İHA'lar için uçuş kontrol kartı tasarımı ve kalman filtre tabanlı uçuş konum kontrolü
Flight control board design and kalman filter based flight position control for UAVs
Yazar: NUR KIKHIA
Danışman: PROF. DR. ÖMER AYDOĞDU
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Teknolojinin gelişimiyle birlikte İnsansız Hava Araçlarının (İHA) sivil ve askeri 
alanlarda yaygın olarak kullanımının arttığı bilinmektedir. Özellikle dikey iniş kalkış 
yapabilen 4 motorlu İHA'ların yüksek manevra kabiliyeti, küçük boyutu ve otonom uçuş 
yeteneği gibi önemli özelliklere sahip olması, kullanım alanını genişletmiştir. Bu tez 
çalışmasında, İHA'lar için özgün bir kontrol kartı tasarımı ve Kalman Filtreleri ile yüksek 
doğrulukla ölçme ve denge kontrol işlemlerinin gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. 
Çalışmada ilk olarak genel amaçlı bir uçuş kontrol kartı tasarlanmış ve 
gerçekleştirilmiştir. Uçuş kontrol kartında ARM Cortex-M4 tabanlı bir mikrodenetleyici 
olan STM32F401RCT6 mikrodenetleyici kullanılmış ve denge ölçümleri çoklu sensör grubu 
içinde ataletsel ölçüm birimi (IMU sensörlerle) sağlanmıştır. Çalışmada daha sonra, İHA'lar 
için oluşturulan deneysel kontrol donanımının ardından, kontrol yazılımında IMU sensörden 
alınan sinyaller Kalman filtreleri ile anlamlı ve kararlı sinyallere dönüştürülmüş ve kontrol 
döngüsü için hazır hale getirilmiştir. 
Özgün olarak geliştirilen uçuş kontrol kartı, donanım olarak bir İHA için gerekli 
tüm otonom uçuş kontrol gereksinimlerini sağlayabilecek özelliktedir. Geliştirilen 
sistemde uçuş kontrol yazılımı iki ana bölümden oluşmaktadır. Birincisi, sensörlerden 
gelen gürültülü ve gecikmeli verileri filtreleyerek ve tahmin ederek kontrolcüye daha 
anlamlı ve daha doğru bilgiler sağlayan tahmin edici bölümdür. Burada sensörlerden 
gelen verileri birleştirerek daha doğru ve güvenilir bir durum tahmini sağlayan Kalman 
filtreler ve sensör füzyonu algoritmaları birlikte kullanılmıştır. Uçuş kontrol yazılımı 
ikinci kısımda, İHA'nın açısal hız, açı, doğrusal hız ve konum gibi değişkenlerini kontrol 
eden denetleyici algoritmaları bulunmaktadır. 
Deneysel çalışmada, tasarlanan uçuş kontrol kartının kapalı çevrim denge kontrolü 
testi için en temel denetleyici yapısı olan PID kontrol kullanılmıştır. Test çalışmalarında sabit 
bir referans açıya yerleşme, kare dalga formunda düzenlenen referans açılara yerleşme, 
bozucu etkilere karşı davranışlar gözlenmiştir. Ayrıca Kalman Filtresinin etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Deneysel sonuçlardan, tasarlanan uçuş kontrol kartının denge 
deneylerinde oldukça başarılı olduğu, başarılı bir uçuş kontrol için filtreleme, özellikle 
Kalman Filtresi, Sensör Füzyonu gibi tamamlayıcı algoritmaların kararlılığı etkilediği 
görülmüştür.

Abstract:
It is known that the widespread use of unmanned aerial vehicles (UAVs) in civil 
and military areas has increased with the development of technology. Especially the 4-engine UAVs, which can take off and land vertically, have important features such as high maneuverability, small size and autonomous flight ability, and have expanded their usage area. In this thesis study, it is aimed to design a unique control card for UAVs and to perform high accuracy measurement and balance control operations with Kalman Filters. In the study, firstly, a general purpose flight control card was designed and implemented. STM32F401RCT6 microcontroller, an ARM Cortex-M4 based microcontroller, was used in the flight control card and balance measurements were provided with IMU sensors. Later in the study, after the experimental control hardware created for UAVs, the signals received from the IMU sensor in the control software were converted into meaningful and stable signals with Kalman filters and made ready for the control cycle. 
The indigenously developed flight control card is hardware capable of providing 
all the autonomous flight control requirements required for a UAV. In the developed system, the flight control software consists of two main parts. The first is the predictive section, which provides more meaningful and accurate information to the controller by filtering and predicting noisy and delayed data from sensors. Here, Kalman filters and sensor fusion algorithms are used together, which provide a more accurate and reliable situation estimation by combining data from sensors. In the second part of the flight control software, there are controller algorithms that control the UAV's variables such as 
angular speed, angle, linear speed and position. 
In the experimental study, PID control, the most basic controller structure, was 
used for the closed-loop stability control test of the designed flight control card. In the test studies, settling to a fixed reference angle, settling to reference angles arranged in a square wave form, and behavior against disturbing effects were observed. Additionally, the effects of the Kalman Filter were examined experimentally. From the experimental results, it has been seen that the designed flight control card is quite successful in stability 
experiments, and complementary algorithms such as filtering, especially Kalman Filter, Sensor Fusion, affect thestability for a successful flight control.