Küçük bir insansız hava aracı için otopilot sistemi tasarımı
Autopilot system design for a small unmanned air vehicle
Yazar: SITKI YENAL VURAL
Danışman: PROF. DR. CİNGİZ HACİYEV
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Astronomi ve Uzay Bilimleri = Astronomy and Space Sciences ; Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering
Dizin: Bulanık denetleyiciler = Fuzzy controllers ; Kalman filtre = Kalman filter

Özet:
Bu çalışmanın amacı küçük bir boyutta insansız hava aracı için otopilot sistemi tasarlamak ve değişik metodlarla tasarlanan sistemlerin etkinliğini karşılaştırmaktır.Bu amaç için öncelikle istenilen boyutlara yakın bir UAV olan ve çeşitli araştırmalarda kullanılan bir araca ait değerler bulunmuş ve bu lineerleştirilmiş değerler üzerinden bulunan durum denklemleri yardımı ile kararlılık değerleri incelenmiştir. Uzunlamasına ve yanlamasına kontrolör tasarımının 3 metodla yapılmasına karar verilmiştir.Klasik metod kullanılarak uzunlamasına yunuslama açısı kontrolörü,yükseklik kontrolörü ve hız kontrolörü ayrı ayrı transfer fonksiyonları köklerin yer eğrisine göre incelenerek ve istenilen cevap değerleri gözönünde tutularak tasarlanmıştır. P,I ve D etkiler ve sistemin beraberce cevabı gözönünde tutularak değerler belirlenmiştir. Yanlamasına ise değişik hatlardan kararlılığı arttırıcı geri beslemeli bir tasarım yapılmış ve bir yönlenme kontrolörü tasarlanmıştır.İkinci bir metod olarak lineer kuadratik regülatör tasarımı seçilmiştir. Bu kontrolörü oluşturmak amacı ile optimal kazanç değerini bulacak metod belirlenmiş ve durum denklemlerinden yararlanarak değişik ağırlık matrisleri için kazanç değerleri bulunmuştur. Sonrasında ölçüm hatalarının bu kontrolöre etkisini göstermek amacı ile sisteme gürültü eklenmiş ve bir Kalman filtresi tasarımı yapılarak filtrenin etkinliği ve bozucular olması durumunda optimal kontrolörün durumundaki değişim incelenmiştir.Son metod olarak ise bulanık mantık temelli bir kontrolör tasarımı kullanılmıştır. Giriş ve çıkış üyelik fonksiyonlarının değer aralıkları ve sayıları tahmin edilen ve bilinen bazı değerler vasıtası ile belirlenmeye çalışılmış yine kural tabanı basit seçilerek kolay kontrol edilebilir ve basit bir dizayn olmasına dikkat edilmiştir. Giriş ve çıkış katsayıları ile ilgili düzenlemeler yapılarak sonuçlar iyileştirilmeye çalışılmıştır.Tasarımlar yapıldıktan sonra her bir kontrolorün etkinliğinin kıyaslanması amacı ile bazı benzer şartlardaki cevap değerleri bulunmuş,avantaj ve dezavantajları sıralanmıştır.

Abstract:
The purpose of this thesis is to design a control system for a small size UAV with different methods and to compare the efficacy of these systems.For this aim the linearized equations of motion for a small size UAV is firstly obtained. Then the state space equations are used to check the stability characteristics of the UAV. Three different methods are used for the control system design.Firstly classical control methods are used to design a longitudinal control system which includes a pitch angle controller,an altitude hold controller and a speed hold controller. Root locus of the transfer functions for different systems are investigated and P,I and D control effects are used to obtain the desired response characteristics. The lateral part of the control system is designed with several feedback loops to obtain the desired stability characteristics and a heading hold controller to obtain the desired heading value.Secondly linear quadratic regulator is used to design a control system for the UAV. The method for obtaining the gain values is decided and the gain values are solved for different weighting matrices to make a comparison of their effects. In order to investigate the effect of Kalman filtering technique and the white noise on the overall response of the controller the system with white noise is then considered and the results are compared.The third controller design is based on fuzzy logic. The range and quantity of the membership functions are selected with guessed and known values of the dynamic system. The rule base is kept simple to design the controller with ease with changing functions. The gain values are chosen and set as scalers in the last section of the design process so as to reach the desired response.Finally the responses of the controllers under same conditions are obtained and the advantages of each design technique are examined.