İnovatif yöntemlerle kuadkopter modellenmesi, kontrolü ve gerçek zamanlı uygulamaları
Quadcopter modeling, control and real-time applications by innovative methods
Yazar: OĞUZ KÖSE
Danışman: DOÇ. DR. TUĞRUL OKTAY
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Sivil Havacılık Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Sivil Havacılık = Civil Aviation ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering
Dizin: Dinamik kontrol = Dynamic control ; Doğrusal kontrol = Linear control

Özet:
Bu doktora tezinde inovatif yöntemler ile bir kuadkopterin 3 boyutlu tasarım programı ile katı modeli oluşturulmuş ve kontrolü yapılmıştır. İnovatif yöntem olarak başkalaşım sistemi kullanılmıştır. Bu kapsamda aktif başkalaşabilecek şekilde otopilot ile birlikte eş zamanlı olarak kontrol yöntemi uygulanmıştır. Kontrol yöntemi uygulanarak kuadkopterin uçuş performansında iyileştirme sağlanmıştır. Uçuş sırasında aktif olarak başkalaşabilen kuadkopter tasarımı ve uçuş kontrol sistemi eş zamanlı olarak rassal bir optimizasyon yöntemi ile ilk defa bu doktora tezi kapsamında gerçekleştirilmiştir. Kuadkopter ve başkalaşım sisteminin tasarlanması Solidworks programında, simülasyonları ise MATLAB programı ile gerçekleştirilmiştir. Öncelikle kuadkopter dinamik modellemesi gerçekleştirilmiştir. Ardından yanlamasına ve boylamasına durum uzay modelleri elde edilmiştir. MATLAB ortamında kolektif, diferansiyel ve kolektif ile diferansiyel başkalaşım sistemlerinin tüm uçuş durumları üzerinde ayrı ayrı simülasyonları yapılmıştır. Bu simülasyonlarda başkalaşım sistemlerinin uçuş durumları üzerine olan etkileri incelenmiştir. Ardından başkalaşım sistemlerinin rassal optimizasyon yöntemi olan SPSA(Eş Zamanlı Pertürbasyon Rassal Yaklaşım) kullanılarak yükselme zamanı, yerleşme zamanı ve aşımdan oluşan maliyet fonksiyonları üzerinde en iyi performansı verecek şekilde kuadkopter ve otopilot sistemi eş zamanlı olarak tasarlanmıştır. Yapılan simülasyonlarda kuadkopter kontrolcüsü olarak oransal integral türev olan PID algoritması kullanılmıştır. Sonuç olarak, başkalaşım parametreleri, PID kazanç parametreleri rassal optimizasyon yöntemi ile kuadkopter performansı iyileştirilmiş ve kontrolü sağlanmıştır.

Abstract:
In this PhD thesis, a quadcopter has been designed and controlled using innovative methods. Morphing system has been used as an innovative method. In this context, a control method has been applied simultaneously with the autopilot so that it can be actively morphing. This has improved the flight performance of the quadcopter. Quadcopter design and flight control system, which can actively morphing during flight, were simultaneously realized with a random optimization method within the scope of this PhD thesis. Quadcopter design, morphing system design was carried out in Solidworks program, design and simulations of morphing systems were carried out in MATLAB program. First, quadcopter dynamic modeling has been carried out. Then, lateral and longitudinal state space models were obtained. Separate simulations of collective, differential and collective and differential metamorphosis systems on all flight states were performed in MATLAB environment. In these simulations, the effects of morphing systems on flight conditions were examined. Then, using SPSA (Simultaneous Perturbation Random Approach), which is the random optimization method of morphing systems, quadcopters and autopilot systems were designed simultaneously to give the best performance on cost functions consisting of rise time, settling time and overshoot. The PID algorithm, which is a proportional integral derivative, has been used as a quadcopter controller in the simulations. Quadcopter performance is improved and controlled by random optimization method of morphing parameters, PID gain parameters.