Dört rotorlu bir hava aracının matematiksel modellenmesi, pozisyon kontrolü ve durum tahmini
Mathematical modeling, position control and state estimation of a quad-rotor
Yazar: ONUR SARIPINAR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHARREM MERCİMEK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Dört rotorlu hava araçları, son yıllarda önemli bir popülerlik kazanmış ve birçok alanda kullanılan insansız hava araçlarıdır. Bu tür araçlar, dikey kalkış ve iniş kabiliyetine sahip olup, çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Bununla birlikte, dört rotorlu bir hava aracının etkin ve güvenli bir şekilde çalışabilmesi için matematiksel modelleme, kontrol uygulamaları ve durum tahmini gibi temel konular üzerinde çalışılması gerekmektedir. Matematiksel modelleme, hava aracının aerodinamik, kinematik, dinamik ve kontrol sistemlerini içeren çeşitli alt sistemlerin bütünsel bir modelinin oluşturulmasıdır. Kontrol sistemi ise hava aracının istenen hareketleri gerçekleştirebilmesi için kullanılan önemli bir araçtır. Hava aracının durumuyla ilgili bilgilerin elde edilmesi için çeşitli sensörler kullanılır. Bu sensörler hassas bir şekilde durumu ölçmemekle birlikte ürettikleri sinyallerin içerisinde doğal bir gürültüye sahiptirler. Bu nedenle hava aracının durumunun tahmin edilmesi için de durum tahmini teknikleri kullanılır. Literatürdeki çalışmalarda quad-rotorun matematik modellenmesinin yanı sıra farklı kontrol metotları ile birlikte durum tahmini için genişletilmiş kalman filtresi tasarımı kullanılmıştır. Literatürde incelenen yayınlarda yörünge takibi sırasında farklı yöntemlerle durum tahmini yapan algoritmaların performanslarının paylaşılmadığı fark edilmiştir. Buradan yola çıkarak bu tezde quad-rotorun yörünge takibi, pozisyon kontrolü ve quad-rotorun durum tahmini için tamamlayıcı filtre ve genişletilmiş kalman filtresi tasarımları kullanılarak birbirinden bağımsız iki farklı durum tahmini yapılarak uçuş güvenliğinin artırılması ve durum tahmini yapan algoritmaların performanslarının kıyaslanması hedeflenmektedir.

Abstract:
Quad-rotor aircraft are unmanned aerial vehicles that have gained significant popularity in recent years and are used in many fields. Such vehicles are capable of vertical take-off and landing and are used in various applications. However, in order for a quadrotor aircraft to operate efficiently and safely, fundamental issues such as mathematical modeling, control applications and state estimation need to be studied. Mathematical modeling is the creation of a holistic model of the various subsystems of the quad-rotor including aerodynamics, kinematics, dynamics and control systems. The control system is an important tool used for the quad-rotor to perform the desired movements. Various sensors are used to obtain information about the state of the quad-rotor. These sensors do not accurately measure the state, and they have an inherent noise in the signals. Therefore, state estimation techniques are used to estimate the state of the aircraft. In the literature, in addition to mathematical modeling of the quad-rotor, extended Kalman filter design has been used for state estimation along with different control methods. It has been noticed that the performances of the algorithms that estimate the situation with different methods during trajectory tracking are not shared in the publications examined in the literature. Based on this, this thesis aims to increase flight safety by making two different independent state estimates using complementary filter and extended Kalman filter designs for the orbit tracking, position control and quad-rotor state estimation of the quad-rotor and to compare the performances of the state estimation algorithms.