Design and experimental validation of an adaptive integral chattering-free sliding mode control for quadrotor attitude tracking
Bir dört pervaneli iha'nın yönelim takibi için uyarlamalı integral ve çatırtısız kayan kipli denetimin tasarımı ve deneysel doğrulaması
- Tez No: 980481
- Danışmanlar: PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN, DR. ÖĞR. ÜYESİ FATİH ADIGÜZEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Dört pervaneli hava aracının tutum denetimi, uygulamada sıkça karşılaşılan modelleme belirsizlikleri, dış bozucular ve kısmi aktüatör arızalarına rağmen doğru ve kararlı kalabilmelidir; aksi halde performansları belirgin biçimde düşmektedir. Kayan kipli denetim (KKD) yapısal olarak güçlü bir dayanıklılık sunmaktadır; ancak anahtarlamalı doğası nedeniyle ortaya çıkan çatırtı etkisi, yüksek frekanslı denetim sinyalleri üreterek istenmeyen titreşimlere ve eyleyici yıpranmasına yol açmıştır. Oransal–integral–türevsel denetim (OİT) ise uygulama açısından pratik bulunmuştur; buna karşın parametre belirsizliklerine ve dış bozuculara karşı yeterli dayanıklılığı gösterememiştir. Bu tezde amaç, söz konusu sınırlılıkları aşacak bir yaklaşım geliştirerek, belirsizlikler ve arızalar altında dahi performansı koruyan, denetim işareti bakımından çatırtısız ve dayanıklı bir tutum denetimi elde etmek olmuştur. Bu hedef doğrultusunda, tam mertebeden kayan kipli denetim (TMKKD) ve önerilen uyarlamalı integral çatırtısız kayma kipli denetim (UİÇKKD) yapıları tasarlanmış ve ayrıntılı biçimde doğrulanmıştır. Böylece KKD'nin dayanıklılığı korunurken çatırtı etkisi ortadan kaldırılmıştır. Fizik temelli ancak denetim odaklı bir model kurulmuştur. Bunun için önce sabit dünya çerçevesi ile araca gövdeye sabit çerçeve tanımlanmış, tutumun ifadesi için standart sapma–yunuslama–yatış sıralamasına dayalı üçlü açı tanımlaması kullanılmıştır. Ardından rijit cisim kinematiği ve Newton–Euler dinamiği türetilmiş, itki ve moment üretimi, yatay düzlemde ortaya çıkan aerodinamik sürükleme etkileri ve gövde ile dönen rotorların doğurduğu jiroskopik etkiler modele açık biçimde dahil edilmiştir. Böylece konum–hız–açı değişkenleri ile rotor kaynaklı kuvvet ve momentlerin etkileşimi tutarlı bir yapıda yakalanmış, denetleyici tasarımında ihtiyaç duyulan giriş–çıkış ilişkileri netleştirilmiştir. Denetleyici tasarımını kolaylaştırmak ve benzetim ile gerçek sistem dinamiği farkını azaltmak amacıyla makul ve literatürde yaygın olarak kabul edilen sadeleştirmeler yapılmıştır. Tutum kanallarındaki küçük genlikli aerodinamik momentler ihmal edilmiş, rotor ataletlerinin gövde ataletlerine göre düşük etkisi varsayılarak modele alınmamıştır. Buna karşılık baskın jiroskopik etkiler korunmuş ve toplu bir ifade ile temsil edilmiştir. Bu tercih, bir yandan matematiksel karmaşıklığı azaltmış, diğer yandan denetim açısından önemli olan bağlaşım terimlerinin kaybolmamasını sağlamıştır. Elde edilen tutum alt sistemi, kuvvet ve moment girdilerine göre afin bir yapıda ortaya konmuş, dolayısıyla kazanç tasarımı, dayanıklı denetim ve uyarlamalı yöntemlerin uygulanmasına elverişli, tekrarlanabilir ve parametreleri açık bir model elde edilmiştir. Sonuçta, kinematik bağıntılar ve Newton–Euler temelli dinamikler birlikte ele alınarak, denetim girdileriyle doğrudan ilişkilendirilebilen, hesaplama olarak hafif, deneysel olarak ayarlanabilir ve benzetimden gömülü uygulamaya taşınabilir bir tutum modeli oluşturulmuştur. Bu model, sağlam denetim ve uyarlamalı sentez adımlarında kullanılmak üzere standartlaştırılmış değişken kümeleri ve sınırları tanımlamış, karşılaştırmalı denemeler için ortak bir zemin sağlamıştır. Dört denetleyici tekniği yan yana değerlendirilmiştir: OTT, KKD, çatırtısız TMKKD ve önerilen UİÇKKD. OTT, genel olarak hem kazanç ayarlama kolaylığı hem de uygulama açısından pratik bulunmuştur; ancak kalıcı sapmalar, parametre belirsizlikleri ve birleşik bozucular karşısında dayanıklılık sunamamıştır. KKD, yapısal olarak güçlü dayanıklılık sunmuştur; buna karşılık anahtarlamalı yapısı denetim işareti karesel ortalama karekök (KOK) değerlerini arttırmış ve eyleyiciler açısından sakıncalı olabilecek çatırtı üretmiştir. Literatürdeki TMKKD, sürekli ve yüksek mertebeli bir tasarımla çatırtıyı ortadan kaldırmıştır; ancak çevrim içi uyarlama içermediği için bilinmeyen ve zamana bağlı belirsizlikler altında dayanıksızlık sergilemiş ve sistemin nominal modelden sapması durumunda referans takibini telafi edememiştir. Bu tez, UİÇKKD yaklaşımını sunmuştur. Çatırtının giderilmesi, denetim işaretinin birinci mertebeden türevinin hesaplanıp integrali alınarak sürekli bir komuta dönüştürülmesi ve bu komutun sisteme uygulanması ile sağlanmıştır; böylece süreksiz anahtarlama ortadan kaldırılmış, buna karşın dayanıklılık korunmuştur. Bunun üzerine, çevrim içi parametre uyarlaması, afin yığılmış dinamiklerin yalnızca gerekli bileşenlerini kestirmiş; modelleme hataları ile dış bozucular gerektikçe telafi edilmiştir. Lyapunov temelli bir çözümleme ile işaretlerin üstten sınırlı kaldığı ve izleme hatalarının asimptotik olarak sönümlendiği gösterilmiştir. Tam kurgu önce yuvarlanma kanalında geliştirilmiş, ardından aynı biçimde yunuslama ve sapma eksenlerine uygulanmış ve tutarlı bir üç eksenli tasarım elde edilmiştir. Denetleyiciler MATLAB/Simulink ortamında sabit adımlı dördüncü mertebe Runge–Kutta çözücü ve 10 ms örnekleme zamanı ile gerçekleştirilmiştir. Tüm karşılaştırmaların adil olmasını sağlamak amacıyla özdeş referans komutları kullanılmış, denetleyici ve araç parametreleri sabit tutulmuştur. Üç senaryo değerlendirilmiştir: i) bozucu veya arıza olmaksızın nominal çalışma, ii) atalet matrisine \%30 belirsizlik eklenerek ve zamanla değişen, sıfır ortalamalı olmayan bozucu momentler uygulanarak dayanıklılık, iii) bilinen bir anda bir eyleyicide \%10 etkinlik kaybı uygulanarak arıza toleransı. Performans, referans takip, integral hata ölçütleri ve RMS gibi denetim işareti istatistikleri üzerinden değerlendirilmiş; tüm işaretler aynı gözlem ufuklarında kaydedilmiştir. Nominal senaryoda tüm denetleyiciler tutum referanslarını yakından izlemiştir; temel fark denetim işaretlerinde ortaya çıkmıştır. Klasik KKD, anahtarlama nedeniyle en yüksek RMS değere sahip, gözle görülür derecede salınımlı denetim işaretleri üretmiştir. Buna karşılık OTT, TMKKD ve UİÇKKD çok daha düşük genlikte, düzgün işaretler sağlamıştır. Bozucular ve atalet matrisindeki \%30 belirsizlik altında, OTT ve KKD belirgin referans takip hatası sergilemiştir. TMKKD yuvarlanma ve yunuslama kanallarında referans takibini kısmen düzeltse de sapma kanalında gözle görülür bir kalıcı hal hatası oluşmuştur. UİÇKKD, yığılmış belirsizliği çevrim içi telafi ederek, yuvarlama–yunuslama–sapma kanallarında doğru izlemeyi sürdürmüş ve denetim çabasını orta düzeyde, çatırtıdan arındırılmış biçimde tutmuştur. Eyleyicilerden birinde \%10 etkinlik kaybı uygulanınca, önerilen denetleyici dışında tüm denetleyiciler arıza sonrası kalıcı hatalar ve daha büyük sapmalar göstermiştir. UİÇKKD ise eyleyici arızası durumuna uyum sağlamış ve arıza sonrası sürüklenme olmaksızın doğru izlemeyi korumuş, sürekli ve sınırlı denetim işaretleri üretmiştir. Tüm senaryolar genelinde UİÇKKD; belirsizliklere ve eyleyici arızalarına karşı dayanıklılık göstermiş, sürekli denetim işareti üreterek eyleyici dostu bir performans sunmuştur. Tüm denetleyiciler Simulink'ten C/C++ koduna otomatik olarak üretilmiş ve PX4 üzerinde çalışan, öncelik temelli zamanlayıcıya sahip gerçek zamanlı bir işletim sistemi altında modül olarak bütünleştirilmiştir. Modüller arası mesajlaşma, algılayıcı–eyleyici zamanlamasında belirleyicilik sağlayan yayınla–abone türü bir veri yolu üzerinden yürütülmüştür. Giriş–çıkış doğrulaması önce Connected I/O modu ile gerçekleştirilmiş, ardından External Mode ile hedef üzerinde çalıştırma yapılmış; bu esnada işaretler çevrim içi izlenmiş ve kazanç ayarı yapılmıştır. Standart bir dağıtım matrisi, zorunlu sınırlar altında normalleştirilmiş tutum komutlarını motor başına çıkışlara dönüştürmüştür. Donanım platformu, birbirlerine uyumlu bir itki takımıyla yapılandırılmış DJI F450 gövde ve Cube Orange+ uçuş denetleyicisinden oluşmuştur. Deneyler, yuvarlanma ekseninin serbest bırakıldığı, yunuslama ve sapmanın mekanik olarak kilitlendiği bir mafsallı sehpa üzerinde yürütülmüştür. Bu düzende önerilen UİÇKKD, sinüzoidal yalpa referanslarını en düşük izleme hatası ile takip etmiş; çatırtısız, sürekli denetim işaretleri üretmiştir. Klasik KKD, ayarlamalara rağmen düzensiz eyleme ve yer yer sapma göstermiş; OTT belirgin bir faz gecikmesi sergilemiştir. Kontrol çabası istatistikleri, UİÇKKD'nin yüksek frekanstan arındırılmış, düzgün ve sınırlı eyleme düzeyini, en iyi alternatiflerle karşılaştırılabilir biçimde koruduğunu doğrulamıştır. Uyarlama işaretleri dengeli kalmış ve düzeneğin modellenmemiş etkilerini etkin biçimde telafi etmiştir; bu da çevrim içi parametre güncellemelerinin kararlı olduğunu ve gerçek zamanda sağlam bir kapalı çevrim davranışı sağlandığını göstermiştir. Bu tez, iki temel katkı sunmakta ve bunların pratik önemini ortaya koymaktadır. İlk olarak, çatırtısız bir denetim işareti üreten ve yalnızca afin yığılmış belirsizliğin gerekli bileşenlerini çevrimiçi parametre uyarlamasıyla tahmin eden UİÇKKD önerilmektedir. İkinci olarak, söz konusu denetleyicinin etkinliği; nominal, belirsiz ve arızalı koşullar altında tekrarlanabilir benzetimlerden başlayarak, model tabanlı kod üretimi ile standart bir otopilot üzerinde gerçekleştirilen gömülü deneylere uzanan uçtan uca bir doğrulama süreci ile ortaya konulmaktadır. Elde edilen sonuçlar, belirsizlikler, bozucular ve eyleyici arızalarının varlığında dahi dayanıklı bir tutum sağlandığını ve mevcut uçuş yazılımlarına doğrudan dahil edilebildiğini göstermektedir. Bu özellikler, yöntemin dış-döngü konum denetimi ile birlikte tam altı serbestlik dereceli uçuşa genişletilmesi için açık bir yol sunmakta ve sonlu-zamanlı formülasyonlar, otomatik kazanç ayarı, çevrimiçi arıza teşhisi ve gerçekçi rüzgâr ile görev senaryolarında gerçekleştirilecek açık hava denemeleri gibi gelecekteki araştırma yönlerine güçlü bir motivasyon sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Quadrotor attitude control must remain accurate and stable despite modeling uncertainties, external disturbances, and partial actuator faults—conditions that routinely degrade performance in practice. Classical sliding mode controllers are robust but suffer from chattering, while PID controllers are simple but lack robustness to bias and uncertainty. This thesis aims to achieve accurate, smooth, and robust attitude regulation by designing and validating a controller that preserves robustness without chattering and maintains performance under uncertainty and faults. A physics-grounded yet control-oriented model is developed by defining inertial and body-fixed frames, specifying attitude with a standard yaw–pitch–roll sequence, and deriving rigid-body kinematics and Newton–Euler dynamics that capture thrust/torque generation, translational drag, and gyroscopic couplings. For controller design, well-justified simplifications are introduced—small attitude-channel aerodynamic moments and rotor inertia are neglected, while dominant gyroscopic effects are retained in compact form—to isolate the attitude subsystem without losing key behaviors. The result is a compact, reproducible attitude model that is affine in the control inputs and well suited to robust and adaptive synthesis. Four controllers are evaluated side by side: a tuned PID, a conventional sliding mode controller (SMC), a chattering-free full-order SMC (FOSMC), and the proposed Adaptive Integral Chattering-Free SMC (AICFSMC). PID is attractive for its simplicity and smooth actuation, but it lacks inherent robustness—persistent biases, parametric mismatch, and coupled disturbances readily produce steady-state errors and degraded tracking. Conventional SMC offers strong robustness, yet its discontinuous switching generates chattering that excites unmodeled dynamics, increases control RMS, and can harm actuators. Literature FOSMC variants mitigate chattering via continuous control laws and higher-order design, but they do not include online adaptation; as a result, they remain sensitive to unknown, time-varying uncertainties or biases and cannot systematically compensate when the plant deviates from its nominal model. This thesis introduces an Adaptive Integral Chattering Free Sliding Mode Controller that achieves chattering suppression by computing the first order time derivative of the control signal, integrating it, and applying the resulting continuous input to the plant, thereby removing discontinuous switching while preserving robustness; on top of this, an online parameter adaptation estimates only the required components of the affine lumped dynamics so that modeling errors and disturbances are compensated as needed; a Lyapunov-based analysis guarantees bounded internal signals and asymptotic convergence of the tracking errors, with the full construction developed on the roll channel and then applied uniformly to pitch and yaw for a consistent three axis design. Controllers are implemented in MATLAB/Simulink with a fixed-step fourth-order Runge–Kutta solver and a 10 ms sample time. A single quadrotor attitude model and identical reference commands are used across all runs to ensure fair comparison, with controller and vehicle parameters kept constant throughout. Three scenarios are evaluated: (i) nominal operation without disturbances or faults, (ii) robustness with time-varying, non-zero-mean disturbance torques and a 30\% uncertainty applied to the inertia terms, and (iii) fault tolerance with a 10\% loss of effectiveness injected into one actuator at a known time. Performance is assessed using time-domain tracking behavior, integral error measures, and control-effort statistics such as RMS, with signals logged over identical horizons and repeated trials to confirm repeatability. In the nominal scenario, all controllers track the attitude references closely; the primary difference is actuation quality. Conventional SMC produces visibly oscillatory inputs with the largest control RMS due to switching, whereas PID, FOSMC, and AICFSMC generate smooth signals of much lower magnitude; AICFSMC matches the best smoothness while preserving precise tracking. Under disturbances and 30\% inertia uncertainty, PID and conventional SMC develop noticeable steady-state offsets and degraded transients. FOSMC mitigates oscillations and remains smooth but still shows measurable deviations when disturbances persist. AICFSMC maintains accurate tracking across roll, pitch, and yaw while keeping control effort moderate and free of high-frequency content, indicating effective online compensation of the lumped uncertainty without discontinuous switching. With a 10\% actuator loss of effectiveness, except for proposed controller all the controllers exhibit sustained errors and larger deviations after the fault. AICFSMC adapts to the reduced authority and preserves accurate tracking without post-fault drift, with continuous, bounded inputs. Across scenarios, AICFSMC consistently delivers the best combination of accuracy, robustness to uncertainty and faults, and actuator-friendly control effort. All controllers are auto-generated from Simulink to C/C++ and integrated as PX4 modules running on a real-time operating system with priority-based scheduling; messaging uses a publish/subscribe bus for deterministic sensor–actuator timing. I/O is first verified with Connected I/O, then External Mode executes on-target while streaming signals for live monitoring and gain tuning; a standard mixer maps normalized attitude commands to per-motor outputs under enforced limits. The hardware platform is a DJI F450 with a matched propulsion set and a Cube Orange+ flight controller; experiments use a pivoting stand that frees the roll axis while mechanically locking pitch and yaw. In this setup, the proposed AICFSMC tracks sinusoidal roll references with minimal lag and the lowest tracking error, delivering continuous inputs without chattering. Conventional SMC shows irregular actuation and occasional divergence despite tuning, and PID exhibits noticeable phase delay. Control-effort statistics confirm that AICFSMC maintains smooth, bounded actuation comparable to the best alternatives while avoiding high-frequency content. Adaptation signals remain well-behaved and effectively compensate unmodeled rig effects, indicating stable online parameter updates and robust closed-loop behavior in real time. This thesis makes two primary contributions and demonstrates their practical significance. First, it proposes an Adaptive Integral Chattering-Free Sliding Mode Controller that eliminates chattering by computing the first-order time derivative of the control signal to be integrated before application to the system, while employing online parameter adaptation to estimate only the necessary components of the affine lumped uncertainty. Second, it establishes the controller's effectiveness through an end-to-end validation pipeline, ranging from reproducible simulations under nominal, uncertain, and faulty conditions to embedded experiments on a standard autopilot with model-based code generation. Collectively, the results demonstrate accurate, smooth, and robust attitude regulation in the presence of uncertainties, disturbances, and actuator faults, with straightforward integration into existing flight stacks. These properties point to a clear path for extending the method to full six-degree-of-freedom flight with outer-loop position control and motivate future directions such as finite-time formulations, automated gain tuning, online fault diagnosis, and outdoor trials in realistic wind and mission scenarios.
Benzer Tezler
- Destek vektör regresyonu ile PID kontrolör tasarımı
Design of PID controller via support vector regression
KEMAL UÇAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. GÜLAY ÖKE
- Networked computing-based system identification and control of electromechanical systems with industrial IoT
Endüstriyel IoT ile elektromekanik sistemlerin ağ hesaplama tabanlı sistem tanıma ve kontrolü
RAMAZAN KAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ
- Peridinamik yaklaşım ile eş yönlü fiber takviyeli karma malzemelerin mekanik davranışlarının incelenmesi
Investigation of the mechanical behavior of unidirectional fiber-reinforced composites by using peridynamic approach
ENES OCAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAFAK YILMAZ
- Design, modeling, and experimental validation of vehicular visible light communication systems
Araçlar arası görünür ışık haberleşme sistemlerinin tasarımı, modellemesi ve deneysel doğrulaması
BISMILLAH NASIR ASHFAQ
Doktora
İngilizce
2026
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. MURAT UYSAL
- Design and optimization of compact vivaldi antenna with matching medium for microwave brain imaging applications
Mikrodalga beyin görüntüleme uygulamaları için eşleştirme ortamına sahip kompak vıvaldı antenin tasarımı ve optimizasyonu
CAFER UYANIK
Doktora
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN