Dört rotorlu bir insansız hava aracının modellenmesi, gauss gürültüsü ve parametre belirsizliği altında lyapunov tabanlı ve geri adımlamalı kontrolcü tasarımı
Modeling of a quadrotor unmanned aerial vehicle, lyapunov based and backstepping controller design under gaussian noise and parameter uncertainty
Yazar: MEHMET KARAHAN
Danışman: PROF. DR. COŞKU KASNAKOĞLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Beyaz gürültü = White noise ; Bilgisayar modellemesi = Computer modelling ; Dinamik modelleme = Dynamic modelling ; Doğrusal olmayan kontrol = Nonlinear control ; Gürbüz denetim = Robust control ; Konum denetimi = Position control ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling ; PID denetleme = PID control ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle ; İrtifa kontrol sistemi = Altitude control system

Özet:
Günümüzde insansız hava araçları oldukça geniş bir alanda kullanılmaktadır. Terörle mücadele, keşif ve gözetleme, yangın ve doğal afetlerle mücadele, arama kurtarma, haritalama, maden arama, bilimsel araştırma, kargo taşıma, nakil amacıyla organ taşıma, tarımsal ilaçlama, fotoğrafçılık, hobi ve sportif amaçlı uçuşlar insansız hava araçlarının kullanım alanına girmektedir. İnsansız hava araçları, insanlı uçaklara kıyasla üretim maliyetinin daha düşük olması, içinde pilot bulundurmaması ve küçük boyutları sayesinde daha sert manevralar yapabilmesi nedeniyle daha avantajlıdır. İnsansız hava araçları, kanatlı insansız hava araçları ve dikey iniş kalkış yapabilen insansız hava araçları olarak iki kategoride düşünülebilir. Dikey iniş kalkış yapabilen insansız hava araçları, iniş ve kalkış esnasında piste ihtiyaç duymama, havada asılı kalabilme, kendi ekseni etrafında dönebilme, havada takla atabilme ve sert manevralar yapabilme kabiliyetine sahiptir. Bu özellikleri dikey iniş kalkış yapabilen insansız hava araçlarını sabit kanatlı insansız hava araçlarına kıyasla daha avantajlı hale getirmektedir. Quadrotor insansız hava araçları da dikey iniş kalkış yapabilen dört rotorlu araçlardır. Quadrotor insansız hava aracının sistem dinamikleri katı bir cismin uzaydaki 6 serbestlik dereceli hareketine benzemektedir. Bu 6 serbestlik derecesi açısal hızların oluşmasını sağlayan ve Euler açıları olarak bilinen yalpa, yunuslama, sapma açıları ile üç boyutlu uzayda lineer hareketleri tanımlayan x, y, z eksenlerinden oluşmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında öncelikle quadrotor insansız hava aracının doğrusal olmayan modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan bu model MATLAB/Simulink yazılımı kullanılarak bilgisayar ortamında gerçeklenmiştir. Daha sonra quadrotorun irtifasının, yalpa, yunuslama ve sapma açılarının kontrolü için farklı kontrolcü tasarımları gerçekleştirilmiştir. Tez çalışması kapsamında tüm bu zor koşullara karşı en dayanıklı şekilde çalışacak gürbüz kontrolcü tasarımı elde edilmeye çalışılmıştır. Öncelikle endüstride yaygın olarak kullanılması nedeniyle PID kontrolcü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu kontrolcü için PID Tuning metodu kullanılarak optimum kontrolcü katsayıları elde edilmiştir. Daha sonra endüstride yaygın olarak kullanılan PID kontrolcüden daha gürbüz bir kontrolcü yaklaşımı elde edilmeye çalışılmıştır. Bu amaçla öncelikle Lyapunov kararlılık teoremine dayanan Lyapunov tabanlı kontrolcü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Daha sonra Lyapunov kararlılık teoreminin öz yinelemeli bir uyarlaması olan geri adımlamalı kontrolcü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan kontrolcüler normal koşullar altında, beyaz Gauss gürültüsü altında, parametre belirsizliği altında, eşzamanlı parametre belirsizliği ve beyaz Gauss gürültüsü altında, pembe gürültü altında, kahverengi gürültü altında, mavi gürültü altında, mor gürültü altında ve sinüzoidal bozucu altında test edilmiştir. Ayrıca kontrolcülerin sert manevra yapabilme kabiliyetlerini test etmek için üçgen referans ve sinüzoidal referans takibi simülasyonları yapılmıştır. Tasarlanan kontrolcülerin yükselme zamanı, aşım ve oturma zamanı verileri karşılaştırılmıştır.  Elde edilen veriler geri adımlamalı kontrolcünün bütün koşullarda en az aşıma ve en kısa oturma zamanına sahip olduğunu göstermiştir. Böylece yapılan simülasyonlar ve elde edilen veriler sonucunda geri adımlamalı kontrolcü tasarımının klasik PID kontrolcüden ve Lyapunov tabanlı kontrolcüden daha gürbüz olduğu ispatlanmıştır.

Abstract:
Nowadays, unmanned aerial vehicles are used in a very wide area. Combating terrorism, reconnaissance and surveillance, fighting fire and natural disasters, search and rescue, mapping, mineral exploration, scientific research, cargo transport, organ transport, agricultural spraying, photography, hobby and sportive flights are among the areas of use of unmanned aerial vehicles. Unmanned aerial vehicles are more advantageous compared to manned aircraft due to their lower production cost, not carrying pilots, and being able to perform harder maneuvers thanks to their small size. Unmanned aerial vehicles can be considered in two categories: winged unmanned aerial vehicles and vertical take-off and landing unmanned aerial vehicles. Unmanned aerial vehicles that can take-off and land vertically do not need a runway during take-off and landing, they have the ability to hang in the air, rotate around their own axis, flip in the air and perform harsh maneuvers. These features make unmanned aerial vehicles capable of vertical take-off and landing more advantageous compared to fixed-wing unmanned aerial vehicles. Quadrotor unmanned aerial vehicles are four propeller vehicles that can take off and land vertically. The system dynamics of the quadrotor unmanned aerial vehicle are similar to the motion of a rigid body in space with 6 degrees of freedom. These 6 degrees of freedom consist of roll, pitch and yaw angles, known as Euler angles, which enable the formation of angular velocities, and x, y, z axes, which define linear movements in three-dimensional space. Within the scope of this thesis work, first of all, a nonlinear model of the quadrotor unmanned aerial vehicle was created. This created model was implemented in computer environment using MATLAB/Simulink software. Then, different controller designs were developed to control the altitude, roll, pitch and yaw angles of the quadrotor. Within the scope of the thesis work, an attempt was made to obtain a robust controller design that would work in the most durable way against all these difficult conditions. First of all, PID controller design was carried out due to its widespread use in the industry. For this controller, optimum controller coefficients were obtained by using the PID Tuning method. Then, an attempt was made to obtain a more robust controller approach than the PID controller commonly used in the industry. For this purpose, firstly, a Lyapunov based controller design based on the Lyapunov stability theorem was carried out. Then, a backstepping controller design, which is a recursive adaptation of the Lyapunov stability theorem, was carried out. The designed controllers were tested under normal conditions, white Gaussian noise, parameter uncertainty, simultaneous parameter uncertainty and white Gaussian noise, pink noise, brown noise, blue noise, purple noise and sinusoidal disturbance. In addition, triangle reference and sinusoidal reference tracking simulations were made to test the hard maneuvering capabilities of the controllers. The rise time, overshoot and settling time data of the designed controllers were compared. The data obtained showed that the backstepping controller had the least overshoot and the shortest settling time under all conditions. Thus, as a result of the simulations and the data obtained, it has been proven that the backstepping controller design is more robust than the classical PID controller and the Lyapunov based controller.