Geri Dön

Modeling and attitude control of a quadcopter using model predictive controller

Dört rotorlu bir hava aracı modellemesi ve model öngörülü kontrolör ile yönelim kontrolü

PDF İndir

  1. Tez No: 553332
  2. Yazar: CEMRE ESEMEN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. AFİFE LEYLA GÖREN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 77

Özet

Günümüzde insansız hava araçları (İHA) akademik, sivil ve askeri çalışmalarda otonom uçuş yetenekleri sayesinde önemli bir araştırma konusu haline gelmiştir ve bu durum insan yaşamı için tehlike arz eden ortamlarda aktif rol almalarının önünü açmıştır. Bir verici/alıcı ünitesi kullanarak İHA'ları uzak mesafeden kontrol etmek ve bir yük taşımalarını sağlamak mümkün hale gelmiştir. İHA'lardan faydalanılabilecek sivil görevlerden biri de hava gözetimidir. Örneğin panoramik fotoğrafçılık veya hava fotogrametrisi, hava gözetimi ile ilgili uygulama alanlarındandır. Bu amaçla kaliteli fotoğraflar çekmek için İHA'nın stabil bir durumda istenilen yükseklikte askıda kalması gerekmektedir. İHA'lar sabit kanatlı ve döner kanatlı olarak iki gruba ayrılır. Sabit kanatlı hava araçları, yüksek taşıma kapasiteleri ve döner kanatlı gruba kıyasla daha uzun uçuş süreleri nedeniyle tercih sebebi olabilir. Öte yandan, döner kanatlı hava araçları, yüksek manevra ve havada asılı kalma kabiliyeti, dikey iniş/kalkış gibi özellikleri ile karakterize edilir. Döner kanatlı gruba örnek olarak havada asılı kalma kabiliyetine sahip dört rotorlu hava aracı (quadrotor) verilebilir. Ancak quadrotor, uçuş sırasında 3 farklı eksende dengesini sağlamak için karmaşık bir kontrol sistemi gerektirir. Bu tez çalışmasında, Newton-Euler denklemleri kullanılarak bir quadcopter'in 6 serbestlik dereceli matematiksel modelinin denklemleri açıklanmış ve quadcopter'in yönelim ve irtifa kontrolü için lineer bir model öngörülü kontrolör (MPC) tasarlanmıştır. Ortamdaki öngörülemeyen bozuculara ve mikro sensör sistemlerinin neden olduğu gürültülü verilere karşı çeşitli kontrol sistemlerinin tepkileri incelenmiştir. Küçük boyutlu İHA'ların çevresel faktörlerden (sıcaklık, rüzgâr, vb.) daha fazla etkilenmesinden dolayı bu tür sorunlar, quadcopter'in boyutu azaldıkça daha da arttığı gözlemlenmiştir. Bu nedenlerle güvenilir ve istikrarlı bir uçuş için bu sistemler üzerinde çalışmalar yapılması gerekmektedir. Quadcopterlerin otonom uçuş kabiliyetleri, gömülü kontrol sistemlerinin gelişmişliğine bağlıdır. Günümüzde yeni mikro-sensör imkanlarıyla birlikte bu sistemlerden daha iyi performans elde etmek için sıklıkla tercih edilen PID kontrol metodu yerine daha gelişmiş kontrolcüler üzerinde çalışılmaya başlanmıştır. Bu çalışmada ilk olarak, klasik doğrusal bir kontrol tekniği olan PID kullanarak quadcopter, askıda kalacak şekilde belirli bir irtifada yönelim kontrolü gerçekleştirilmiştir. Quadcopter'in dinamik modelinin kontrol denklemlerine dahil edilmesi ile birlikte model öngörülü kontrol ve LQG gibi optimal kontrol tekniklerinin sistem performansı üzerindeki etkisi karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Model öngörülü kontrol metodu, kimya ve proses mühendisliği endüstrisinde yaygın olarak kullanılan gelişmiş bir proses kontrol teknolojisine dayanmaktadır ve asıl avantajı, sistem ve kontrol kısıtlarının açıkça ele alınması, kısıtlamaların kontrol sinyalinin hesaplanması sırasında maliyet fonksiyonuna dahil edilmesidir. Bununla birlikte, MPC çoklu sayıda giriş ve çıkışlara sahip sistemlere de rahatlıkla uygulanabilir. Bu yöntem, gelecekteki proses çıktılarını tahmin etmek için doğrusal bir sistem modeli kullanılır ve kontrol işaretinin uygulanmasında sonlu kayan ufuk prensibinden yararlanılır. Her bir kontrol çevrim süresi içerisinde optimal kontrol sinyali kümesi hesaplanır. Bunun için belirli bir ufka kadar öngörülen sistem durumları, maliyet fonksiyonunun içerisine dahil edilerek kuadratik bir optimizasyon problemi oluşturulur. Gelecekti sistem durum değişkenlerini tahmin etmek amacıyla doğrusal bir Kalman gözleyicisinden yararlanılır. Kontrol problemi, kuadratik bir problem olarak doğru bir şekilde formulize edildiği zaman, konveks bir optimizasyon problem oluşur ve optimal sonuç seti, global minimumu verir. Bu set içerisindeki sadece ilk eleman, sisteme uygulanır ve döngü tekrarlanır. Bu çalışmada quadrotor kontrol sistemi, kontrol sinyallerine ait belirli kısıtlar altında çözülmesi hedeflenen bir optimizasyon problemi olarak ele alınmıştır. Öngörülemeyen bozucu etkiler, Kalman gözleyicisi sayesinde tahmin edilmiştir ve tasarlanan bozucu modeli ile gözlenen sistem durumlarında oluşan hatalara nasıl bir tepki verileceği belirlenmiştir. MPC ve LQG optimal kontrol yöntemleri ile quadcopter'in çeşitli öngörülemeyen bozucu etkilere karşı daha dayanıklı hale getirilmesi ve gerekli kontrolör kazançlarını ayarlamak için harcanan çabanın azalması gibi çeşitli avantajlar hedeflenmiştir. Lineer kuadratik regülatör (LQR) kontrol yöntemi ise kuadratik bir maliyet fonksiyonunun minimize edilerek optimal kontrol işaretinin hesaplandığı modern lineer kontrol tekniklerinden biridir. Bu yöntemin avantajı, basit tasarım kuralları ile hesaplama kolaylığına ek olarak, kapalı çevrim sistem kararlılığını güvence altına almasıdır. Ancak LQR kontrolcü, ölçülemeyen bozucu etkiler sabit değilse ve proses ile prosesin doğrusal modeli arasında modelleme hataları varsa, kalıcı hal hatalarına sebep olabilir. Bu nedenle, modelleme hataları ile başa çıkmak, referans sinyal takibini sağlamak ve ölçülemeyen bozucu etkileri bastırabilmek için kontrol işaretine integral etkisini de dahil etmek gerekmektedir. Kontrol ve tahmin ayrıştırma prensibine göre, durum vektörünün tahmini, durum geri beslemelerini oluşturmak amacı ile hesaplanır. Quadrotor'un ölçülemeyen durumlarını tahmin etmek için, MPC metodunda tasarlanmış olan Kalman filtresi gözleyici olarak kullanılmıştır, böylelikle LQG tipi bir kontrolcü elde edilmiştir. Son yıllarda kullanılmaya başlanan gelişmiş kontrol metodlarına rağmen, PID kontrolcüler; otomotiv, havacılık, endüstriyel otomasyon vs. gibi çeşitli sektörlerde hala en çok tercih edilen denetleyici olmaya devam etmektedir. Büyük çoğunluk tarafından tercih edilmelerinin nedenleri arasında, oldukça basit ve işlevsel yapıları, çok düşük işlemci gereksinimleri ve proses modeli hakkında bilgi sahibi olmadan hemen hemen her türlü sisteme uygulanabilir olmaları sayılabilir. Literatürde, birinci veya ikinci mertebeden doğrusal sistemlere uygulanabilir PID denetleyicileri tasarlamak için çok sayıda kaynak bulunmaktadır, ancak pratikte çoğu fiziksel sistem yüksek mertebeli ve doğrusal değildir. Bu tez çalışmasında, MPC ve LQR metodlarında kullanılmak üzere elde edilen doğrusal model kullanılarak, quadcopter'in yönelim ve irtifa kontrolü dört farklı PID denetleyici ile sağlanmıştır. MPC ve LQG kontrolcülerin bir diğer avantajı da kontrol çevriminin tek bir kontrolcü kullanarak kapatılabilmesidir, ancak PID denetleyici ile bunu sağlamak mümkün değildir ve tüm kontrolcülerin tek tek kalibre edilmesi gerekmektedir. Doğrusal olmayan modelin durum değişkenleri arasındaki kompleks ilişkiler kalibrasyon işlemini de zorlaştırmaktadır. Bu tez çalışmasında, MPC kontrolör ile hedeflenen sistem cevapları; öngörüm ve kontrol ufuklarının, örnekleme zamanın, gözleyici kazançları ve ağırlık matrislerinin doğru bir şekilde belirlenmesi ile elde edilmiştir. Tasarlanan farklı kontrolcüler ile doğrusal olmayan model üzerinde öngörülmeyen bozucu etkilerinin ve beyaz sensör gürültülerinin dahil olduğu senaryolar kapsamında simulasyonlar koşturulmuştur ve sonuçlar grafikler halinde sunulmuştur. Bununla birlikte elde edilen sonuçlar, tablolar halinde yerleşme zamanı, yükselme zamanı, aşım, hatanın ve kontrol işaretinin karsel ortalama değerleri olarak da verilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, her üç denetleme yöntemi de quadcopter'in yönelimini ve yüksekliğini başarılı bir şekilde kontrol etmiştir, ancak PID denetleyiciler MPC ve LQG'ye kıyasla daha uzun yerleşme süresi sergilemiş ve kontrol edilen durum değişkenlerinde yüksek aşımlar gözlemlenmiştir.

Özet (Çeviri)

Unmanned aerial vehicles (UAVs) are nowadays an important research subject in academic, civilian and military studies due to their auto-pilot capabilities, which makes them to take an active role in the environments that present danger to human life. It is possible to control UAVs from a long distance by using a transmitter/receiver unit and to make them carry a payload. One of the civilian mission that one can take advantage from UAVs is aerial surveillance. Panoramic photographing or aerial photogrammetry is one of the application areas of aerial photography missions. It requires for an UAV to hang in a certain height with a reliable stability to capture high quality photos. UAVs are categorized into two groups as fixed-wing and rotary-wing. Fixed-wing aircraft are preferred due to their high payload capacity and longer flight time in contrast to rotary wing aircraft. On the other hand rotary wing air vehicles are characterized by their high maneuverability, ability to hang in the air (hovering) and vertical landing-take off. One type of rotary wing aircraft with the ability of hovering is a quadrotor. However, quadrotor requires a sophisticated control system to maintain its stability during flight. In this thesis study, 6-DOF modeling of a quadrotor using Newton-Euler equations is described and a linear model predictive controller (MPC) is designed to hover in a defined altitude. Three different control strategies for attitude (orientation) and altitude controls are considered. For all strategies, simulation are run and results are provided. The fundamental problem to be addressed with is the quadrotor's robustness to unpredictable disturbances in the environment and its reliability to noisy data caused by its sensor systems. This problem augments more as the size of quadrotor get reduced, since small UAVs are disturbed more from environmental conditions such as temperature, wind, etc. Autonomous capabilities of a quadrotor are dependent on their on-board stabilization systems and therefore detailed investigations has to be carried out to make sure reliable and stable flight. As the complexity of unmanned applications for UAV systems grows together with the new sensor opportunities, control techniques used so far has to be reconsidered in order to provide better performance. Firstly, conventional linear control technique, PID, is applied for computational ease to maintain hover flight by attitude control at a defined altitude under sensor disturbances. However, with including dynamic model of the quadrotor in control equations, optimal control methods such as LQG and MPC have become an achievable goal thanks to improved hardware capabilities. Both LQG and MPC methods have the advantage of controlling MIMO (multi-input multi-output) systems but MPC has also implicit constraint solving capabilities on both state signals and control outputs. Optimal control methodologies promise to make these systems more robust and decrease the effort required for tuning desired responses.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    756260

    Design, fabrication, and soft impact modeling and simulation of a collision-resilient foldable micro quadcopter

    Çarpışmaya dayanıklı, mikro ve dört pervaneli helikopter robotların tasarımı, üretimi, yumuşak darbe modellemesi ve simülasyonu

    AMIRALI ABAZARI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ONUR ÖZCAN

  2. Tez No

    821441

    Stabilization of quadcopter using the combination of LQR and SMC methods

    LQR ve SMC yöntemlerinin kombinasyonuyla kuadcopter stabilizasyonu

    RAHMI ELAGIB IBRAHIM MOHAMED RAHMI ELAGIB IBRAHIM MOHAMED

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET KARAARSLAN

  3. Tez No

    477866

    Design, implementation and control of a novel quad tilt-rotor uav

    Yeni dört eğimli rotor iha'nın tasarımı, uygulanması ve kontrolü

    AHMED MAHROUS RAGIB KAFI AL KAMACHI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolGaziantep Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERGUN ERÇELEBİ

  4. Tez No

    837073

    Differential flatness-based fuzzy controller design for aggressive maneuvering of quadcopters

    Çok rotorlu hava araçlarının agresif manevra kontrolü için diferansiyel düzlük tabanlı bulanık kontrolör tasarımı

    ÇAĞRI GÜZAY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TUFAN KUMBASAR

  5. Tez No

    553902

    Stability analysis and autonomous control of conventional and tilted quadcopters

    Klasik ve eğik rotorlu dört rotorlu insansız hava aracının otomatik kontrolü ve kararlılık analizi

    İBRAHİM KÖSEOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL BAYEZİT

Geri Dön