İnsansız hava araçları için kayan sektör denetleyici tasarımıve deneysel olarak uygulanması
Sliding sector controller design for unmanned aerial vehiclesand its experimental application
Yazar: SİNAN ÖZCAN
Danışman: PROF. DR. METİN UYMAZ SALAMCİ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ VOLKAN NALBANTOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol Sistemleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Helikopterler askıda kalabilme ve dik iniş kalkış yapabilme yeteneklerinden dolayı otonom
uçuş algoritma geliştirme çalışmaları için her zaman ilgi çekici olmuşlardır. Doğrusal
olmayan modellerin belli denge noktalarında doğrusallaştırılmasına ve bu noktalarda
doğrusal algoritmalar kullanılarak tasarım yapılmasına dayanan, kazanç katsayısı ayarlama
yöntemi odaklı kontrol algoritmaları, uzun yıllar boyunca helikopter oto-pilot tasarım
metotları arasında en çok tercih edilen algoritmalar olmuşlardır. Bu tez çalışmasında, çok
girişli doğrusal olmayan dinamik sistemler için yeni bir kayan sektör kontrolcü tasarım
metodu geliştirilmiştir. İki yeni teorem ile çoklu kayan sektör oluşturulması ve tasarlanan
kayan sektör kontrolcü ile çoklu kayan sektör kesişim kümesine doğrusal olmayan sistem
yörüngelerinin yönlendirildiği gösterilmiştir. Ayrıca çalışmada iç içe geçmiş doğrusal
mimarilerin aksine, doğrusal olmayan matematik modelin sistem durum değişkenlerine göre
parametrize edilmesi ile elde edilen, doğrusal benzeri, durum bağımlı iç içe geçmiş yeni bir
oto-pilot mimarisi sunulmuştur. Bu yaklaşım, uçuş zarfı boyunca, hem parametre
belirsizliklerine hem de bozucu girişlere duyarsız, doğrusal olmayan algoritma tasarımlarına
ve uygulamalarına izin vermektedir. Çalışmada önerilen, durum bağımlı doğrusal olmayan
ve zamanla değişen Kayan Sektör kontrolcü yöntemi, hava aracını, herhangi bir kazanç
ayarlamasına gerek olmadan ve algoritmayı oluşabilecek dinamik değişimlere başarılı bir
şekilde uyarlayarak, farklı uçuş koşullarında kararlı hale getirmiştir. Çalışma içerisinde
geliştirilen algoritmanın performansı ve gürbüzlüğü, farklı uçuş senaryolarında, bilgisayar
tabanlı benzetimler ve gerçek zamanlı döngüde donanım testleri ile gösterilmiş, tatmin edici
sonuçlar elde edilmiştir.

Abstract:
Due to their ability to hover and land vertically, helicopters have always been of interest for
studies on development of autonomous flight algorithms. Based on the linearization of
nonlinear models at certain equilibrium points and the design at these points using linear
algorithms, control algorithms with gain scheduling have been the most preffered algorithms
amongst helicopter autopilot design methods for many years. In this thesis study, a new
design method of Sliding Sector Controller for multi input nonlinear dynamical systems is
developed. It is shown that multiple sliding sectors are formed by two new theorems and the
trajectories of the nonlinear dynamical system are directed to the intersection of multiple
sliding sectors by the designed sliding sector controller. Furthermore, in the study, rather
than cascaded linear architectures, a novel linear like, state dependent autopilot architecture
obtained by parametrizing a mathematical model with respect to system state variables. This
approach allows the design and implementation of state dependent nonlinear control
algorithms insensitive to parameter uncertainties and input disturbances throughout the
entire flight envelope. The State Dependent Nonlinear Time Varying Sliding Sector
Controller (SSC) method proposed in the study stabilizes the aircraft in different flight
conditions without gain scheduling and by adapting the algorithm to dynamic changes that
may occur. The performance and of robustness of the algorithm developed in the study are
demonstrated in different flight scenorias using computer based simulations and real time
hardware in the loop tests, and satisfying results are obtained.