Eş zamanlı öğrenme kontrol tekniği ile dört pervaneli bir insansız hava aracının aerodinamik kuvvetlerinin araştırılması
Investigation of aerodynamic forces of a quadcopter unmanned aerial vehicle with a concurrent learning based adaptive control techniques
Yazar: BURAK DEMİRTAŞ
Danışman: PROF. DR. MUAMMER ÖZGÖREN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ SERHAT OBUZ
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan kestirim = Nonlinear estimation ; Doğrusal olmayan kontrol = Nonlinear control ; Zamanla değişen aerodinamik = Unsteady aerodynamics

Özet:
Bu çalışmada, uyarlamalı kontrol yöntemlerinden biri olan eş zamanlı öğrenme kontrol tekniği ile dört pervaneli bir insansız hava aracına etki eden aerodinamik kuvvet ve momentlerin kestirimi yapılmış ve kontrolü gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemin uygulanması için öncelikle dört pervaneli hava aracının öteleme ve dönme hareketi için insansız hava aracı üzerine etkiyen kuvvet ve momentlerin toplamı içeren dinamik modeli oluşturulmuştur. Bahsi geçen kuvvet ve momentler; pervaneler tarafından üretilen itki kuvveti, yer çekimi kuvveti, hava aracının gövdesi üzerine etkiyen aerodinamik kuvvetler, yatış momentinden oluşmaktadır. Kontrol tasarımı yapılırken öteleme ve dönme hareketleri için hata sinyallerinden oluşan bir hata sinyal dinamiği tasarlanmıştır. Sistem dinamiği, tasarlanmış olan hata sinyal dinamiğinde yerine konularak açık döngü dinamiği elde edilmiştir. Tasarlanmış olan kontrol sinyali ve parametre kestirim kuralı açık çevrim dinamiğinde yerine konularak, kapalı çevrim dinamiği elde edilmiştir.  Lypunov tabanlı kararlılık analizi kullanılarak, insansız hava aracı hem parametre kestirim hatası hem de yörünge takip hatasının küresel üstel olarak yakınsaması ispatlanmıştır. Kontrol sinyali içerisine yerleştirilmiş olan parametre kestirim kuralı ile insansız hava aracının üzerine etkiyen aerodinamik kuvvetler, momentler, yerçekimi kuvveti ve atalet momentleri çevrimiçi olarak kestirilebilmektedir. Bu şekilde uçuş sırasında gerçekleşen herhangi bir uçuş koşulu değişikliği için uyarlamalı olarak yörünge takibi yapılabilmekte ve taşıtın ani değişen koşullara karşı gövdesi üzerine etkiyen aerodinamik ve yapısal parametrelerin çevrimiçi olarak kestirimi sağlanabilmektedir. Ek olarak dört pervaneli insansız bir hava aracı üzerine etkiyen aerodinamik kuvvet ve momentlerin diğer kuvvetlere ve momentlere kıyasla hangi oranda etkili olduğu araştırılmıştır. Ayrıca bu yöntem sayesinde, geleneksel çevrimiçi parametre kestirim yöntemlerinden farklı olarak, sürekli uyarılma koşuluna gerek kalmaksızın sadece sınırlı bir zaman diliminde sistemin uyarılması şartıyla, küresel üstel kararlılığa ulaşılabilmiştir ve belirsiz parametreler tahmin edilebilmiştir. Sistem dinamiğinde bulunan aerodinamik pervane sürükleme kuvvet katsayısı \%0.2, aerodinamik yatış momenti katsayısı \%0.6, yer çekimi kuvveti \%0.1, atalet momentleri ise maksimum \%15 hata ile tahmin edilmiştir. Elde edilen sonuçlar yapılan diğer kaynaklarla kıyaslandığında yakınsama miktarının daha iyi olduğu görülmüştür.

Abstract:
In this study, the aerodynamic forces and moments acting on a four-propeller unmanned aerial vehicle were estimated with the concurrent learning control technique, which is one of the adaptive control methods. Firstly, a dynamic model containing the sum of the forces and moments acting on the unmanned aerial vehicle for the translational and rotational movements of the four-propeller aircraft was developed. The mentioned forces and moments can be listed as the thrust force produced by the propellers, the gravitational force, the aerodynamic forces acting on the body of the aircraft, and the rolling moment. An error system dynamics for translational and rotational movements of unmanned aerial vehicle was developed. Open loop dynamics was obtained by substituting the dynamics into the designed error system dynamics. For translational and rotational movements of the unmanned aerial vehicle is also placed in the dynamics by substituting the designed control signal and adaptation rule in the open loop dynamics, the closed loop dynamics was obtained. Using Lypunov-based stability analysis, global exponential convergence of both parameter estimation error and trajectory tracking error of the unmanned aerial vehicle is ensured. With the parameter estimation rule embedded in the control signal, the aerodynamic forces, moments, gravitational force and moments of inertia acting on the unmanned aerial vehicle can be estimated online. In this way, trajectory tracking can be guaranteed for any flight condition changes during the flight, and online estimation of the aerodynamic and structural parameters affecting the vehicle's body against suddenly changing conditions can be provided.  In addition, unlike traditional online parameter estimation methods, global exponential stability can be achieved and uncertain parameters can be estimated, provided that the system is excited only in a finite time period, without the need for persistence of excitation condition. The aerodynamic propeller drag force coefficient acting on the system was estimated with 0.2\%, the aerodynamic banking moment coefficient 0.6\%, the ground gravity force 0.1\%, and the moments of inertia were estimated with a maximum error of 15\%. When the results obtained were compared with the literature, it was seen that the performance of parameter estimation is significantly improved.