Trajectory tracking control of quadrotor UAV with LPV approach MPC controller
Dört kanatlı bir İHA'nın LPV yaklaşım MPC kontrol ile yörünge takip kontrolü
- Tez No: 895201
- Danışmanlar: PROF. DR. ELBRUS JAFAROV
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Mechanical Engineering, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 103
Özet
Gelişmekte olan teknoloji ile birlikte son birkaç on yılda quadrotorlar ya da daha genel kullanılan ismi ile dronlar oldukça yaygın bir şekilde kullanılmaya başlandı. Bunun başlıca sebebi zaman içerisinde düşen maliyetin ulaşılabilirliği arttırması olarak gösterilebilir. Düşen maliyetlerle birlikte, dronların birçok yeni kullanım alanları ortaya çıkmaya başlamıştır. Bunlardan en sık en etkili kullanım alanı ise sinema dünyası ve savunma teknolojileridir. Her ne kadar savunma teknolojilerinde kullanılan insansız hava araçlarına da drone denede burada bahsi geçen dronlar türlerine göre farklılık göstermektedir. Temelde drone olarak hitap edilen insansız hava araçları üçe ayrılmaktadır. Sabit kanatlı, döner kanatlı ve hibtit insansız hava aracı bu üç türü temsil etmektedir. Bu yapılan tez çalışması temelde döner kanatlı insansız hava aracı olan türü ele almaktadır. Döner kanatlı insansız hava araçları pervane sayısına göre sınıflandırılmaktadır. Burada ele alınan araç dört pervaneli quadrotor olmuştur. Qaudrotorların düşen maliyet, yazılım ve elektronik alanında kat edilen gelişmeler özellikle kontrol mühendislerini quadrotorlar üzerine çalışmak konusunda teşvik edici olmuştur. Kolay ulaşabilirlik ve kolay test edilebilmeleri başlıca araştırmacılara sağladığı büyük avantajlardan en önemlileridir. Bu nedenle geçen son yıllarda quadrotorlar üzerine bir çok çalışma yapılmıştır. Her ne kadar test etmek kolay olsa da bir quadrotorun kontrolü görece karmaşık bir yapıya sahiptir. Bunun en temek nedeni bir quadrotorun altı serbestlik derecesine sahip olmasına karşın, bunlar x, y, z koordinatları ile yuvarlanma, yunulama ve yalpalama açılarıdır, dört girişe sahiptir, bunlar itki ile yuvarlanma, yunulama ve yalpalama açılarıdır. Bu nedenle yeterince iyi modellenmemiş bir kontrolcü ile quadrotor kontrol etmek olasılık dışıdır. Quadrotorların bu karmaşık yapısı sebebi ile araştırmacılar geçmişte doğru bir matematiksel model çıkartma konusunda oldukça fazla çalışmalar yapmışlardır. Bu çalışmaların sonucunda literatürde şu anda gerçeğe oldukça yakın pek çok quadrotor matematiksel modeli bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında en temelden bir quadrotor matematiksel denklemlerinin çıkartılışı anlatılmış olsa da bu çıkarımlar literatür araştırmaları sonucunda ve bazı varsayımlar sonucunda elde edilmiştir. Oluşturulan bu matematiksel model oldukça girift bir yapıya sahiptir. Bu nedenle quadrotor üzerinde kontrol çalışması yapan araştırmacılar olabildiğince tek bir kontrolcü ile tüm sistemin kontrol edilmesinden kaçınırlar. Bunun temel sebebi oluşan bu girift yapı kontrolcünün cevap süresini uzatması ve birbirleriyle bütünleşmiş çalışan sistemler kullanılan aynı tip ve güçteki kontrolcülerin yeterince iyi cevap verememesidir. Litereatürde tasarlanan quadrotor kontrolcülerinin büyük çoğunluğu temel iki kontrolcü şaması üzerinden yapılmaktadır. Bunlar yükseklik ve tutum kontrolcüleridir. Tutum kontrolcüsü quadrotorun açılarının tayin edilmesinde ve yükseklik kontrolcüsü de yüksekliğin ayarlanmasından sorumludur. Quadrotorun koordinat düzlemindeki x ve y eksenlerinden yapacağı hareketler bunlara bağlı olan yuvarlanama yunulama ve yalpalama açıları aracılığı ile sağlanmaktadır. Yapılan bu tez çalışmasında da temelde iki adet kontrolcü kullanılarak bir quadrotorun yörünge takip kontrolcüsü tasarlanmıştır. Yükseklik kontrolü bir geri besleme kontrolcüsü ile sağlanırken quadrotorun asıl hareketini belirleyen tutum kontrolcüsü ise Model Öngörülü Kontrol (MPC) ile sağlanmıştır. Model Öngörülü Kontrol temelde çevrimiçi bir optimizasyon kontrolcüsü olması sebebiyle oldukça güçlü bir kontrolcüdür. Fakat doğrusal Model Öngörülü Kontrol matematiksel modeldeki değişimlerin kontrolcü üzerinden adapte edilmemesi sebebiyle hatalı sonuç verebilmektedir. Bu nedenle bu çalışmada Model Öngörülü Kontrol ile tasarlanan kontrolcüye Doğrusal Değişken Parametre(LPV) metodu uygulanmıştır. Doğrusal Değişken Parametre (LPV) metodu temelde bir yaklaşıma dayanmaktadır. Bu yaklaşım da kontrol edilen sistemdeki tüm doğrusal olmayan denklemlerinin bir matrise toplanacak şekilde durum-uzay modelinin çıkartılması ve bu doğrusal olmayan parametrelerin ayrık zamanda her bir zaman örneklemi arasında doğrusal ve sabit olduğu düşünülmesi bu nedenle de sisteme doğrusal sistem yaklaşımlarının uygulanmasının uygun hale gelmesini dayanmaktadır. Bu yaklaşım oldukça başarılı olmakla birlikte yapılan bu tez çalışmasında simülasyon sonuçlarının mükemmele yakın olduğu görülmüştür. Model Öngörülü Kontrol temelde iki adet matematiksel model ile çalışmaktadır. Klasik bir kontrol siteminde kontrolcüden elde edilen cevaplar matematiksel modele veya gereç zamanlı bir sisteme iletilir ve modelsen ve ya sistem sensörlerinden alınan cevaplar yeniden kontrolcüye iletilerek bir döngü oluşturulur. Ardından kontrolcü geri beslemelere göre yeni bir giriş sinyali sisteme gönderir ve döngü devam eder. Model Öngörülü Kontrolde ise modelden gelen durum cevapları kontrolcüye iletilir ve kontrolcü kontrol ufku boyunca öngörüde bulunur. Bunu da kendi içerisinde bulunan matematiksel model üzerinde test eder ve elde ettiği sonuçları optimal bir şekilde dengeler. Ardından bu optimal sonuçlardan ilk ayrık zamandakini gerçek sisteme iletir ve döngü devam eder. Her zamana aralığında öngörüde bulunularak en optimal sistem girdisini elde edilmesi oldukça göz alıcı gözükse de beraberinde bazı sorular getirmektedir. Bunların en temeli yüksek işlem gücü gereksinin ve buna bağlı olarak geç sistem cevabıdır Her ne kadar Doğrusal Değişken Parametre (LPV) metodu ciddi bir avantaj sağlamış olsa da Model Öngörülü Kontrol 'ün (MPC) hantal bir kontrolcü olması sistemlerin yavaş çalışmasına neden olmaktadır. Bu nedenle bu yapılan çalışmada simülasyon sonuçları her ne kadar oldukça iyi gözükse de gerçek bir sistemde elde edilecek sonuçlar buradakilerden ciddi farklılıklar gösterebilir. Bu nedenle bu çalınmanın ileri açası olarak buradaki kontrolcü tasarımının gerçek bir quadrotor üzerinden test edilmesi gerekmektedir.
Özet (Çeviri)
For the last couple of decades, quadrotor control is one of the trending research topics since it has wide areas in use. On the other hand, quadrotors are relatively complex systems since they have six degrees of freedom and only four inputs. Three inputs are pitch, roll, and yaw angle, and one input is the thrust force of the motors. From that point, two control loops have been used for most research about quadrotor control. Also in this research trajectory tracking control of the quadrotor is obtained by two control loops. The position control has been obtained by feedback control, which is responsible for reaching the desired x,y, and z coordinates and speed of the quadrotor from each direction relative to the earth frame. The MPC (Model Predictive Control) achieves attitude control with LPV (Linear Parameter Varying) approach. LPV method is obtained by collecting all of the nonlinear parameters on the state-space equations of the quadrotor to the A matrix. Since MPC control works on the discrete-time from each time sample, we can assume all the variables on the matrix A as constants, and the control algorithm can be handled as a linear system. But the quadrotor model remains nonlinear. For testing this approach on the quadrotor MATLAB model is designed and tested on different trajectories. From each trajectory, the quadrotor catches the trajectory and follows it smoothly. From this research perspective, the LPV-MPC method has good results on trajectory tracking but it needs to be tested on the real-time system to observe CPU usage on the quadrotor.
Benzer Tezler
- Dört pervaneli bir insansız hava aracının takip denetiminde giriş zaman gecikme etkilerinin telafisi
Input time delay compensation in tracking control of a quadrotor UAV
HÜSEYİN YILMAZTEKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SERHAT OBUZ
- Model predictive control of quadrotor UAV linear model
Lineer model quadrotor İHA'nın model öngörülü kontrolü
ARDEN KUYUMCU
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. İSMAİL BAYEZİT
- Tracking control methodologies for a quadrotor UAV
Dört rotorlu bir İHA için yol takibi kontrol yöntemleri
BORA BAYRAKTAROĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MÜJDE GÜZELKAYA
- Dört rotorlu bir insansız hava aracının kayan kipli kontrolcü ile yörünge takibinin gerçekleştirilmesi
Trajectory tracking control of a four rotor unmanned aerial vehicle using sliding mode controller
KAAN CAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ABDULLAH BAŞÇİ
- İnsansız araçlar için optimum uzaysal yörünge planlama algoritmaları geliştirilmesi ve uygulanması
Development and implementation of optimal spatial trajectory planning algorithms for unmanned vehicles
MERVE ÇETİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Mekatronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VASFİ EMRE ÖMÜRLÜ