Kullanım şekline göre temel olarak ikiye ayrılır. İnsan kontrollü ve kendinden kontrollü türleri vardır. İnsan kontrollü olan quadrotorlar aracın içindeki bir sürücü tarafından veya uzaktan kontrol edilebilir. Uzaktan bir insan tarafından kontrol edilen veya kendinden otomatik olarak kontrol edilen quadrotorlar insansız hava aracı sınıfına (İHA) girer. Üzerinde insan taşıyan ve o şekilde kontrol edilen şekilleri de mevcut olmasına rağmen genellikle insansız türleri daha yaygındır. Quadrotorlar günümüzde savunma sanayi başta olmak üzere çok yaygın kullanım alanlarına sahiptir. Genellikle uzaktan insan pilotlar tarafından uçurulurlar. Fakat tekniğin geldiği son noktada bazı kendinden kontrollü şekilleri de geliştirilmiştir. Kullanım alanlarına örnek vermek istersek, insanların ulaşmasının zor ya da tehlikeli olduğu alanlar; mağaralar, yıkıntılar, bina enkazları, radyoaktif veya kimyasal madde tehlikesi olan alanlar olabileceği gibi, ulaşmanın güç olduğu yüksek yerler, derin çukurlar ve buna benzer yerler için idealdir. Başlıca quadrotor kullanım alanlarında biri de fotoğrafçılık ve haritacılıktır. Havadan keşif ya da ölçüm amaçlı fotoğraf çekme imkânı sunan quadrotorlar sayesinde bu alanda büyük kolaylık sağlanmıştır. Örneğin 2011 yılında Japonya'daki Fukuşima nükleer güç reaktöründeki radyoaktif sızıntı ve patlamalar sonrasında, insan sağlığına zararlı durumlara sebebiyet vermemek amacıyla insansız hava araçları ve robotlar ile alan incelenmiş, uzaktan bilgi toplanmış, fotoğraflar çekilmiştir. Quadrotorların savunma sanayinde de yaygın kullanımı vardır. Birçok büyük ülke ordusu son yıllarda bu araçlardan çok sayıda alarak ya da üreterek bünyesine katmıştır. Savunma sanayindeki kullanım amaçlarından bahsetmek istersek, güvenlik amaçlı olarak havadan fotoğraf ve video çekme özelliği ile ön plana çıkmaktadırlar. Hudut güvenliğinde insanlarla gözlemlenmesi zor olan geniş alanlar, bu araçlar sayesinde sürekli takip edilebilmektedir. Son yıllarda kullanımları o kadar yaygınlaşmıştır ki, Amazon internetten alışveriş şirketi müşterilerine siparişlerini bu araçlarla havadan ulaştırarak bu alanda bir ilke imza atmıştır. Bu çalışmada mini quadrotor sınıfında yer alan Crazyflie quadrotorun modellenmesi, gerçek zamanlı uçuş verileri kullanılarak model parametrelerinin kestirimi, son olarak da bu modelin bilgisayarda benzetimi yer almaktadır. 1. bölümde quadrotor hava araçları tanıtılmış, kullanım alanları, tarihçesi, çeşitleri anlatılmıştır. Daha sonra kapsamlı bir literatür taraması yapılarak, quadrotor tasarımı, modellemesi, sistem tanılaması ve kontrolü alanındaki öne çıkan çalışmalar incelenmiştir. 2. bölümde quadrotor hava aracının yapısı ve çalışma mantığı anlatılmış, hareket çeşitleri ve nasıl yönetildikleri incelenmiştir. 3. bölüm quadrotor modellemesi üzerinedir. Quadrotor 6 serbestlik derecesine sahip bir araçtır. Ayrıca havada hareket ettiğinden doğrusal olmayan ve yüksek mertebeden bir dinamiğe sahiptir. Literatürde quadrotor modelleri temel olarak ikiye ayrılmaktadır; Newton Euler tabanlı modeller ile Euler Lagrange temelli modeller. Bunlara ek olarak bazı kaynaklarda yer alan Quaternion tabanlı modeller de mevcuttur. Saydığımız tüm modeller doğrusal olmayan modellerdir. Bu çalışmada önce aerodinamik etkileri ve jiroskop momentlerini içeren Euler Lagrange tabanlı, kapsamlı bir model yer almaktadır. Yer koordinat ekseni tabanlı olan bu model ötelemeli ve döngüsel model olarak iki alt modelde incelenmiştir. Ötelemeli kısım sade olmasına karşın döngüsel kısım oldukça uzun ve karmaşık denklemler içermesi sebebiyle kullanımı bazı varsayımlar olmadan zordur. Bu çalışmadaki bir diğer model ise Newton Euler tabanlı daha basit fakat yine doğrusal olmayan bir modeldir. Bu model aslında gövde koordinat eksenine göre elde edilmesine rağmen bazı gerçekçi kabuller sayesinde yer koordinat sistemine aktarılmıştır. Her iki model de karmaşık bulunmuştur. Bu sebeple modelin ötelemeli kısmı olduğu gibi bırakılırken, döngüsel kısmı doğrusallaştırılmış, böylece çalışmanın geri kalanında kullanılacak olan basit bir quadrotor dinamik modeli elde edilmiştir. Quadrotor üzerinde ayrıca dört adet motor-pervane çifti yer almaktadır. Dinamik modelin gerçeğe yakın olabilmesi motor dinamik modelinin doğruluğundan geçmektedir. Bu sebeple elektrik motorları ve pervane yükü doğrusal olmayan bir dinamik denklem olarak ifade edilmiştir. Tüm model, 4 adet motor modeli ve quadrotor dinamik modeli birleştirilerek elde edilmektedir. 4. bölümde deneysel çalışmalarda kullanılacak olan quadrotor donanımının gereksinimleri anlatılarak, bu doğrultuda yapılan çalışmalara yer verilmiştir. Bu çalışmada Crazyflie ismindeki mini quadrotor altyapısı kullanılmıştır. Crazyflie avuç içine sığacak boyutta, üzerindeki ARM Cortex-M mikroişlemcisi ile yüksek başarımlı yerleşik kontrolcüye sahip, Crazyradio ismindeki kablosuz haberleşme altyapısı ile bir bilgisayar üzerinden kontrol edilebilen quadrotor platformudur. Crazyflie quadrotorun yazılım ve donanım yapısı ayrıntılı olarak incelenmiştir. 5. bölümde anlatıldığı gibi, Crazyflie üzerine, uzaktan gerçek-zamanlı veri toplama amaçlı bir telemetri sistemi tasarlanmış ve üretilmiştir. Bu sistem 2.4GHz radyo frekansında çalışarak, quadrotor dinamik sistemine ilişkin pek çok veriyi yüksek örnekleme hızında kumanda bilgisayarına aktarmaktadır. Bu bölümde telemetri sisteminin yazılımı ve donanımsal yapısı ayrıntılı olarak işlenmiştir. 6. bölümde quadrotor üzerinde kullanılan ivmeölçer ve jiroskop sensörleri anlatılmış, çıkışlarının nasıl işleneceğine değinilmiştir. 7. bölümde ilk olarak toplanan gerçek zamanlı verilerin anlamlı hale getirilmesi yani işlenmesi daha sonra model tanılama ve parametre kestirimi çalışmaları anlatılmıştır. Öncelikle motor hızının armatür gerilimine göre değişimini temsil eden veriler toplanmış, bu veriler işlendikten sonra gri-kutu olarak verilen sistem modeli üzerindeki parametreler kestirim hatası yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Sonrasında quadrotordan eğim açılarının motor armatür gerilimlerine göre değişimini temsil eden, gerçek zamanlı veriler, uçuş esnasında toplanmıştır. Motor giriş gerilimleri yine bu bölümde kestirilmiş olan motor modeli sayesinde motor hızlarına çevrilmiştir. Eğim açılarının motor hızlarına göre değişimini temsil eden veriler kullanılarak, gri kutu yaklaşımı ile verilmiş olan quadrotor modeline ait parametreler, kestirim hatası yöntemi ile kestirilmeye çalışılmıştır. Sonrasında ARX yaklaşımı ile model tanılama yapılmış, çeşitli model mertebeleri için doğrusal modeller elde edilmiştir. 8. bölümde elde edilen model ile bir benzetim oluşturulmuş ve model doğrulaması yapılmıştır. Daha sonra bir PID kontrolcü ile model test edilmiş, böylece daha sonraki kontrolcü tasarım çalışmaları için bu altyapının kullanılabileceği ispatlanmıştır. 9. bölümde yapılan çalışmalar üzerine yorum yapılmış ve çeşitli öneriler ele alınmıştır.
Özet (Çeviri)
Quadrotor is the name given to a special kind of aircraft of which thrust is generated by four independent propellers. Although some manned quadrotors exist, most of the quadrotors are unmanned aerial vehicles (UAV). This work is about mini unmanned quadrotors so called quadrotor mAV. Today, quadrotors are very popular for researcher for their great ability to hover and vertical takeoff and landing (VTOL). Especially for defense industry applications, rescue and exploration purposes they become a matter the choice. In this work, operation principles of are given in details from an engineering point of view. A detailed inertial frame based nonlinear dynamical model for plus-type quadrotor is obtained using Euler Lagrange method. It contains gyroscopic torques as well as Coriolis effects. After that, a body frame based nonlinear dynamical model is obtained using Newton Euler method. The rotational part of the Newton Euler based model is linearized to obtain a simpler model to use for the rest of this work. A motor (driving a propeller) is also modeled as a nonlinear dynamical system. For experimental parts of this work, Crazyflie quadrotor platform is used. Crazyflie is a mini sized quadrotor that can be flown by a human operator via Crazyradio wireless communication. To be able to collect real-time flight data, a telemetry system is implemented as an add-on for Crazyflie quadrotor. Both the software and the hardware are explained in details. Real-time motor speed versus motor armature voltage data is collected. A grey box model is defined and the parameters of the model are identified using prediction error method (PEM). Real-time flight data including attitude angles of the quadrotor versus motor armature voltages is collected and the voltages are converted to motor speeds using identified motor model. Grey-box models are defined for three Euler angles and their parameters are found using PEM. Then as a black-box approach, auto regressive exogenous (ARX) technique is used to identify linear models. Finally, a simulation scheme using the identified model is designed and model verification is done. A proportional, integral, derivative (PID) based controllers are designed and the quadrotor simulation model is controlled with success.
Benzer Tezler
- A model based flight control system design approach for micro aerial vehicles using integrated flight testing and hil simulations
Küçük boyutlu insansız hava araçları üzerinde sistem tanılama, uçuş kontrol sistem tasarımı ve donanım ile benzetim uygulamaları
BURAK YÜKSEK
Doktora
İngilizce
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖKHAN İNALHAN
- Modelling, control and implementation of an unmanned vertical take-off and landing aircraft
Dikey iniş kalkış yapabilen bir insansız hava aracının modellenmesi, kontrolü ve gerçeklenmesi
FARABİ AHMED TARHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ
- Modeling and experimental identification of quadrotor aerodynamics
Dört rotorlu aracın aerodinamiğinin modellenmesi ve deneysel tanımlanması
DİLBER DERYA KAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ TÜRKER KUTAY
- Dikine iniş kalkış yapabilen dört rotorlu hava aracının (Quadrotor) uçuş kontrolü
Flight control of a four rotor vtol (Quadrotor) aircraft
MEHMET KEMAL BAYRAKÇEKEN
Doktora
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDURRAHMAN KARAMANCIOĞLU
YRD. DOÇ. DR. AYDEMİR ARISOY
- Control-oriented, physics-inspired data-driven modeling and simulation of the clinker production pyro process
Clinker üretim piroliz sürecinin kontrol odaklı, fizikten ilham alan veriye dayalı modellenmesi ve simülasyonu
MUHAMMAD ASLANİMOGHANLOO
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MELİH TÜRKSEVEN