Sabit Ve Döner Kanatlı Hava Aracının Yönelim Dinamiklernin Hibrit Denetimi

Öz

Bu çalışma, hibrit insansız hava aracının (HİHA) tasarımı, matematiksel olarak modellenmesi, denetimci tasarımını ve döngüde donanım testlerinden oluşmaktadır. Sabit kanatlı hava aracı olarak uzaktan kumandalı E-Flite Apprentice marka model uçak seçilmiş ve şaside yapılan değişikler ile dikey iniş kalkış özelliği kazandırılmıştır. Bu tarz hibrit bir sistem, döner kanatlı sistemlerde olduğu gibi herhangi bir piste ihtiyaç duymadan dikey olarak iniş kalkış yapabilmekte ve sabit kanatlı sistemler gibi sabit kanat uçuş gerçekleştirebilmektedir. Bu hibrit sistemi matematiksel olarak modelleyebilmek için HİHA’nın sabit ve hareketli bileşenlerine yönelik sistem tanılama işlemlerinin yapılması gerekmektedir. Hava aracında dikey kaldırma ve yatay itki kuvvetlerinin üretimi için fırçasız motorlar; kanatçık, yatay dümen ve dikey dümen gibi kontrol yüzeylerinin denetimi için ise servo motorlar kullanılmaktadır. Fırçasız motorlara yönelik sistem tanılama çalışmaları için bir itki ölçüm sistemi, servo motorların sistem tanılama çalışmaları için ise bir açı ölçüm sistemi kullanılmaktadır. HİHA’nın kütle eylemsizlik momentleri ise çift telli sarkaç deneyi yapılarak bulunmaktadır. HİHA, Matlab/Simulink ortamında, deneysel olarak hesaplanan, sisteme özgü parametreler kullanılarak modellenmektedir. HİHA, dikey kalkış-iniş, sabit kanat – döner kanat uçuşu arasında geçiş ve sabit kanat uçuşu olmak üzere üç ana uçuş moduna sahiptir. HİHA otopilot algoritması olarak oransal-integral-türevsel (PID) ve doğrusal aktif bozucu sönümleme (LADRC) tip denetimci algoritmaları geliştirilip, performansları kıyaslanacaktır

Anahtar Kelimeler

• Hibrit, PID, LADRC, VTOL, Sabit- Döner Kanat

HYBRID STABILIZATION OF ATTITUDE DYNAMICS OF A FIXED AND ROTARY WING AIR VEHICLE

Abstract

The aim of the current study is to introduce an overview about the design, manufacturing and testing of a Hybrid Air Vehicle (HAV). The designed vehicle will have the ability to vertically takeoff and landing in addition to fly horizontally as a fixed wing aircraft. A remotely piloted model aircraft (E-Flite Apprentice Model Plane) is selected for the initial tests and it is modified for the current purpose. A thrust measurement setup is used to obtain the thrust characteristics of the motors which are used in the model aircraft for system identification. Another test stand is also designed and manufactured to test the servo motor responses at the control surfaces of the HAV. Inertia tensor of the HAV is obtained experimentally by means of bifilar pendulum test method. The wing of the aircraft will be tested in the 1m x 1m test section wind tunnel of Aerospace Engineering Department of METU to obtain aerodynamic characteristics. By means of experimentally identified system parameters, the HAV is modeled in Matlab/Simulink environment mathematically. The HAV has three main operating modes such as vertical takeoff and landing, transition to fixed wing flight or vice versa, and fixed wing flight. Combinations of a Linear Active Disturbance Rejection Controller (LADRC) and a Proportional Integral Derivative (PID) based control topologies will be designed for operating modes. To observe performance and enhance the developed system models and controllers, hardware in the loop tests will be done by means of a Flight Motion Simulator (FMS) of ROKETSAN Missile Inc

Keywords

• Hybrid, PID, LADRC, VTOL, Fixed Wing, Rotary Wing

Kaynakça

1. Ahmed, S., Hazry, D., Warsi, F., Joyo, M., Kamarudin, H., Razlan, Z. ve Tanveer, M., 2014, “Yaw, Pitch and Roll controller design for fixed-wing perturbed condition,”, 2014 IEEE 10th International Colloquium on Signal Processing its Applications (CSPA), pp. 151–156. and
2. Altug, E. ve Senkul, F. 2013, “Modeling and control of a novel tilt; Roll rotor quadrotor UAV,” International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS),, May 2013, pp. 1071–1076.
3. Bae, S.-K., Hwang, H. ve Yoon, K.-J., 2007, “Development of small flying robot with rotary wing and autonomous control system”, ROBIO 2007. IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, pp. 1815–1820.
4. Baek, S., Kwon, H., Pack, D. ve Yoder, J., 2013,“Optimal path planning of a target- following fixed-wing UAV using sequential decision processes”, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), pp. 2955–2962.
5. Bennett, R.M., Farmer, M. G.,Mohr, R. L., and Hall Jr,W. determining stability derivatives from cable- mounted models,” Journal of Aircraft, Vol. 15, No. 5, 1978, pp. 304–310. technique for
6. Dahsyat, M., Trilaksono, B., Triputra, F. ve Sasongko, R., 2012, “Longitudinal dynamic system modeling of a fixed-wing UAV towards autonomous flight control system development: A case study of BPPT wulung UAV platform,”, 2012, International Conference on System Engineering and Technology (ICSET), pp. 1–6.
7. Dang, H. N., Mohamed, B. ve Rafaralahy, H., 2014, “Trajectory-tracking control design for an under-actuated quadrotor”, European Control Conference (ECC), June 2014, pp. 1765–1770.
8. Dilshan, K., De Silva, A., De Zoysa, M., Fernando, H. ve Munasinghe, S., 2013, “Modelling, simulation and implementation of a quadrotor UAV”, 8th IEEE International Conference on Industrial and Information Systems (ICIIS), pp. 207–212.

9. Green, W. ve Oh, P., 2006, “A fixed-wing aircraft for hovering in caves, tunnels, and buildings” American Control Conference, pp. 6
10. Guclu A., Kurtulus D.F., Arikan KB, Attitude and Altitude Stabilization of Fixed Wing VTOL Unmanned Air Vehicle, AIAA Modeling and Simulation Conference Washington, D.C., USA, June 2016, AIAA 2016-3378. Technologies
11. Güçlü, A. Attitude and Altitude Control of an Outdoor Quadrotor, Master Thesis, Atılım University, 2012
12. Güçlü, A., Kurtuluş D.F., Arıkan K.B. Hibrit İnsansız Dinamiklerinin Hibrit Denetimi, Kocaeli 2016, Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı (UHUK 2016) Aracının Yönelim
13. Huang, J., Yuan, X. ve Zhu, J., 2012, “LabVIEW Based Experimental Platform for UAV System Identification” Second International Conference on Instrumentation, Measurement, Computer, Communication and Control (IMCCC), pp. 684–688.
14. Jardin, M. R. and Mueller, E. R., “Optimized measurements of unmanned-air-vehicle mass moment of inertia with a bifilar pendulum,” Journal of Aircraft, Vol. 46, No. 3, 2009, pp. 763–775.
15. Kaya D., Kutay A. T., Kurtulus D.F., Tekinalp O., Simsek I., Soysal S., Hosgit G., Propulsion System Selection and Modeling for a Quadrotor with Search and Rescue Mission, 54th AIAA Aerospace California, USA, January 2016, AIAA 2016- 1528 Meeting San Diego,
16. Kohno, S. ve Uchiyama, K., 2014, “Design of robust controller of fixed-wing UAV for transition flight,” 2014 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), pp. 1111–1116.
17. Kurtulus DF (2011) Introduction to micro air vehicles: concepts, design and applications, VKI LS 2011-04, Recent developments in unmanned aircraft systems (UAS, including UAV and MAV), ISBN-13 978-2-87516-017-1, April 2011, pp. 1-30
18. Kurtuluş DF, Tekinalp O. (2010) İnsansız Hava Araçlarına bir Bakış, SSM Gündemi Dergisi, 2010/2, No: 12, 53-58
19. Lessing, H. C., Fryer, T. B., and Mead, M. H., “A system for measuring the dynamic lateral stability tunnels,” 1954. in high-speed wind
20. Li, Q., Huang, H., and Yin, B., “The study of PWM methods in permanent magnet brushless DC motor speed control system,” Electrical Machines and Systems, 2008. ICEMS 2008. International Conference on, Oct 2008, pp. 3897–3900.
21. Li, Q., Huang, H., and Yin, B., “The study of PWM methods in permanent magnet brushless DC motor speed control system,” Electrical Machines and Systems, 2008. ICEMS 2008. International Conference on, Oct 2008, pp. 3897–3900.
22. Li, Y., Rong, J.,Wang, Y.,Huang,W., and Peng, J., “Themodeling and simulation of PWMmode for permanentmagnet Consumer Electronics, Communications and Networks (CECNet), 2012 2nd International Conference on, April 2012, pp. 678-681 motor,”
23. Mettler, B., 2013, Identification modeling and characteristics of miniature rotorcraft, Springer Science & Business Media.
24. Mutlu T, Çoşgun V. Esin E., Yayla M., Kurtuluş B., Tunca E., Kurtuluş D.F., Tekinalp O. (2013) , Uzaktan Algılama Amaçlı Amfibi İnsansız Hava Aracı Uçuş Performans ve Otopilot Testleri, 7. Ulusal Uçak, Havacılık ve Uzay Mühendisliği Kurultayı, TMMOB MMO, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir, 3-4 May 2013
25. Mutlu T, Çoşgun V. Kurtuluş B., Tunca E.,Kurtuluş D.F., Tekinalp O. (2012) , Su Bulanıklığı Dinamiği ve Su Parametrelerini Ölçme Kabiliyeti Platformunun Geliştirilmesi, UHAT 2012, “I. ULUSAL HAVACILIK TEKNOLOJİSİ VE UYGULAMALARI Aralık 2012, İzmir Hava Aracı KONGRESİ”, 20-22
26. Osder, S., 1994, “Integrated navigation, guidance, and control for Canard rotor/wing (CRW) aircraft”, 13th Digital Avionics Systems Conference DASC., AIAA/IEEE, pp. 181–189.
27. Önen, A.S., Cevher, L., Mutlu, T., Uzunlar, İ.O., Kurtulus, Konvansiyonel Olarak Kalkış ve İniş Yapan bir İnsansız Hava Aracına Dikey İniş ve Kalkış Yeteneğinin Kazandırılması, SAVTEK, 7. Savunma Teknolojileri Kongresi, Haziran 2014
28. Ravikiran, N. and Ubaidulla, P., “Support vector machine estimation,” Proceedings. ICSP ’04. 2004 7th International Conference on, Vol. 2, Aug 2004, pp. 1435– 1438 vol.2. drag Processing, Signal 2004.
29. Sahin M., Gündüz M., Eren O., Şahbaz M., Çakın U., Kurtulus D. F., “Performance Analysis of a Micro Scale Model Helicopter Rotor in Hover Flight”, 8th Ankara International Aerospace Conference, AIAC 2015-044, Ankara, METU, 10-12 September 2015
30. Senipek M., Yayla M., Limon A. U., Rouzbar R., Yosheph Y.,Kalkan U.,Senol N., Akel E., Gungor İ.O.,Sarsılmaz S. B., Kurtulus D.F. (2013) Design Process of an UAV for AIAA DBF completion, International Aerospace Conference, 11-13 September 2013, Ankara, Turkey A., Uzunlar
31. Tekinalp O., Onen A. S, Kurtulus D. F, Cevher L, Senipek M, Mutlu T., Gungor O. , Uzunlar I. O (2015) Modeling and Controller Design of a VTOL UAV, Proceedings of the 2015 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS'15), Denver, CO, USA 9-12 June 2015
32. Then, J. W. and Chiang, K.-r., “Experimental Determination of Moments of Inertia by the Bifilar Pendulum Method,” American Journal of Physics, Vol. 38, No. 4, 1970.
33. Yayla M., Ergin Ü., Mutlu T., Kurtulus D.F. (2014) Bir Muharip İnsansız Uçak Sistemi için Performans Gereksinimlerinin Belirlenmesi, HİTEK-2014-024, III. Ulusal Havacılıkta İleri Teknolojiler Konferansı, HHO, İstanbul, 18-19 Haziran 2014
34. Yayla M., Sarsilmaz S. B., Mutlu T., Cosgun V., Kurtulus B., Kurtulus D.F, Tekinalp O. (2013) Dynamic Stability Flight Tests of Remote Sensing Measurement Capable Amphibious Unmanned Aerial Vehicle (A-UAV), AIAC- 2013-108, 7th Ankara International Aerospace Conference, 11-13 September 2013, Ankara