Yüksek dereceli kayan kipli denetleyiciler kullanılarak dört rotorlu insansız hava araçlarının (İHA) davranış kontrolü ve yörünge takibi
Attitude control and trajectory tracking of four rotor unmanned aeri̇al vehicles (UAV) using higher order sliding mode controllers
Yazar: ALİ CAN ERÜST
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT TİLKİ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Son yıllarda robotik çalışmalarda yaşanan gelişmelerle beraber dört motorlu insansız hava araçlarına (İHA, Quadrotor) olan ilgi sürekli artarak devam etmektedir. Günümüzde kullanılan quadrotorların yapmış oldukları otonom uçuşlarında yüksek hassasiyet beklenmektedir. Bu sebeple uygulanan kontrol yapıları bu hava araçlarında giderek önem taşımaktadır. Bu tez çalışmasında da günümüz ihtiyaçlarına çözüm olabilmesi için quadrotorun doğrusal olmayan matematiksel modeline eklenen belirsizlikler ve gürültüler ile yörünge takip problemi üzerinde farklı tipteki kontrolcü yapıları uygulanmış ve yeni kontrol metotları önerilmiştir. İlk olarak kayan kipli denetleyici yapısı oluşturularak yörünge takip performansı elde edilmiştir. Literatürde bulunan doğrusal kontrol yapılarına göre daha başarılı olduğu yapılan benzetim sonuçları ile gösterilmiştir. Kalıcı durum hataları ve ayrı ayrı kontrol edilen koordinat eksenlerine bağlı olarak bir sonraki çalışmada ikinci dereceden kayan kipli denetleyici tasarımı yapılmıştır. Bu çalışmada anlık olarak beraber kontrol edilebilen koordinat yapıları tanımlanmış ve sistemin katsayıları önceden rastgele olarak belirtilen karakteristik denklem yardımı ile elde edilmiştir. Kontrol giriş sinyallerinde elde edilen torklar kayan kipli denetleyiciye göre çok daha hızlı ve çok daha az salınımlı olarak gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Üç boyutlu düzlemde yörünge takip performansını iyileştirmek için literatüre önerilen ikinci dereceden kayan kipli denetleyici ile yörünge takip performansı arttırılmış kalıcı durum hataları daha da azaltılmıştır. Bir sonraki çalışmalarda quadrotor uygulamalarından bir tanesi olan faydalı yük taşıma senaryosu küresel hızlı dinamik terminal kayan kipli denetleyici ve uyarlamalı geriadımlamalı hızlı terminal kayan kipli denetleyici ayrı ayrı uygulanmış ve benzetim sonuçları elde edilmiştir. Son olarak literatüre önerilen uyarlamalı geriadımlamalı küresel hızlı dinamik terminal kayan kipli denetleyici çalışması yapılmıştır. Yapılan benzetim sonuçları ile önerilen denetleyici yapısının yörünge takibinde diğer denetleyicilere göre daha yüksek performans gösterdiği sonucu elde edilmiştir.

Abstract:
With the latest developments in robotics, interest in four-rotor unmanned aerial vehicles (UAV, Quadrotor) continues to increase. Whit this growing interest, the areas of the usage of this vehicle are expanding. High precision is expected in the autonomous flights of quadrotors used nowadays. For that reason, control algorithms become critical point.   From this point of view, to solve today's flight problem in this thesis different type of nonlinear controller algorithms applied for nonlinear quadrotor mathematical model and two controller algorithms proposed to the literature. First of all, sliding mode controller designed for trajectory tracking and simulation results are obtained. Based on these results sliding mode control proved its robustness against traditional linear control algorithms. Hence, steady state errors and control mechanism on the coordinate axes were still poor. Thus, in the next study second order sliding mode controller is designed. In this control mechanism coordinate axes are controlled simultaneously. Coefficients of the controller are determined with randomly predefined characteristic equation. Simulation results are proved the effectiveness of controller algorithm. When the results are compared with sliding mode controller, second order sliding mode controller produced faster and better torques. In the next study, optimum characteristic equation is obtained for second order sliding mode controller. Also, this method is proposed first time in literature. In this study axes errors are reduced and more stable results are obtained. Later, global fast terminal sliding mode control and adaptive backstepping terminal sliding mode controllers are used for payload carrying missions. Both controller results are obtained and compared with each other. In final study new controller method is introduced which is called adaptive backstepping global fast terminal sliding mode control. With the results of the simulation, it is concluded that the proposed controller structure shows a higher performance than other controllers in trajectory tracking.