Robust autopilot design via mu-synthesis for an unmanned aerial vehicle
Bir insansız hava aracı için mu-sentezi ile dayanıklı otopilot tasarımı
- Tez No: 613281
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Bu tez çalışmasında, altı serbestlik dereceli insansız bir hava aracı için, tanımlanan bir çalışma noktasında istenilen performansı ve uçuş kabiliyetini sağlayan otopilot tasarımı, Mu-sentezi yöntemi ile yapılmıştır. Sistemin modellenmemiş dinamiklerine, parametre değişimlerine ve dışarıdan gelen bozuculara karşı dayanabilen, ve istenmeyen etkiler altında sistem kararlığını koruyabilen dayanıklı bir otopilot tasarlanması amaçlanmıştır. Sistem modellemesinin doğru bir şekilde yapılması, tasarım doğruluğu ve simülasyonlarda elde edilen sonuçlar için önemlidir. Yüksek hassasiyette sonuçlar elde edebilmek için, dönen Dünya modeli ve altı serbestlik dereceli hareket denklemleri modellemede kullanılmıştır. Sistem modeli içerisinde atmosfer modeli, rüzgar modeli, dönüölçer modeli, kanat tahrik sistemi modeli ve dinamik model bulunmaktadır. Tez kapsamında çalışılan sistem, itkisiz özellikte bir insansız hava aracıdır. Sistem üzerinde kanat ve kanatçıklar bulunur. Sistem kanatçıkların kontrolü ile istenilen uçuş performansını sağlamaktadır. İnsansız hava aracı sistemi doğası gereği doğrusal olmayan bir yapıya sahiptir. İnsansız hava araçları genel olarak güdüm, kontrol ve navigasyon algoritmalarıyla yönlendirilmektedir. Güdüm algoritmasının görevi, istenilen konuma veya hedefe gidebilmek için uçuş güzergahını belirlemek ve bu güzergahı korumak için otopilot sistemine komutlar üretmektir. Ayrıca, hedef önünde bir engel varsa ona göre yörüngeyi düzenleyebilmektedir. Eğer hareketli bir hedef varsa, güdüm algoritması yörüngeyi yenileyerek hedefe doğru yönelimi sağlamaktadır. Navigasyon algoritması, hava aracının davranışını anlık olarak ölçümlemektedir. Hava aracının belirli bir eksen takımına göre açısal pozisyon bileşenlerini, açısal hız bileşenlerini, doğrusal ivme bileşenlerini, üç-boyuttaki pozisyonunu ve yüksekliğini gerçek zamanlı olarak ivmeölçer, dönüölçer, GPS alıcısı, yükseklik ölçer, pitot tüpü gibi sensörler aracılığı ile ve gerekmesi durumunda Kalman filtresi gibi algoritmaları kullanarak hesaplamaktadır. Kontrol sistemi, sistemi kararlı bir şekilde tutarak güdüm algoritmasının isterlerini gerçekleştirmek üzere tasarlanmalıdır. Kontrol sistemi, güdüm algoritmasından aldığı komutları sistem girdisi olarak alır ve sistem çıktısı olarak kanatçık açılarını belirlemektedir. Bu sistem uçuş kontrol sistemi veya otopilot olarak adlandırılır. Otopilot sistemi, sistemi istenmeyen etkiler altında da kararlı halde tutmalıdır. Bir hava aracının uçuşu boyunca, sistem dinamikleri sürekli değişmektedir. Hava katmanlarındaki farklı koşullar, örneğin bulunduğu yükseklik, sıcaklık, hava yoğunluğu değişimleri sistem dinamiklerini değiştirmektedir. Bu sebeple, tasarlanan kontrol sistemi farklı irtifa ve hızlar için performans ve kararlılık koşullarını sağlamalıdır. İnsansız hava araçlarının diğer hava taşıtlarına göre daha küçük olması, değişken hava koşullarında kontrollerini zorlaştırmaktadır. Rüzgar, türbülans gibi bozuculara karşı otopilot yapıları uçuş boyunca daha dayanıklı olmalıdır. Bu sebeple, dayanıklı otopilot tasarımı önem kazanmaktadır. Bu tez çalışmasında, doğrusal olmayan trim modeli, irtifa, hız, hücum açısı ve kayma açısı belirli aralıkta sınırlandırılarak, birçok kez doğrusallaştırılmıştır. Farklı çalışma noktalarında yapılan doğrusallaştırma işlemi ile, ortaya çıkan model değişimlerinden, tüm olası sistem modellerinin ailesi elde edilmiştir. Bu doğrusal sistem ailesini kapsayacak şekilde, istenen uçuş performansını sağlamak için Mu-sentezi ile otopilot tasarımı yapılmıştır. Ağırlık matrisleri, doğrusallaştırılmış modele uygun olarak belirlenmiştir. Tümleşik yapının test ve doğrulaması için, sisteme ayrıca sınırlı belirsizlik eklenmiştir. Böylece, insansız hava aracının doğrusal olmayan trim modelinden, doğrusallaştırılmış sistemin durum uzay modeli elde edilmiştir. Sistemin kararlılığı, tekil değer ayrıştırma aracılığı ile analitik olarak ölçülmüştür. Otopilot hatalarını önlemek amacıyla, öncelikle sistem modellemesinin doğru bir şekilde yapılması gerekmektedir. Sistemde yer alan tüm sistem alt dinamikleri, modelde yer almalıdır. Modellenmemiş dinamikler sebebiyle sistem, uçuş sırasında kararsızlığa düşebilir. Genellikle, yüksek frekanstaki modellenmemiş dinamikler, otopilot hatalarına sebep olmaktadır. Ayrıca, doğrusallaştırılmış modelde yer alan düşük frekanslı parametre değişimleri sistemi kararsız hale getirebilir. Sistem modellemesinde yer alan belirsizlikler dışında, rüzgar, ani rüzgar, türbülans, sensör ölçüm gürültüsü gibi çevreden gelen dış bozucular da sistemi kararsız hale getirebilmektedir. Bozucular, ayrıca performans kaybına da neden olmaktadır. Kapalı çevrim sistemin performans ve dayanıklıklılık sınırlarının tasarım aşamasında test edilmesi gerekmektedir. Ayrıca, insansız hava aracının yuvarlama, yunuslama ve yalpalama açılarını etkileyen kontrol yüzeyleri arasında etkileşim vardır. Örneğin, yuvarlama açısını etkileyen aileron komutu, yalpalama açısında değişime sebep olmaktadır. Kontrol yüzeyleri arasındaki bu etkileşim, kararsızlığa sebep olmaktadır. Bahsedilen bu problemden kurtulabilmek için, Çok-Girişli Çok-Çıkışlı (ÇGÇÇ) kontrol yapısı önerilmiştir. Ayrıca yuvarlama, yunuslama ve yalpalama açısal hızları da tasarıma dahil edilmiştir. Mu-sentezi yöntemi ile tasarlanan dayanıklı otopilot sistemi, kapalı çevrim sistem iç kararlılığını, modellenmemiş dinamikler, parametre değişimleri, dış bozucular ve kontrol yüzeyleri arasında bulunan etkileşim altında garanti eder. Tezin ilk bölümünde, insansız hava araçlarının kullanım alanlarından ve tarihinden kısaca bahsedilmiştir. Otopilot tanımı yapılmış ve otopilotun kullanım amacından bahsedilmiştir. İkinci bölümde, tüm modelleme aşamaları ayrıntılı olarak anlatılmıştır. Sistem tanımlamaları ve matematiksel denklemleri burada verilmiştir. Üçüncü bölümde, sistemin doğrusallaştırma işlemi anlatılmıştır. Otopilot tasarımında kullanılan Mu-sentezi yöntemi ve oluşturulan kontrol yapısı, ayrıntılı olarak anlatılmıştır. Dördüncü bölümde, kullanılan yazılımlar ve yardımcı araçlar verilmiştir. Ayrıklaştırma işlemi için kullanılan yöntemden bahsedilmiştir. Doğrusallaştırma işlemi sonucunda oluşan doğrusal aile modeline ait Bode diyagramları burada verilmiştir. Kontrolör tasarımına ait fonksiyonların Bode diyagramları da bu bölümde verilmiştir. Otopilot tasarımı, tek bir çalışma noktası için yapılmıştır. Otopilot tasarımı sürekli zamanda yapılmış ve daha sonra otopilot sisteminin ayrık zaman durum uzayı modeli elde edilmiştir. Otopilot sisteminin sürekli ve ayrık zaman durum uzayı modelleri, doğrusal sistem modelinde test edilmiş ve sonuçları verilmiştir. Otopilot sistemi, rüzgar altında doğrusal olmayan sistem modeli üzerinde test edilmiş ve çalışma noktası boyunca kapalı çevrim sistem iç kararlılığını koruduğu gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, an autopilot system for an unmanned aerial vehicle (UAV) is designed via Mu-synthesis based robust control system over a single operating point. Good tracking performance and robustness against the system's parameter uncertainties and external disturbances are achieved. In designing the control system for UAV, accurate modeling of UAV is crucial. To obtain high precision results, 6-degrees of freedom equations of motion of a rigid body that use a rotating Earth model are established. The model of the entire system comprises a dynamic model of UAV, aerodynamic effects, atmosphere model, wind model, inertial measurement sensor (IMU) model and control actuator system's model. Trimming procedure is employed to obtain the state-space representation of the linearized model from the nonlinear model of UAV. Unmodeled high-frequency dynamics and parameter variations of UAV can result in instability. The linearized model of UAV is a linear parameter varying system with respect to the changing of operating points. Concerning these changes of the operating points, the common approach in the literature is adjusting the gains of the control system. In other words, the system should remain stable even though the system's model is varying due to these changes. In this thesis, the variations of the model, that are caused by the different operating conditions, are captured into an uncertain family of all possible plants. The autopilot system is designed for a given flight condition via Mu-synthesis for that uncertain plant family. After trimming of the nonlinear model, state-space equations are used to design the flight control system and check the stability of the UAV. Besides uncertainties in the system model, external disturbances from the environment such as wind, gust and sensor measurement noise can cause instability. Disturbances lead to loss of performance. Performance and robustness bounds of the closed-loop system are necessary to be checked in the design phase. On the other hand, there exist significant couplings between the control channels of the UAV. For instance, giving an aileron command which generally affects the roll output, can cause a yaw output. These couplings can also cause instability. Therefore, to overcome the mentioned problem, a fully Multi-Input Multi-Output (MIMO) flight control structure is proposed. Mu-Synthesis based robust controller provides a robust internally stable closed-loop system under unmodeled dynamics, parameter variations, external disturbances and couplings.
Benzer Tezler
- Addressing parametric uncertainties in autonomous cargo ship heading control
Otonom kargo gemisi yön kontrolündeki parametrik belirsizliklerin ele alınması
AHMAD IRHAM JAMBAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. İSMAİL BAYEZİT
- Design of an adaptive controller for submarines via gain scheduling
Başlık çevirisi yok
DENİZ DUMLU
Yüksek Lisans
İngilizce
1993
Mühendislik BilimleriBoğaziçi ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Bilim Dalı
PROF. DR. YORGO İSTEFANOPULOS
- Performance enhancement of an air-to-air missile autopilot controller via genetic algorithms
Havadan havaya bir füze otopilot denetleyicisinde genetik algoritmalar ile başarım artırımı
FATİH OĞUZ
Yüksek Lisans
İngilizce
1998
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi ÜniversitesiSistem ve Kontrol Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FEZA KERESTECİOĞLU
- Robust control of a highly maneuverable aircraft
Yüksek manevra yetenekli bir uçağın dayanıklı (gürbüz) denetimi
MÜGE ERGÜN
Yüksek Lisans
İngilizce
1998
Uçak MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OZAN TEKİNALP
- Hava aracı otopilot destek sistemi olarak bir pilot sağlık takip sistemi tasarımı, prototiplenmesi ve entegrasyonu
Design, prototyping and integration of a pilot health monitoring system as a support system for aircraft autopilot
EFKAN YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN YENİÇERİ