Control algorithms applied to uav for search and rescue over water
Su üzerinde arama ve kurtarma çalışmaları için UAV'ye uygulanan kontrol algoritmaları
- Tez No: 640150
- Danışmanlar: PROF. DR. ABDULRAHMAN HUSSIAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 169
Özet
Bu araştırma, özellikle su üstü arama ve kurtarma çalışmalarında kullanmak üzere çok aşamalı uyarlanabilir PID kontrolcü vasıtasıyla 4 pervaneli robot helikopter araçları zorlu hava koşulları altında kontrol etme metodunu anlatmaktadır. Çok aşamalı kontrolcü pozisyon, açısal pozisyon ve motor kontrolünü kapsamaktadır. Pozisyon ve rakım kontrolcüleri basit PID kontrol sürecine dayanmaktadır. PID parametrelerini optimize etmek için Genetik Algoritma'yı (GA) optimizasyon tekniği olarak düşündük. GA çevrimdışı planlanmış rotayı baz alarak çok aşamalı PID'nin parametlerini optimize etmeye çalışacak. Optimizasyon işlemi, kontrolcü parametrelerini planlanan yola göre ayarlamak için çevrimdışı olarak planlanan bir uçuş için gerçekleştirildi. Bütün PID kontrolcüleri diğer kontrolcüleri etkilediği için optimizasyon süreci bütün PID parametreler için eş zamanlı olarak yapıldı. Güçlü bir 4 pervaneli robot helikopter kontrol sistemi sunmak amacıyla alan ve oryantasyon için 6 adet PID kontrolcüsü uygulandı. GA'mızı uyarlanabilir bir GA olması için geliştirdik. Önerilen Uyarlanabilir GA(UGA) metodu daha küçük başlangıç popülasyonu ve daha az iterasyon sayısı kullanarak sonuçları yüksek oranda iyileştiriyor. Modifikasyon yeni kromozomların yani“yeni sonuçların”oluşma mekanizmasını en iyi sonuca baglı olarak değiştiriyor. Adaptasyon süreci, sürec hızlandırıcısı olarak kullanılacak rasgele sayıların en iyi sonuç dolaylarından seçilmesiyle elde edilecek. Lokal minimum durumunu önlemek amacıyla ragele değerler belirli limitlerle sınırlandırıldı. Geleneksel GA metodlarına kıyasla, sunulan yeni kromozomlar üretme metodu çok daha hızlı sonuçlar veriyor. Optimize edilmiş bir 4 pervaneli robot helikopter sistemine dair simulasyon ve sunulan metodla geleneksel metodların performanslarını kıyaslayan bir karşılaştırma da hazır. Sonuçlar sunulan metodun geleneksel metodlara kıyasla çok daha iyi performans gösterdiğini ortaya çıkartıyor. Stabillikte, daha iyi geçici cevap konusunda ve güç tüketiminde iyileşme sağlıyor. Çevrimdığı optimizasyon süreci her kargaşa senaryosu için farklı PID parametreleri sağladı. Bu durum PID parametleri arasındaki ilişkinin lineer olmadığı çıkarımına varmamıza ve çok aşamalı bir PID kontrolcü üretmemize sebep oldu. PID parametrelerinin lineer olmama durumunu çözmek için bulanık kontrolcüler ve yapay sinir ağı kontrolcüleri PID kontrolcüleriyle etkileşime sokuldu. Bu kontrolcüler PID paremetrelerini motora etki eden harici kargaşaları baz alarak ayarlayacak. Her iki kontrolcü de stabilliğini korudu ve hedefe küçük farklarla ulaştı. 4 pervaneli robot helikopterin denizlerde kullanılanlar gibi bazı mevcut uygulamaları hareket halindeki araçlardan fırlatma şeklinde yapılıyor. Olduğunu, bu tür 4 pervaneli robot helikopterin sabitlenmemiş bir gemiye inişi özenle yapılmalıdır. En yaygın kullanılan eylemsizlik referans çerçeveleri. Dünya'nın yüzeyine ve Dünya Merkezli sabit kordinat sistemine bağımlı çalışan Geodetik Kordinat Sistemleri. Bu çalışma ivmelenme ve hareketli bir obje olan quad-rotorun pozisyonunu eylemsizlik referans çevrelerinin geçerli olmadığı bir düzlemde analiz etti. Sonuç olarak, kontrolcüleri ayırdık ki pratik operasyonlar için fiziksel programlanabilir cihazlarla programlanmaya hazır olsunlar.
Özet (Çeviri)
This research addresses the method of controlling quad-rotor under harsh weather conditions using Multi-Stage Adaptive PID controller; particularly for search and rescue operations overwater. Multi-stage controller includes position control, attitude control, and motor control. Controllers for position and attitude were based on the basic PID control process. In order to optimize PID parameters, we considered Genetic Algorithm (GA) as an optimization technique. GA will attempt to optimize the parameters of multi-stage PID controllers, depending on an offline-planned path. The optimization process is performed for an offline-planned flight to adjust the parameters of the controller according to the planned path. The optimization process is carried out for all PID parameters simultaneously as each PID controller affects the other controllers. Six PID controllers for the location and orientation implemented to provide a robust quad-rotor control system. We have developed GA to be an Adaptive GA, the proposed AGA method produces highly improved results using smaller initial population and a smaller number of iterations. The modification affects the mechanism of generating new chromosomes“new solutions”depending on best solutions. The process of adaptation is achieved by creating new random values around the best solution which will accelerate the process. To prevent a local minima solution, random values are constrained by limits. Compared with conventional GA methods, the proposed method of generating new chromosomes provides much faster results. A simulation of the optimized controller for a quad-rotor system is presented and a performance comparison between proposed and conventional methods is presented as well. The results show that the proposed method has outperformed the conventional method. It provides improvement in stability, better transient response and less power consumption. The offline optimization process provided different PID parameters for each disturbance case. Hence, the relationship between PID parameters and disturbance values is non-linear, which has led us to develop multi-stage PID controller to multi-stage Adaptive PID controller. To solve the non-linearity of PID parameters, Fuzzy and Neural Networks controllers were used to interact with the PID controller. Those controllers will adjust PID parameters based on the strength of external disturbances affecting the quad-rotor. Both controllers retained stability and achieved their target with small differences in performance. Some of current applications of quadrotors, such as those used in sea search and rescue operations, will be launched from a moving vessel. That is, landing of such quad-rotors would have to take into account the vessel's non-inertial location to land on. The most widely used inertial frames are Geodetic Coordinate System that depends on earth's surface and Earth-Centered Fixed Coordinate System. This work analyzed the velocity, and position of quad-rotor that is based on a moving object as a non-inertial frame of reference. Finally, we discretized the controllers so that they would be ready to be programmed in physical programmable devices for practical operations.
Benzer Tezler
- Arazi verisine dayalı konumlandırma ve seyrüsefer sistemi tasarlanması
Development of a terrain referenced localization and navigation system
HİKMET YİĞİT
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolHava Harp Okulu KomutanlığıBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. GÜRAY YILMAZ
- Yapay arı kolonisi yöntemi ile insansız hava araçları için yol planlama
Route planning for unmanned aerial vehicles with artificial bee colony
VOLKAN ÇAVUŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolYalova ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ADEM TUNCER
- Engellerden kaçınan ve çoklu hedef takib sistemi gerçekleştirebilen akıllı sürü İHA navigasyonu
Intelligent swarm UAV navigation system with obstacles avoidance and multi-target tracking capability
ELEBAID KHALID ELSAYED BAKHIT
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolPamukkale ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET ÖZEK
- Histogram-based sampling and multi-level global registration for 3D point clouds
3B nokta bulutları için histogram tabanlı örnekleme ve çok katmanlı global eşleştirme
OSMAN ERVAN
Doktora
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ
- Dört kanatlı mikro hava aracı tasarımı ve kontrolü
Design and control of micro aerial vehicle with four flapping wings
ABDURRAHMAN İŞBİTİRİCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERDİNÇ ALTUĞ