İnsansız hava araçlarının formasyon kontrolü için yeni bir adaptif gürbüz kontrolcü tasarımı
A new adaptive robust controller design for formation control of unmanned aerial vehicles
Yazar: KAAN CAN
Danışman: DOÇ. DR. ABDULLAH BAŞÇİ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Kumanda Sistemleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Amaç: Son yıllarda donanım ve yazılım alanındaki gelişmelere paralel olarak, sürü halinde kullanılan İnsansız Hava Araçlarının (İHA) çeşitli alanlarda ve amaçlarda kullanımı da gün geçtikçe artmaktadır. Sürü halinde bulunan İHA'ların belirli bir görevi ya da oluşumu bir kural üzerinden gerçekleştirerek hareket etmelerini sağlayan yöntem ise formasyon kontrol yöntemi olarak adlandırılmaktadır. Bu tez çalışmasında, bir grup İHA için önceden tanımlı farklı formasyon şekillerini başarıyla oluşturabilmek amacıyla yeni bir adaptif formasyon kontrol yöntemi önerilmiştir. Önerilen kontrol yönteminin açık alanda yapılacak saha testleri esnasında İHA'ların duruşunu bozacak yoğun rüzgâr ve parametre belirsizlikleri gibi bozucu etkileri de elimine etmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: Bu tez çalışmasında, dört adet İHA'nın çeşitli formasyon şekillerini başarılı bir şekilde gerçekleştirebilmeleri için Adaptif Gürbüz Konsensüs Tabanlı Formasyon Kontrol (AGKFK) algoritması önerilmiştir. Ayrıca, tüm sürünün merkezini temel alan ve her yeni formasyon adımının farklı koordinatlarda gerçekleşmesini sağlayan bir yörünge takip algoritması da AGKTFK algoritması ile birlikte kullanılmıştır. Son olarak, gerçek zamanlı saha testlerinde formasyon uçuşu sırasında araçlar arasında olası çarpışmaları önlemek amacıyla çarpışmadan kaçınma algoritması da önerilen formasyon kontrol yöntemine dâhil edilmiştir.  
Bulgular: Açık alanda gerçekleştirilen çalışmalar incelendiğinde, rüzgârdan ve parametre belirsizliklerinden kaynaklı bozucu etkilere rağmen, İHA'ların formasyon koordinatlarına başarıyla ulaştıktan sonra arzu edilen formasyon şekillerini küçük hatalar ile oluşturdukları görülmüştür. Ayrıca, önerilen adaptasyon kuralının kontrolcü parametrelerini başarıyla hesapladığı ve böylece, formasyon hatasının sıfıra yakınsadığı yerde adaptasyon parametrelerinin de sonlu değere ulaştıkları gözlemlenmiştir.
Sonuç: AGKTFK algoritması ile gerçekleştirilen simülasyon ve gerçek zamanlı saha testlerinde İHA'ların bozucu etkilerin varlığında arzu edilen formasyon şekillerini birbirleriyle çarpışmadan küçük hatalar ile oluşturdukları görülmüştür.

Abstract:
Purpose: In parallel with the developments in hardware and software in recent years, the use of unmanned aerial vehicles (UAVs) in swarm in various areas and purposes, is increasing day by day. The method that enables UAVs in a swarm to act by performing a certain task or formation according to a rule is called the formation control method. In this thesis, a new adaptive formation control method is proposed in order to successfully create different predefined formation shapes for a group of UAVs. The proposed control method is intended to eliminate disruptive effects such as intense wind and parameter uncertainties that will disrupt the posture of UAVs during the outdoor tests.
Method: In this thesis study, the Adaptive Robust Consensus Based Formation Control (ARC-FC) algorithm is proposed to enable four UAVs to successfully perform various formation shapes. In addition, a trajectory tracking algorithm was used together with the ARC-FC algorithm, which is based on the center of the entire swarm and ensures that each new formation step occurs in different coordinates. Finally, a collision avoidance algorithm was also included in the proposed formation control method in order to prevent possible collisions between vehicles during formation flight in real-time outdoor tests.
Findings: When the studies carried out in the open field were examined, it was seen that, despite the disruptive effects caused by wind and parameter uncertainties, UAVs created the desired formation shapes with minor errors after successfully reaching the formation coordinates. Additionally, it has been observed that the proposed adaptation rule successfully calculates the controller parameters and thus, the adaptation parameters reach finite time steady state values when the formation error converges to zero.
Results: In the simulation and real-time outdoor tests carried out with the ARC-FC algorithm, it was observed that UAVs achieved the desired formation shapes with small errors without colliding with each other in the presence of disruptive effects.