Quadrotor Test Düzeneği Tasarımı ve Uygulaması

Yıl 2020, Cilt: 2 Sayı: 1, 15 - 24, 30.04.2020

Kübra Pehlivan Caner Akuner

Öz

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

Anahtar Kelimeler

İHA, İHA modelleme, Quadrotor, Ataletsel Ölçüm Birimi

Kaynakça

• [1] Bresciani, T. (2008). Modelling, Identification and Control of a Quadrotor Helicopter. Yüksek Lisans Tezi, Lund University, İsveç, s. 21-54.
• [2] Mahony, R., Hamel, T. ve Pflimlin, J. (2005). Complementary filter design on the special orthogonal group SO (3). Proceedings of the 44th IEEE Conference on Decision and Control, Seville, İspanya, 15 Aralık, IEEE.
• [3] Stanculeanu, I. ve Borangiu, T. (2011). Quadrotor black-box system identification. World Academy of Science, Engineering and Technology, 5, 300-303.
• [4] Rich, M. (2012). Model development, system identification, and control of a quadrotor helicopter. Lisans Tezi, Iowa State University, ABD, s. 5-29.
• [5] Matteo, V. (2013). Modeling, identification and navigation of autonomous air vehicles. Yüksek Lisans Tezi, Kungliga Tekniska Högskolan, İsveç, s. 68-81.
• [6] Yiğit, Z. (2014). Modeling And Control Of Quadrotor Unmanned Aerial VTOL Vehicle, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Türkiye, s. 10-37.
• [7] Rimestad, M., Petersen, C. F., Hansen, H., Larsson, S. ve Bo L. (2008). Autonomous Hovering with a Quadrotor Helicopter. Aalborg Universitet, Danimarka.
• [8] Olfati-Saber, R. (2001). Nonlinear control of underactuated mechanical Systems with Application to Robotics and Aerospace Vehicles. Yüksek Lisans Tezi, Massachusetts Institute of Technology, ABD, s. 32-47.
• [9] Fernando, H., De Silva, A., De Soysa, M., Munasinghe, S. ve Dilshan, K. (2013). Modelling, Simulation and Implementation of a Quadrotor UAV. IEEE 8th International Conference on Industrial and Information Systems, ABD, 1 Aralık, IEEE.
• [10] Leens, F. (2009). An introduction to I2C and SPI protocols. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. 12, (1), 8-13.
• [11] Bouabdallah, S., Murrieri, P. ve Siegwart, R. (2004). Design and control of an indoor micro quadrotor. In Robotics and Automation, 2004 IEEE International Conference, 5, 4393-4398.
• [12] Günhan, Y. (2014). Detectıon and Compensatıon Of Inertıal Measurement Unıt Error. Yüksek Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi, Türkiye, s. 22-56.
• [13] Oflaz, T. (2013). Dört Rotorlu Hava Aracının İrtifa Denetimi İçin Doğrusal Olmayan Denetleyici Tasarımı ve Uygulaması. Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Türkiye, s. 32-45.