Attitude and position control of a quadrotor using onboard vision system
4 pervaneli İHA'nın yerleşik görüntü sistemi kullanarak tutum ve konum kontrolü
- Tez No: 612203
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ULAŞ YAMAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 141
Özet
Bu tez çalışmasında, dört rotorlu bir İHA'nın lokalizasyon ve yörünge takibi yerleşik bir monoküler kamera yardımı ile kontrol edilmiştir. Bu amaç için iyi bilinen PID ve doğrusal olmayan geri adımlamalı kontrol stratejisleri benimsenmiştir. PID algoritması için kademeli bir yapı tercih edilmiş olup, böylece açısal hızlar durum kontrolcüsünün iç döngüsü olarak düzenlenmiştir. Bu sistemin dış döngüsünde, iç döngüye açısal oran referansları üreterek açılar stabilize edilir. PID, doğrusal olmayan sistemleri kontrol etmek için tatmin edici bir sistem performansı sağlayan kanıtlanmış bir yöntemdir. Doğrusallaştırılmış veya basitleştirilmiş sistem modelleri genellikle PID denetleyicilerini tasarlamak için kullanılır ve uygulaması genellikle basittir. Diğer tarafta geri adımlamalı kontrol yöntemi, sistem modelinin doğrusal olmayan elemanlarını ihmal etmediğinden tercih edilmiştir. Bu yöntemin amacı, yinelemeli bir şekilde sanal sistem girdileri oluşturarak son girdileri elde etmektir. Doğrudan sistem hareket denklemlerini kullandığından, eksenler arasındaki ilişkiler ve aktüatör sürtünmeleri gibi doğrusal olmayan etkenler kontrolcüler tarafından ele alınabilir. Bu aynı zamanda bozucu etkilere karşı daha iyi performans sağlar. Stratejinin doğru bir şekilde takip edilmesi durumunda, geri adımlamalı kontrolcü tatmin edici sonuçlar verir. Bu kontrolcüleri tasarlayabilmek için bu çalışma kapsamında dört rotorlu İHA sistemi modellenmiştir. Hareket denklemleri elde edilmiş ve Simulink kullanılarak dört rotorlu İHA davranışı simüle edilmiştir. Kontrolcülerin verilen referanslara verdiği cevaplar, bu model gösteriminin kullanımı ile karşılaştırılmıştır. Önerilen kontrol yöntemlerinin doğrulanması için gerçek bir platform oluşturulmuştur. Dört rotorlu İHA, ana kontrol algoritmalarını içeren bir Pixhawk kartı kullanmaktadır. Bu algoritmalar Simulink'te oluşturulmaktadır ve programı Pixhawk'a aktarmak için Embedded Coder kullanılmıştır. Pozisyonlama işlemi için RaspberryPi kartı seçilmiş ve Simulink uygulaması ile de kullanılmıştır. Raspberry tarafından elde edilen görüntülerden, konum hataları hesaplanır ve böylece Pixhawk üzerindeki yönelim kontrolcüleri bu hataları sıfıra götürecek şekilde kontrol sağlayabilir. Bağlantı arayüzü olarak seri iletişim tercih edilmiş ve bu çalışmada donanım ve yazılım programları açıklanmıştır. Ana hedefin gösterdiği doğrultuda, tasarlanan lokalizasyon ve yol izleme yetenekleri hedef platformda gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, localization and trajectory following of a quadrotor is obtained with attitude and position control along with the help of an onboard monocular camera. Two control strategies are adopted for this aim, which are well-known PID and nonlinear backstepping controllers. For the PID algorithm, a cascaded structure is preferred so that angular rates are regulated as the inner loop of the attitude controller. At the outer loop of this system, angles are stabilized by producing rate references to the inner loop. PID is a proven method to control nonlinear systems, giving satisfactory system performances. Linearised or simplified system models are generally used to design PID controllers, and implementation is usually straight forward. On the other side, backstepping controller is selected since it does not cancel nonlinearities of the system model. The aim of this method is to obtain the final inputs by creating virtual system inputs in a recursive manner. Since it directly uses system equations of motion, nonlinearities like coupling between axes and actuator frictions are comprised by the controller. This also enables better performance in disturbance rejection. If the strategy is followed properly, backstepping gives satisfactory results. To be able to design these controllers, quadrotor system is modelled within this study. Equations of motion are obtained and quadrotor behaviour is simulated by using Simulink. The responses of the controllers to given references are compared with the usage of this model representation. A real platform is formed for the verification of the proposed control methods. The quadrotor uses a Pixhawk board which includes the main control algorithms. These algorithms are formed in Simulink and Embedded Coder is used to trasfer the program to the Pixhawk. For the localization operation, RaspberryPi board is selected and also used with Simulink application. From the images obtained by the Raspberry, position errors are propagated so that attitude controllers on the Pixhawk can regulate the errors down to zero for stabilization. Serial communication is preferred as the connection interface and hardware and software schemes are explained along this study. As the main aim orients, designed localization and path tracking capabilities are shown on the target platform.
Benzer Tezler
- Mikro hava araçlarının bilinmeyen ortamlarda görüntü temelli kontrolü
Vision based control of micro air vehicles in unknown environments
CİHAT BORA YİĞİT
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERDİNÇ ALTUĞ
- 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
- Trajectory tracking of a quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV) via attitude and position control
Dört rotorlu bir insansız hava aracının (İHA) yönelim ve pozisyon kontrolü aracılığıyla yörünge takibi
EMRE CAN SUİÇMEZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ TÜRKER KUTAY
- Design and control of a winch driven grasping mechanism for a quadrotor unmanned aerial vehicle
Dört rotorlu insansız hava aracı için makaralı yük alma-bırakma mekanizması tasarımı ve kontrolü
MEHMET OKAN GÜNEY
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERDİNÇ ALTUĞ
- Dört rotorlu bir hava aracının modellenmesi, simülasyonu ve PD kontrolcü kullanılarak yükseklik ve konum kontrolü
Modelling and simulation of a quadrotor and altitude and position control using PD controller
ENVER ELİTOK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiDumlupınar ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA TOSUN