Non Simultaneous Morphing System Desing for Quadrotors

Abstract

Quadrotor is a four-rotor unmanned aerial vehicle which is widely used in commercial, military and outdoor applications. Non simultaneous morphing system desings for quadrotors was discussed. The morphing process does not occur at the same time in longitudinal and lateral flight. The geometry change during the quadrotor flight or the geometry change that occurred on the ground before the flight is expressed as the morphing. There are various types of morphing in quadrotor unmanned aerial vehicles such as elongation and elongation of the arms and changing the angle of the arm. These types of morphing are included in the study. Although the quadrotor is structurally simple, it consists of a difficult and complex system as a control structure. The quadrotor mathematical model has a non-linear structure. Quadrotor control can be achieved by using this structure, but in this study, the nonlinear structure is linearized by various methods. Linear expressions were with the approach of the state space model using various inputs and outputs. Newton Euler method, which is widely used in quadrotor systems, was used to obtain dynamic model. Simulation of the system using state space model was performed in Matlab / SIMULINK environment. The necessary parameters for Matlab / SIMULINK and the graphical drawing of the system were performed in CAD program. From this program parameters such as mass, inertia were obtained. In the control of the system, commonly used PID algorithm was used. The coefficients such as Kp, Ki and Kd required for the control system were obtained experimentally. Von Karman Turbulence model quadrotor was used for hover, longitudinal, lateral and trajectory tracking under a certain noise. As a result of this study, longitudinal and lateral flight was performed by using PID control algorithm under a certain noise and the results were presented by graphs.

Keywords

• Quadrotor,Quadcopter,Morphing,State space model,Unmanned aerial vehicle,PID,Control,Non simultaneous morphing

Quadrotorlar için Eş Zamanlı Olmayan Başkalaşım Tasarımı

Öz

Quadrotor ticari, askeri ve dış mekân uygulamalarında yaygın olarak kullanılan dört rotorlu insansız hava aracı türüdür. Bu çalışmada quadrotor’un boylamasına ve yanlamasına olan uçuşunun modellemesi, kontrolü ve uçuş sırasındaki geometri değişimi ile başkalaşım durumu ele alındı. Başkalaşım işlemi boylamasına ve yanlamasına uçuşta aynı anda gerçekleşmemektir. Quadrotor uçuş sırasındaki geometri değişimi ya da uçuştan önce yerde iken meydana gelen geometri değişimi başkalaşım olarak ifade edilir. Quadrotor türü insansız hava araçlarında kolların uzayıp kısalması ve kol kesişim açılarının değiştirilmesi gibi çeşitli başkalaşım türleri vardır bu başkalaşım türlerine çalışmada yer verildi. Quadrotor yapısal olarak basit olmasına rağmen kontrol yapısı olarak zor ve karmaşık bir sistemden oluşur. Quadrotor matematiksel modeli non-lineer bir yapıya sahiptir. Bu yapı kullanılarak quadrotor kontrolü sağlanabilir fakat bu çalışma kapsamında lineer olmayan yapı çeşitli yöntemler kullanılarak lineer duruma getirildi. Lineer ifadeler çeşitli giriş ve çıkışlar kullanılarak durum uzay modeli yaklaşımı ile ifade edildi. Dinamik modelin elde edilmesinde quadrotor sistemlerinde yaygın olarak kullanılan Newton Euler metodu kullanıldı. Durum uzay modeli kullanılarak sistemin simülasyonu Matlab / SIMULINK ortamında gerçekleştirildi. Matlab / SIMULINK için gerekli olan parametreler ve sistemin grafiksel çizimi ise CAD programında yapıldı. Bu programdan kütle, atalet gibi parametreler elde edildi. Sistemin kontrolünde ise yaygın olarak kullanılan PID algoritması kullanıldı. Kontrol sistemi için gerekli olan Kp, Ki ve Kd gibi katsayılar ise deneysel olarak elde edildi. Von Karmana Türbülans modeli quadrotor belirli bir gürültü altında yükselme, boylamasına, yanlamasına ve yörünge izleme işlemleri için kullanıldı. Bu çalışmanın sonucu olarak eş zamanlı olmayan morphing ile boylamasına ve yanlamasına uçuş belirli bir gürültü altında PID kontrol algoritması kullanılarak gerçekleştirilmiş ve sonuçlar grafikler ile ortaya konulmuştur. 

Anahtar Kelimeler

• Quadrotor,Quadcopter,Başkalaşım,Durum uzay modeli,Insansız hava aracı,PID,kontrol

Kaynakça

1. Barbaraci, G. (2015). Modeling and control of a quadrotor with variable geometry arms. Journal of Unmanned Vehicle Systems, 3(2), 35-57.
2. Barbu, C., Reginatto, R., Teel, A., & Zaccarian, L. (1999). Anti-windup design for manual flight control. Paper presented at the Proceedings of the 1999 American Control Conference (Cat. No. 99CH36251).
3. Bresciani, T. (2008). Modelling, identification and control of a quadrotor helicopter. MSc Theses.
4. Çoban, S., & Oktay, T. (2018). Legal and Ethical Issues of Unmanned Aerial Vehicles. Journal of Aviation, 2(1), 31-35.
5. Desbiez, A., Expert, F., Boyron, M., Diperi, J., Viollet, S., & Ruffier, F. (2017). X-Morf: a crash-separable quadrotor that morfs its X-geometry in flight. Paper presented at the 2017 Workshop on Research, Education and Development of Unmanned Aerial Systems (RED-UAS).
6. Domingue, J. M. (2009). Quadrotor Prototype. Uneversidade Tecnica deLisboa. Dissertacio,
7. Gibiansky, A. (2012). Quadcopter dynamics, simulation, and control. Andrew. gibiansky. com.
8. Hintz, C., Torno, C., & Carrillo, L. R. G. (2014). Design and dynamic modeling of a rotary wing aircraft with morphing capabilities. Paper presented at the 2014 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS).

9. Jha, A. K., & Kudva, J. N. (2004). Morphing aircraft concepts, classifications, and challenges. Paper presented at the Smart Structures and Materials 2004: Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies.
10. Kose, O., & Oktay, T. (2019). Dynamic Modeling and Simulation of Quadrotor for Different Flight Conditions. European Journal of Science and Technology(15), 132-142.
11. Kumar, V., & Michael, N. (2012). Opportunities and challenges with autonomous micro aerial vehicles. The International Journal of Robotics Research, 31(11), 1279-1291.
12. Marks, A., Whidborne, J. F., & Yamamoto, I. (2012). Control allocation for fault tolerant control of a VTOL octorotor. Paper presented at the Proceedings of 2012 UKACC International Conference on Control.
13. Mellinger, D., Shomin, M., & Kumar, V. (2010). Control of quadrotors for robust perching and landing. Paper presented at the Proceedings of the International Powered Lift Conference.
14. Oktay, T., & Coban, S. (2017). Simultaneous longitudinal and lateral flight control systems design for both passive and active morphing TUAVs. Elektronika ir Elektrotechnika, 23(5), 15-20.
15. Oktay, T., & Kose, O. (2019a). The Effect of Collective Morphing on the Lateral Flight in Quadcopter. Paper presented at the Umteb 6. Uluslararasi Mesleki ve Teknik Bilimler Kongresi, Iğdır.
16. Oktay, T., & Kose, O. (2019b). The Effect of Collective Morphing on the Longitudinal Flight in Quadcopter. Paper presented at the MAS INTERNATIONAL EUROPEAN CONGRESSON MATHEMATICS, ENGINEERING, NATURAL ANDMEDICAL SCIENCES-III, Şanlıurfa.
17. Oktay, T., & Kose, O. (2019c). The Effect of Collective Morphing on the Vertical Flight in Quadcopter. Paper presented at the MAS INTERNATIONAL EUROPEAN CONGRESSON MATHEMATICS, ENGINEERING, NATURAL ANDMEDICAL SCIENCES-III, Şanlıurfa.
18. Oktay, T., & Sal, F. (2016). Combined passive and active helicopter main rotor morphing for helicopter energy save. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 38(6), 1511-1525.
19. Prisacariu, V., Sandru, V., & Rău, C. (2011). Introduction morphing technology in unmanned aircraft vehicles (UAV). Paper presented at the International Conference of Scientific Paper, AFASES.
20. Sabatino, F. (2015). Quadrotor control: modeling, nonlinearcontrol design, and simulation. In.