Modeling, real-time simulation and control of quadrotor vehicles
Quadrotor araçlarının modellenmesi, gerçek zamanlı simülasyonu ve controlü
- Tez No: 553999
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. İSMAİL BAYEZİT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
Quadrotorlar dört pervaneli insansız hava araçlarıdır. Çok amaçlı olarak kullanılmaktadırlar. Askeri, casusluk, egitim, ara¸stırma gibi birçok alanda kullanılmaktadır. ˘ Quadrotorlar dört motorların pervaneleri sayesinde dikey itki, dönme, yunuslama ve sapma torkları olu¸sturulur. Dört pervanenin de aynı yönde dönmesiyle dikey itki olu¸sturulur. sol pervanenin hızı artırılarak (veya azaltılarak) ve sag pervanenin hızı ˘ azaltılarak (veya artırılarak) dönme momenti olu¸sturulur ve bu moment roll ivmesine sebep olur. arka pervanenin hızı artırılarak (veya azaltılarak) ve ön pervanenin hızı azaltılarak (veya artırılarak) yunuslama momenti olu¸sturulur ve bu moment pitch (yunuslama) ivmesine sebep olur. ön ve arka pervanenin hızı artırılarak (veya azaltılarak) ve sol ve sag pervanenin hızı azaltılarak (veya artırılarak) sapma momenti ˘ olu¸sturulur ve bu moment sapma ivmesine sebep olur. Bu dört motorun pervanelerinin dönme gücü sayesinde, quadrotorlar ileri, geri ve dikey hareket edebilirler. Bu yüksek lisans tezi modelleme, linearizasyon, gerçek zamanlı simülasyon ve kontrol içermektedir. Öncelikle quadrotor simulink modeli olu¸sturulmu¸stur. Daha sonra bu simulink modelinin x, y ve z pozisyon bile¸senleri, euler açıları ve motor pervanelerinin açısal hızları kesikli zamanlı PID kontrolörle kontrol edilir. Daha sonra bu simulink modeline hata toleranslı kontrol sistemi uygulanır. Son olarak da uçu¸su gerçek zamanlı simule etmek için Flight Gear simulatör programı kullanılır. Qaudrotoru modellemek için matlab simulink blokları kullanılmaktadır. Quadrotor simulink modelinde, quadrotora referans otonom uçu¸s güzergahı saglaması için ˘ trajectory modeli olu¸sturulur. Bu modelde x, y ve z pozisyon bile¸senleri yardımıyla dairesel, dikdörtgensel ve lineer güzergahlar çizilir. Dairesel güzergahlarda z bile¸seninin artırılmasıyla istenen yükseklik elde edilirken x bile¸seninin sinüs fonksiyonuyla ve y bile¸seninin cosinüs fonksiyonuyla birlikte hareket ettirilerek dairesel bölgeler olu¸sturulur. Dikdörtgensel bölgeler olu¸sturmak için önce z bile¸seni arttırılır. Sonra x ve y bili¸senleriyle dikdörtgensel bölge olu¸sturulur. Daha sonra z bile¸seni tekrar artırılarak x ve y bile¸senleri yardımıyla yeni bir dikdörtgensel alan olu¸sturulur. Lineer güzergahlar olu¸sturmak önce z bile¸seni artırılır daha sonra x ve y bile¸senleriyle lineer alanlar olu¸sturulur. Euler açılarının kontolü için quadrotora referans euler açıları vermek için 'Obtainin Euler Angles' isimli bir simulink blogu olu¸sturulur. Burada referans ˘ f ve q açıları olu¸sturulur. y açısı ise bu bloga dı¸sardan verilir. Bu açılara Euler açıları denilmektedir. ˘ referans Euler açıları trajectory modelinde olu¸sturulan referans güzergaha göre ¸sekillenmektedir. Bu referans açılar güvenli bir uçu¸s için önemlidir. Daha sonra quadrotor itkisi ve torqları kullanılarak referans açısal motor hızları olu¸sturulur. Öncelikle referans torklardan referans dikey itki olusturulur.bu itki quadrotorun referans dikey kuvveti olarak da adlandırılır. Daha sonra bu referans dikeykuvvet ve torkların olusturdugu kontrol inputları ve bir dönü¸süm matrisi sayesinde ˘ quadrotor referans motorlarının açısal hızları bulunur. Bu motor hızları, dinamik model için giri¸s degeri olu¸sturur. Dinamik modelde lineer ivmelenme, hız ve pozisyonlar ˘ uygun denklemler kullanılamak elde edilir. Ayrıca euler açıları da gerekli denklemler kullanılarak elde edilir. Öncelikle quadrotor motorlarının açısal hızları elektrksel sabitlerin bulundugu denklemler yardımıyla bulunur. Daha sonra bulunan bu motor ˘ hızlarının bulundugu denklemler kullanılarak dinamik modeling dikey kuvveti ile ˘ dönme, yunuslama ve sapma torkları bulunur. Bulunan dikey itkinin de yer aldıgı ˘ tezin dördüncü bölümünce açıklanan lineer ivmelenme denklemi sayesinde x, y ve z yönlerindeki lineer ivmelenmeler bulunur. Lineer ivmelenme denkleminin birinci integrali alınırsa lineer hızlar, ikinci integrali alınırsa lineer pozisyonlar bulunur. Dinamik modelde bulunan dönme, yunuslama ve sapma torkları sayesinde euler açıları da elde edilir. Dinamik modelden sonra dinamik modelden çıkan sürekli sinyalleri kesikli sinyallere dönü¸stürmek için sürekli sinyalleri kesikli sinyalere dönü¸stüren bir model olu¸sturulur. Bu modelde pulse generator isimli simulink blogu kullanılır. Bu blok kesikli pulse ˘ üreterek sinyalleri kesikli hale getirir.f¨ Lineer olmayan model elde edildikten sonra lineer model elde edilir. Bunun için küçük açı yakla¸sımı kullanılır. Ayrıca f, q sıfır(0) olarak alınırken y açısı sabit olarak alınır. Bu yüzden bunların türevi olan f˙q˙ ve y˙ sıfır(0) olur Trigonometrik fonksiyonlarda cosinüsler bir(1) degerine yakla¸sırken, sinüs fonksiyonları kendi ˘ açılarına yakla¸sır. Lineer olmayan modeldeki lineer ivmelenme denklemlerinde eliminasyonlar olur. Ayrıca açısal oranlar (p q r) da euler açılarının türevine e¸sit olur. Açısal momentumlar(f¨q¨y¨ ) ise dönme momentinin x, y ve z yönündeki bile¸senlerinin bu yönlerdeki atalet momenlerine bölümüne e¸sittir. Quadrotoru kontrol etmek kesikli zamanlı PID kontrolör kullanılır. Kontrolöre gelen referans sinyaller ve dinamik modelden gelen sinyallerin birbirinden çıkarılması sonucu olu¸san hata kesikli zamanlı PID kontrolör yardımıyla minimize edilir. Kontrolör yardımıyla lineer pozisyonlar, euler açıları ve motor pervanelerinin açısal hızları uçu¸s güvenligi için kontrol edilir. Referans sinyallerle dinamik modelden ˘ gelen sinyallerin cevapları birbirleriyle kıyaslanarak kontrolörün çalı¸sma performası belirlenir. Quadrotorlarda hata olu¸sabilir. Olu¸san bu hatalar müdahele edilmedigi taktirde ˘ ciddi hatalara dönü¸sebilir ve sistem hatalarına sebep olabilir.Hata Toleranslı kontrol sistemleri düzgün çalı¸san sistemlerde bir arıza meydana geldiginde o arızayı tolere ˘ edip sistemin çalı¸smasına devam etmesini saglayan kontrol sistemleridir. Hatayı tespit ˘ edip çözüm bulmak için kullanılan yöntemlerden biri kalman filtresidir. Kalman filtresiyle hata estimasyonu yapılıp çözüm bulunarak sistem çalı¸smasına devam edilir. Kontrolörle de sensör ve akçuator hatalarının düzeltilmesinde etkilidirler. Quadrotorlarda gürültüden kaynaklanan hatalar, sensör hataları ve akçuator hataları olu¸sabilir. Gürültüden kaynaklanan hatalarda sisteme gürültü verilerek sistem cevabı gürültülü hale getirilir. Daha sonra gürültülü cevaba Kalman Filtresi uygulanarak gürültünün büyük bir kısmı elimine edilir. Simulink modelinde quadrotor dinamik modelinin lineer pozisyon bile¸senlerine, lineer hız bile¸senlerine ve euler açılarına gürültü uygulanır. Sensör hatalarında hata giri¸si olarak step kullanılır. Sensör hataları quadrotorun çıkı¸s cevaplarından lineer pozisyon bile¸senlerine uygulanır. Dolayısıyla sensör hatasının etkisi quadrotor uçu¸s güzergahında görülür. Quadrotor sistemcevabında belli bir anda meydana gelen sıçramadan sonra, kesikli zamanlı kontrolör sayesinde sistem cevabı izlemesi gereken yörüngeyi küçük bir hatayla izlemeye devam eder. Akçuator hatalarında motor pervanesinin açısal hızına step giri¸sli hata verilir. Hatadan dolayı hızda belli bir anda sıçrama meydana geldikten sonra, hız cevabı kontrolör sayesinde aynı görüngeyi izlemeye devam eder. Quadrotor modellemesi tamamlandıktan sonra kuadrotorun uçu¸sunu görsellemek için flight gear simulatörü kullanılır. Flight Gear quadrotor simulink modeli için olusturulan uçu¸s güzergahının quadrotor tarafından izlenip izlenmedigi gerçek zamanlı ˘ görsellemek için kullanılır. Flight Gear matlab simulink uyumlu bir simülatör programıdır. Bu programa simulink modelinden gelen model bilgisi kullanılarak Quadrotor uçu¸sunun gerçek zamanlı simülasyonu saglanır. Bunun için öncelikle ˘ Flat Earth to LLA blogu giri¸sindeki Xe giri¸sine modeldeki x ve y pozisyon ˘ baglantıları ba ˘ glanır. Z yüksekli ˘ gi ise bloktaki href giri¸sine ba ˘ glanır. Bu blokta ˘ quadrotor modelindeki x, y ve z pozisyonları i¸slenerek enlem, boylam ve yükseklige ˘ dönü¸stürülür. Bu blokta olu¸sturulan enlem, boylam ve yükseklik bilgileri ile quadrotordaki phi, theta ve psi açıları 6DoF Animation bloguna ba ˘ glanır. Flight ˘ Gearı çalı¸stırmak için önce Flat Earth to LLA bloguna quadrotorunuçaca ˘ gı bölgenin ˘ koordinatları girilir. Daha sonra Generate Run Script bloguna havalanı bilgileri ile ˘ uçagın geometrik bilgisi girilir. Flight Gear çalı¸stırıldıktan sonra quadrotor için bir ˘ trajectory kodu Generate Run Script blogunda olu¸sturulur. Simulasyon kısmında ˘ görselligi sa ˘ glamak için ilgili havaalanının bilgileri ve koordinatları kullanılarak ˘ havaalanının senaryosu indirilir. ˙ Indirilen senaryo flight gear simulatörüne yüklenir. Flight Gear arayüzünde quadrotor ve uçacagı bölge görülür. Son olarak simulink ˘ model çalı¸stırılır ve uçu¸s simulatörde görülür.
Özet (Çeviri)
This thesis includes modeling, real-time simulation and control of the quadrotor. In order to model the quadrotor, matlab simulink blocks are used. In the quadrotor simulink model, trajectory part is formed to provide reference autonomous flight trajectory. After that, reference euler angles are given to the quadrotor for controlling euler angles for a safe flight. Then, by using quadrotor torques and thrust, motor propeller angular speeds are determined. This propeller speeds outputs are used as inputs in order to model dynamic part of the quadrotor. In the dynamic model, linear acceleration, velocity, and position are obtained with the help of corresponding equations. Moreover, euler angles are also determined by using appropriate equations. Discrete-time PID controller are used to control the quadrotor. In the control part, linear position, euler angles and motor propeller speeds are controlled for the sake of flight. In order to discretize the signals, palse generators and zero order holds are used. After quadrotor modeling is completed, for visualizing the quadrotor flight trajectory, a simulator called Flight Gear is used. In the Flight Gear simulator part, by using the corresponding airport information, and its' coordinates, airport scenery is downloaded first, then the scenery is loaded to Flight Gear simulator. As the last step to see how the quadrotor fly in the simulator, the simulink model is run and quadrotor simulink model trajectory is observed in the flight area. Faults can happen in quaddrotor systems. These faults effect the quadrotor system performance and if they are not fixed, they become serious faults and system failures occurs. Disturbance faults, sensor faults and actuator faults can occur inside of the quadrotor system. In the disturbance faults, a disturbance is given to the system and system response becomes noisy. In order to remove the disturbance a Kalman Filter is used. By making fault detection, estimaton and prediction, Kalman Filter eliminates most of the disturbance and the system response turns into an acceptable response. Sensor faults are generated by using a step input for the fault. At the moment of sensor fault, the system response has a jump. However, due to quadrotor controller effect, the system response follows the same direction with a small error. In the actuator faults, step input is used for the actuator fault in the motor propeller speed. When the actuator fault is applied, the propeller speed response jumps. Yet because of the quadrotor controller effect, the speed response goes in the same direction with a small error. To sum up, in these study, quadrotor modeling in matlab simulink, simulation in Flight Gear and control with discrete time PID controller is explained. Moreover, fault tolerant control systems are implemented to test quadrotor system robustness.
Benzer Tezler
- Hardware in the loop system development for modeling and control of multirotor vehicles
Multi rotorlu hava araçlarının modellenmesi ve kontrolü için donanım çevrimli benzetim sistemi tasarımı
MUHSİN HANÇER
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. İSMAİL BAYEZİT
- 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
ATAKAN SARIOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AYHAN KURAL
- 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
- 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
- Quadrotor dinamik modelinin ve kontrolcüsünün freertos işletim sistemi ile Raspberry Pi üzerinde gerçeklenmesi
Implementation of quadrotor dynamic model and controller with freertos operating system on Raspberry Pi
ÖMER SERHAT BÜYÜKÇOLAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN YENİÇERİ