Döner kanatlı insansız hava araçlarının yenilikçi yaklaşımlarla otonom performansının maksimizasyonu
Maximizing the autonomous performance of rotary wing unmanned aerial vehicles with innovative approaches
Yazar: ENES ÖZEN
Danışman: PROF. DR. TUĞRUL OKTAY
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
Bu doktora çalışması, Quadrotor'un yanal ve boyuna stabilitesini sağlamak için, eş zamanlı bozuntu rassal yaklaştırım (SPSA) algoritması kullanarak başkalaşım oranı ve en optimum Oransal-Türev-İntegral (PID) katsayılarının nasıl belirlendiğini araştırıyor. Quadrotor; gövde, aviyonik ve itki sisteminden olurşurken, gövdenin göbek açısı ve kol yükselme açısı değişebilir yapıda tasarım gerçekleştirilirmiştir. Kollar arası açı, mekanizma 1 aracılığıyla yatay düzlem değiştirilir ve mekanizma 2 ile kollar yükselir, böylece rotorlar yükseltilir ve çeşitli konfigürasyonlar oluşturulur. Klasik çok rotorlu hava taşıtlarının sabit bir gövdesi bulunur ve rota değişiklikleri için helikopterlerin kullandığı bir kuyruk rotoruna gerek duymazlar. Rotorların farklı hızlarda dönüşü, yerden gönderilen komutlarla, 6 serbestlik (DOF) alanında hava aracının geometrik merkezi etrafında dönme ve öteleme hareketlerini gerçekleştirir. Bu komutlar, hava aracının uçuş kontrol bilgisayarı tarafından yönetilir. Dinamik analizler ve simülasyonlar, 6 DOF alanda, çeşitli konfigürasyonların dikey ve yanal uçuş stabilitesi ve özelliklerini belirler. Uçuş sırasında aktif şekil değişikliği yapabilen bir hava aracının konum ve tutum kontrolünü sağlamak için, SPSA ve PID denetleyicisi ile bir algoritma geliştirildi. Benzer çalışmalarla karşılaştırıldığında, önerilen birleşik yaklaşımla SPSA hem PID parametrelerine sınır değerlerde ulaşmadan optimum tahminler yapmış hem de istenilen morfing (başkalaşım) hızına hızlı bir şekilde ulaşılmıştır. Bu sonuçlar, literatürden toplanan veriler ve önceki çalışmalardan elde edilen sonuçlarla karşılaştırıldı.

Anahtar Kelimeler: İHA, Quadrotor, Optimizasyon, PID, SPSA

Abstract:
This doctoral study investigates how to determine the most optimum Proportional-Derivative-Integral (PID) coefficients by utilizing the metamorphosis rate using simultaneous disturbance random approximation (SPSA) removal to ensure the lateral and longitudinal stability of the Quadrotor. Quadrotor; While it consists of the fuselage, avionics and propulsion system, the design has been made in a way that the hub angle of the fuselage and the arm elevation angle can be changed. The angle between the arms is changed to the horizontal plane through mechanism 1, and the arms are raised by mechanism 2, thus elevating the rotors and creating various configurations. Classic multi-rotor aircraft have a fixed body and do not require a tail rotor used by helicopters for route changes. It continuously performs rotation and translation movements of the rotors at different speeds, around the geometric center of the aircraft in the 6-freedom (DOF) area, with the commands sent from the ground. These commands are handled by the aircraft's flight controller. Dynamic analyzes and simulations determine the vertical and lateral flight stability and characteristics of various shapes in the 6 DOF field. An operating state with SPSA and PID controller to provide attitude and attitude control of an aircraft capable of active shape change during flight. With similar studies and counter proposals, with the proposed combined approach SPSA, optimum predictions were made without reaching the PID parameters at limit values and the desired morphine (metamorphosis) rate was reached quickly. These results were compared with data collected from the literature and results from previous studies.

Keywords: UAV, Quadrotor, Optimization, PID, SPSA