Geri Dön

Quadrotor actuator fault detection and isolation. a model-based approach

Döner kanat aktüatör arıza tespiti ve izolasyonu. model tabanlı bir yaklaşım

PDF İndir

  1. Tez No: 949050
  2. Yazar: MUHAMMED ARSLAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. GÖKHAN İNALHAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 95

Özet

Insansız Hava Araçları (˙ IHA'lar), özellikle quadrotorlar, son yıllarda teknolojik geli¸smelerin bir sonucu olarak sivil ve endüstriyel alanlarda büyük bir ivme kazanmı¸stır. Bu araçlar, manevra kabiliyetleri, dikey kalkı¸s ve ini¸s (VTOL) yetenekleri ile mekanik sadelikleri sayesinde tarım, güvenlik, lojistik, arama-kurtarma ve hatta film prodüksiyonu gibi çok çe¸sitli uygulamalarda tercih edilmektedir. Küçük boyutları ve esnek yapıları, quadrotorları hem ticari hem de askeri operasyonlar için cazip hale getirse de, bu sistemlerin dogası gere ˘ gi do ˘ grusal olmayan, kararsız ve eksik aktüatörlü ˘ dinamikleri, uçu¸s kontrolünü dogrudan etkileyen fırçasız DC motorlardaki arızalara ˘ kar¸sı oldukça hassas olmalarını saglar. Motor performansında meydana gelebilecek ˘ herhangi bir bozulma, örnegin etkinlik kaybı (Loss of Effectiveness - LOE), uçu¸s ˘ güvenligini riske atabilir, görev ba¸sarısını tehlikeye sokabilir ve hatta ciddi kazalara ˘ yol açabilir. Bu baglamda, quadrotorların güvenilirli ˘ gini ve operasyonel süreklili ˘ gini ˘ artırmak için arızaların erken tespiti ve izolasyonu kritik bir öneme sahiptir. Bu tez, bu ihtiyacı kar¸sılamak amacıyla, dogrudan motor geri bildirimi gerektirmeyen, ˘ gerçek zamanlı ve saglam bir model tabanlı Arıza Tespiti ve ˘ ˙ Izolasyonu (FDI) sistemi geli¸stirmeyi amaçlamaktadır. Çalı¸sma, quadrotorların küçük ölçekli yapısına uygun, kaynak dostu bir çözüm sunarak, bu araçların hem güvenlik hem de özerklik açısından daha güvenilir hale gelmesine katkıda bulunmayı hedefler. Bu baglamda, tezimin ˘ motivasyonu, hem akademik hem de pratik bir perspektiften, quadrotorların arıza dayanıklılıgını artırmak ve bu alandaki literatüre yenilikçi bir katkı sa ˘ glamaktır. ˘ Arıza yönetimi sistemleri genellikle üç ana kategoride sınıflandırılır: model tabanlı, veri tabanlı ve hibrit yöntemler. Model tabanlı yakla¸sımlar, quadrotorun matematiksel modelini temel alarak arızaları tespit etmeyi amaçlar ve özellikle dogrusal olmayan ˘ dinamiklere sahip sistemler için saglam bir çerçeve sunar. Veri tabanlı yöntemler, ˘ yapay sinir agları ve uzun kısa vadeli bellek (LSTM) a ˘ gları gibi makine ö ˘ grenimi ˘ teknikleriyle büyük veri setlerinden arıza paternlerini çıkararak çalı¸sır, ancak model eksiklikleri ve çevresel belirsizlikler kar¸sısında sınırlı kalabilir. Hibrit yöntemler ise bu iki yakla¸sımın avantajlarını birle¸stirerek daha kapsamlı çözümler sunmayı hedefler, fakat karma¸sıklıkları nedeniyle gerçek zamanlı uygulamalarda bazı zorluklar dogurabilir. ˘ Bu tezde benimsenen yöntem, model tabanlı bir stratejiye dayanır ve iki tamamlayıcı gözlemciyi birle¸stirir: dogrusal olmayan Thau gözlemcisi ve dinamik tersine çevirme ˘ tabanlı bir aktüatör residüel gözlemcisi. Bu yakla¸sım, literatürdeki dogrusal gözlemci ˘ sınırlamalarını a¸sarak, quadrotorun tam dinamik modelini kullanır ve adaptif e¸sikleme ile gürültüye kar¸sı robustness saglar. Ayrıca, arıza büyüklü ˘ günü tahmin ederek hata ˘ toleransı kontrol tahsisine entegre eden bir mekanizma geli¸stirilmi¸stir. Bu, önceki çalı¸smalardan farklı olarak, hem hızlı tespit hem de uzun vadeli izleme yetenegi sunar. ˘ Yöntem, kaynak kısıtlamalı platformlar için optimize edilerek, literatüre pratik ve ölçeklenebilir bir katkı saglamayı amaçlar. ˘ Çalı¸smada, 2.3 kg kütleli gerçekçi bir quadrotor modeli MATLAB/Simulink ortamında geli¸stirilmi¸stir. Bu model, quadrotorun fiziksel parametrelerini (örnegin, kütle ˘ merkezi, atalet momenti) ve motor özelliklerini (itki katsayıları, tork ili¸skileri) dikkate alarak, gerçek dünya ko¸sullarını yansıtmaktadır. Quadrotor, dört simetrik rotoru ile lift ve kontrolü saglayan bir yapıya sahiptir; bu rotorlar, dikey hareketi sa ˘ glarken, açısal ˘ momentum farklarıyla tutum kontrolü gerçekle¸stirir. Dinamik model, Newton-Euler formalism kullanılarak türetilmi¸s ve 6 serbestlik derecesine sahip tam bir dogrusal ˘ olmayan model olarak formüle edilmi¸stir. Translasyonel dinamikler, motorların ürettigi itki kuvveti, yerçekimi ve dı¸s ˘ kuvvetlerin (örnegin rüzgar) etkisini dikkate alarak, atalet çerçevesindeki ivmeleri ˘ hesaplar. Rotasyonel dinamikler ise, motor torkları ve açısal hızlar üzerinden tutum degi¸simlerini tanımlar. Aktüatör sa ˘ glı ˘ gı, her motor için ˘ Wi parametresiyle modellenmi¸stir; Wi = 1 tam saglık, ˘ Wi < 1 ise etkinlik kaybını gösterir. Bu model, ani ve kademeli LOE arızalarını simüle etmek için geli¸stirilmi¸s ve kontrolör ile FDI sisteminin entegrasyonuna temel olu¸sturmu¸stur. Modelin dogrulanması, literatürdeki ˘ standart test verileriyle kar¸sıla¸stırılarak gerçekle¸stirilmi¸s ve bu, simülasyonların güvenilirligini artırmı¸stır. ˘ Geli¸stirilen FDI sistemi iki temel yapıdan olu¸smaktadır: Thau Gözlemcisi (Thau Observer): Bu yapı, quadrotorun tam dinamik modeline dayanarak sistem durumlarını (konum, hız, tutum) tahmin eder ve dogrusalla¸stırma ˘ gerektirmeden tüm uçu¸s ko¸sullarına uyum saglar. Bu gözlemci, ba¸slangıçta ˘ silahsız (disarm) modda ölçülen verilerle sürekli senkronize edilir; kalkı¸s moduna geçtiginde ise tek bir ölçümle initialize edilerek ba ˘ gımsız izlemeye ba¸slar. ˘ Tutum residüelleri (roll, pitch, yaw), motor arızalarının daha hızlı etkiledigi bu ˘ parametreler üzerinden degerlendirilir. ˘ • Dinamik Tersleme Temelli Tamamlayıcı Gözlemci (Dynamic Inversion Based Observer): Bu gözlemci, ölçülen ivme ve açısal hız verilerinden aktüatör davranı¸sını yeniden yapılandırır ve ikinci bir residüel seti olu¸sturur. Bu, arıza izolasyonunu güçlendirir ve motor saglı ˘ gı tahminlerini iyile¸stirir. Adaptif e¸sikleme ˘ teknigi, nominal çalı¸sma verilerinin istatistiksel özelliklerine dayanarak e¸sik ˘ degerlerini dinamik olarak ayarlar ve yanlı¸s alarmları önler. ˘ ˙ Iki a¸samalı büyüklük tahmin mekanizması, arızanın ba¸slangıcını hızlıca tespit eder (ilk a¸sama) ve ardından motor bozulmasının zamanla nasıl ilerledigini izler (ikinci a¸sama). Bu ˘ mekanizma, motor devir sayısına (RPM) dayalı bir gözlemciyle desteklenerek, kademeli arızalarda hassasiyet saglar. ˘ Bu çift gözlemci yapısı sayesinde, sistem hem arıza tespiti hem de arızanın türü (ani ya da kademeli) ve ¸siddeti hakkında bilgi saglayabilir. Ayrıca sistemin en büyük ˘ avantajlarından biri, dogrudan aktüatör geri beslemesi gerektirmeyen yapısıdır. Bu ˘ sayede agırlık ve karma¸sıklık bakımından sınırlı olan ˘ ˙ IHA sistemlerine kolayca entegre edilebilir. Tespit edilen arızaları telafi etmek için, bir hata toleransı kontrol tahsis stratejisi geli¸stirilmi¸stir. Bu strateji, her motorun etkinligini yansıtan bir sa ˘ glık matrisi ( ˘ Wc) kullanarak itkiyi yeniden dagıtır. Ani veya kademeli LOE arızalarında, bu sistem motor ˘ komutlarını gerçek zamanlı olarak ayarlayarak quadrotorun istikrarını korur. Simülasyonlar , MATLAB/Simulink ortamında 60 ve 120 saniyelik simülasyonlarla test edilmi¸stir. Ba¸slangıç ko¸sulları, quadrotorun yerde sıfır hız ve açıyla durdugu ˘ tipik bir kalkı¸s senaryosunu yansıtmı¸stır. Thau gözlemcisi, kalkı¸s modunda ölçülen verilerle initialize edilir ve residüel üretimi yerde modda ba¸slayıp kalkı¸sla aktif hale gelir. Adaptif e¸sik degerleri ise yerde hesaplanarak uçu¸s sırasında kullanılır. ˘ Tezde önerilen FDI sisteminin test etmek amacıyla çe¸sit test senaryolar uygulanmı¸stır. Bu senaryolar; 1. Nominal çalı¸sma durumu (hiçbir arızanın bulunmadıgı durum), ˘ 2. Ani etkinlik kaybı (Sudden Loss-of-Effectiveness, LoE), 3. Kademeli etkinlik kaybı (Gradual LoE), olarak sınıflandırılmı¸stır. ˙ Ikinci ve üçüncü senaryolarda, dört motorun her biri için ayrı ayrı uygulanmı¸stır. Ayrıca her test iki farklı ko¸sul altında gerçekle¸stirilmi¸stir: 1. Normal ko¸sullar: dü¸sük seviye sensör gürültüsü ve rüzgar etkisi olmayan durumlar. 2. Dı¸s bozucular altında ko¸sullar: 3 m/s'lik sabit rüzgar, 2 m/s ani rüzgar darbeleri ve sensör gürültüsü.Gürültü ( ±1°) duru¸s açılara ve açısal hızlara uygulanmı¸stır Ayrıca model parametrelere hata payı eklenmi¸stir ; 1. Atalet momentler yüzde 15 hata payı eklenmi¸stir, 2. autopilottaki motor model parameterleri modelden farklı tutulmu¸stur, Nominal ko¸sullarda, residüeller e¸sik içinde kalarak yanlı¸s alarmların olmadıgını ˘ dogrulamı¸stır; izleme hatası minimaldir ve motor sa ˘ glık göstergeleri birli ˘ ge yakın ˘ kalmı¸stır. Ani LOE senaryosunda, sistem arızayı 0.1-0.15 saniye içinde tespit etmi¸s, tutum residüelleri (özellikle roll ve pitch) keskin artı¸slar göstermi¸s ve dinamik tersine çevirme gözlemcisi motor saglı ˘ gı tahminlerinde tutarlı dü¸sü¸sler sergilemi¸stir. ˘ Kontrolör, itkiyi yeniden tahsis ederek istikrarı korumu¸s ve quadrotor görevini tamamlamı¸stır. Kademeli LOE'de, Thau gözlemcisi residüellerle arızayı 0.1-0.2 saniye içinde yakalamı¸s, tamamlayıcı gözlemci ise hata miktari etkin bir ¸sekilde takıp etmi¸stir. Yüzde 10'dan 40'a uzanan bozulmayı dü¸sük hata miktar ile takip yaklamı¸stır. Tüm testlerde hiçbir yanlı¸s tespit görülmemi¸stir ve residüeller e¸sik degerler için tutulmu¸stur. ˘ Özet olarak, önerilen FDI sisteminin ani ve kademeli LOE arızalarını güvenilir bir ¸sekilde tespit ettigini, hata büyüklüklerini do ˘ gru tahmin etti ˘ gini ve stabil kontrol ˘ performansını sürdürdügünü kanıtlamaktadır. Sistemin gürültü, rüzgar ve model ˘ hatalarına kar¸sı gösterdigi dayanıklılık, onu küçük ölçekli quadrotorlar için gerçek ˘ zamanlı bir çözüm haline getirmektedir. Bu çalı¸sma, literatüre pratik ve ölçeklenebilir bir katkı sunarken, gelecekte çoklu arıza tespiti ve donanım entegrasyonu gibi alanlarda geli¸stirilmeye açıktır.

Özet (Çeviri)

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), particularly quad-rotors, have gained increasing importance across a wide range of civilian and industrial applications due to their maneuverability, vertical take-off and landing (VTOL) capabilities, and mechanical simplicity. However, their inherently nonlinear, unstable, and underactuated dynamics make them highly sensitive to actuator faults, especially those related to the brushless DC motors that directly influence flight control. Any degradation in motor performance, such as loss of effectiveness (LOE), can compromise flight safety and mission success. This thesis focuses on developing a robust model-based Fault Detection and Isolation (FDI) system capable of detecting and isolating actuator faults in real-time without requiring direct motor feedback. The proposed methodology integrates two complementary observers: a nonlinear Thau observer for estimating system states and detecting deviations in attitude dynamics and a dynamic inversion-based observer that reconstructs actuator behavior from measured accelerations and angular rates. The combination of these two observers enables dual-residual evaluation, enhancing detection sensitivity and fault isolation performance, even under noisy measurements and model uncertainties. The nonlinear Thau observer is designed using the full Newton-Euler dynamic equations of the quadrotor, avoiding linearization and enhancing estimation accuracy across the entire flight envelope. The dynamic inversion observer provides a secondary set of residuals by comparing estimated motor responses with expected motor behavior. An adaptive thresholding technique is implemented to handle noise and varying flight conditions, while a two-stage magnitude estimation mechanism enables both fast detection and reliable steady-state assessment of fault severity. Finally, a fault-tolerant control allocation strategy is incorporated to compensate for the detected faults using the estimated fault magnitudes. The complete system was tested in a simulation environment with a realistic quadrotor model. Various fault scenarios, including sudden and progressive LOE faults affecting different motors, were introduced. The results show that the proposed system effectively detects faults within a range of 0.1 to 0.3 seconds from the moment they occur. The fault magnitude was accurately estimated, enabling the controller to adjust thrust using a fault-tolerant control allocation strategy. This allowed the quadrotor to maintain stability and successfully complete its mission, even with partial motor faults. The simulation results validate that the system is capable of detecting both sudden and gradual Loss of Effectiveness (LOE) faults, estimating their magnitude, and ensuring consistent control performance. Overall, the approach developed in this thesis presents a real-time, lightweight FDI solution that enhances the reliability and safety of quadrotor UAVs, making it suitable for practical application in mission-critical scenarios.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    418948

    Fault tolerant control of a quadrotor UAV

    Dört rotorlu bir İHA'nın arıza toleranslı kontrolü

    MAJID MOGHADAM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN

  2. Tez No

    553999

    Modeling, real-time simulation and control of quadrotor vehicles

    Quadrotor araçlarının modellenmesi, gerçek zamanlı simülasyonu ve controlü

    HACİ BARAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. İSMAİL BAYEZİT

  3. Tez No

    527961

    An algorithmic fault-tolerant control architecture without actuator redundancy

    Yedek tahrik unsuru kullanılmayan bir algoritma tabanlı hata toleranslı kontrol mimarisi

    ALP MARANGOZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ TÜRKER KUTAY

  4. Tez No

    677329

    Robust and adaptive quadrotor control for uncertain and fault conditions

    Belirsizlik ve arıza durumları için sağlam ve uyarlanabilir quadrotor kontrolü

    MUHAMMED BUĞRAHAN ARTUÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL BAYEZİT

  5. Tez No

    680426

    Fault tolerant control of a quadrotor helicopter

    Dört pervaneli helikopterin hata toleranslı kontrolü

    YARKIN HOCAOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Mekatronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ÜNEL

Geri Dön