Fault tolerant control of a quadrotor helicopter
Dört pervaneli helikopterin hata toleranslı kontrolü
- Tez No: 680426
- Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA ÜNEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 110
Özet
İnsansız hava araçlarının uygulama alanları son on yılda epey artmıştır. Rafta hazır, düşük maliyetli sensör ve eyleciler bu araçların kullanım imkanlarını genişletmiştir. Bu cihazlar lojistikten gözetlemeye kadar çeşitli görevlerde kullanılabilir ve bu durum araştırmada yeni gelişmelere öncelik etmektedir. Bir insan operatörü yerine gömülü bir bilgisayar üzerinden çalışma fikri, verim ve maliyet açısından önem arz etmektedir. Ancak tamemen bilgisayar tabanlı bir sistemde, güvenlik açısından başka kaygılar öne çıkabilir. Özellikle, kalabalık ortamlar gibi yüksek güvenlik önlemi gerektiren koşullarda yeni kısıtlamalar olması kaçınılmazdır. Hata toleranslı kontrolcü tasarımı, bu güvenlik açıklarına hizmet etmek amacıyla tasarlanır ve olabilecek hata senaryolarını modelleyip kurtararak görevi güvenilir kılmak için çalışır. Hata kurtarma çalışmaları, çok rağbette olan bir çalışma konusu olup sistemin gürbüzlüğünü arttırmaya ve hatalara karşı bağışıklı olmayı amaçlar. Bu tezin konusu, dört pervaneli bir helikopter için hata toleranslı kontolcü geliştirme üzerinedir. Yüksek sadakatli doğrusal olmayan bir model Newton-Euler formülasyonuyla geliştirilmiştir ve gerçek uçuş senaryolarını yansıtması adına Dryden rüzgar efekti ve sensör gürültüsü de eklenmiştir. İç ve dış kontrol döngülerini içeren, hiyerarşik bir kontrol algoritması geliştirilmekle birlikte; PID-LQG kontolcüsü pozisyon ve oryantasyon kontrolü için kullanılmıştır. Bütün sistem parametrelerini geri beslemek adına, önce bir lineer İki Kademeli Kalman Filtresi kullanılmıştır. Bu filtre hem hata hem de sistem parametrelerini tahmin etmek için kullanılmıştır. İkinci olarak, bir Genişletilmiş Kalman Filtresi sistem parametre tahminini iyileştirmek için kullanılmıştır. Sistemi dış bozucu ve belirsizliklere karşı gürbüz kılmak adına kontrol sistemi üzerine bir kargaşa gözlemcisi entegre edilmiştir. Simülasyondan alınan sonuçlara istinaden, tasarlanan hata toleranslı kontrolcünün eyleyici ve sensör hatalarını bulup, yörünge takip senaryosında başarılı bir şekilde ve mantıklı kontrol eforu ile telafi edebildiği görülmüştür.
Özet (Çeviri)
Application areas of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are widened significantly over the last decade. Off-the-shelf components such as low-cost sensors and actuators have broaden their usability. UAVs can be used in various missions from logistics to surveillance where ongoing research keeps encouraging new developments. Substituting a human operator with an on-board computer proposes a very appealing solution to improve the operation productivity and the cost. However, this replacement raises some safety concerns and it might be harder for a flight computer to recover from hazardous situations. Especially, UAVs that operate over crowded areas and high safety demanding environments introduce new constraints on their design process. Fault Tolerant Controllers (FTC) serve to reduce this safety gap by modeling and recovering faults during a mission. Fault recovery is a highly sought-after research topic where it is aimed to increase robustness and immunity to possible fault scenarios. This thesis deals with developing a fault tolerant controller for a quadrotor helicopter. A high-fidelity nonlinear model of a quadrotor is constructed using Newton-Euler formulation where Dryden wind effects and sensor noise are included to simulate real-world flight conditions. A hierarchical control algorithm is employed for outer and inner control loops where PID-LQG controllers are designed to control position and attitude dynamics. For full state feedback, first a linear Two-Stage Kalman Filter (TSKF) is implemented to detect and estimate the faults and provide state estimates. Second, an Extended Kalman Filter (EKF) is used to provide more accurate state estimates. In order to increase robustness to external disturbances and uncertainties in the plant dynamics, a disturbance observer is designed and integrated to the control system. Simulations carried out with the high fidelity model have shown that the proposed fault tolerant control algorithms successfully detect and compensate for actuator and/or sensor failures in a trajectory tracking task, and hence provide good tracking performance with reasonable control effort.
Benzer Tezler
- Fault tolerant control of a quadrotor UAV
Dört rotorlu bir İHA'nın arıza toleranslı kontrolü
MAJID MOGHADAM
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN
- Sensor fault tolerant control of a quadrotor uav
Dört rotorlu insansız bir hava aracının sensör arızalarına toleranslı kontrolü
MEHMET GÖKBERK PATAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN
- Hata-toleranslı uçuş kontrol sistemi tasarımı
Fault-tolerant flight control system design
KEMAL BÜYÜKKABASAKAL
Doktora
Türkçe
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEge ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYDOĞAN SAVRAN
DOÇ. DR. BARIŞ FİDAN
- Bir quadrotora arıza toleranslı uçuş kontrol sistemi tasarımı
Fault tolerant flight control system design to a quadrotor
AHMET ERMEYDAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAnadolu ÜniversitesiHavacılık Elektrik ve Elektroniği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. EMRE KIYAK
- Modeling, real-time simulation and control of quadrotor vehicles
Quadrotor araçlarının modellenmesi, gerçek zamanlı simülasyonu ve controlü
HACİ BARAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. İSMAİL BAYEZİT