Quadrotor Test Düzeneği Tasarımı ve Uygulaması

Bu çalışmada, dört motorlu insansız hava aracı olarak bilinen quadrotorlarun matematiksel modeli ile PID kontrolör tasarlamak, modeli üzerinde gerçekleştirmek ve dinamik hareketlerin analizi için sabit bir quadrotor test düzeneği yapılması amaçlanmıştır. Lineer olmayan bir sistem olan quadrotor Matlab/Simulink ortamında bazı varsayımlar ile lineer hale getirilip modellenmiş, yunuslama açısı (𝜃), yatış açısı (𝜙), ve sapma açısı (𝜓) bilgilerini içeren açısal konumu PID kontrolör tarafından kontrol edilmesi sağlanmıştır. Yunuslama, yatış ve sapma eksenlerideki referans olarak verilen açılar matematiksel modelin giriş bilgisidir. Motorlara gönderilen dört kuvvet büyüklüğü ise çıkış bilgisi olarak hesaplanmıştır. Matlab/Simulink ortamında formülize edilen hareket denklemleri için Newton – Euler yöntemi kullanılmıştır. Dinamik hareketlerin analiz edilmesi amacıyla yapılan dört motorlu fırçasız doğru akım motorlu quadrotor test düzeneğinde, aracın modelini mümkün olduğunca gerçekçi hale getirilmeye çalışılmıştır. Bu model, kararlı ve doğru bir kontrolör tasarlamak için kullanılmıştır. Sistemde, quadrotorun uçurulmasında kararlılık elde etmek için bir PID kontrolör tasarlanmış ve uygulanmıştır. Algoritma, temel olarak Ataletsel Ölçüm Birimi sensörü ile elde edilen eksenlerdeki açı biligisine ve her bir rotora bağlı olan pervaneler tarafından sabit açılı olarak sağlanan itme kuvveti olan dört çıkış kuvvetine sahiptir. Test düzeneğinin laboratuvar gibi kapalı bir ortamda güvenli bir şekilde çalıştırılabilmesi için yere ağırlıkla sabitlenmiştir. Bu sebeple yatış, yunuslama ve sapma eksenlerinde hareket serbestliği varken irtifa ya da yükseklik kontrolü yapılamamaktadır. Test düzeneğinin fiziksel parametreleri, Matlab’ deki sistemin matematiksel modelinde tanımlanmıştır. PID kontrolör içinde kullanılan PID denetleyeci kazançları Ziegler – Nichols yöntemi kullanılarak hesaplanmıştır. Eksenlere referans olarak verilen açı bilgisine göre sistemin kararlığa geçme süresi ve aşım miktarı araştırılmıştır. Aynı PID kazançları gerçek test düzeneğini kontrol etmek için kullanılan mikrokontrolör içindeki kontrol algoritmasında denenmiştir. Quadrator test düzeneğinin verilen referans için gösterdiği hareketler, kararlılık miktarı ve kararlığa geçme süresinin yeterli olmadığı ortaya koyulmuştur. PID kazançları üzerinde manuel olarak iyileştirmeler yapılarak yunuslama ve yatış hareketlerinde kararlılığa geçme süreleri 1-2 ms olduğu analiz edilmiştir. Sonuç olarak sistemin bilgisayardaki modeli ile gerçek zamanlı test düzeneğinde çalışması arasında farklılıklar bulunmuştur. Bunun nedeni, test düzeneğinin çevresel şartlardan etkilenmesi ve Matlab matematiksel modelinin eksikliği olduğu gözlemlenmiştir