Yüksek hızlı bir İHA'nın farklı kontrolcüler ile 6ser benzetim çalışmaları ve uçuş performansının incelenmesi
Simulation studies and analysis of flight performance for high-speed UAV with various controllers
Yazar: MESUT BİLİCİ
Danışman: PROF. DR. MEHMET KARALI
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
Bu doktora tezi, tasarlanan sabit kanatlı, sesaltı yüksek hızlı bir İnsansız Hava Aracı (İHA) üzerinde farklı kontrol stratejilerinin ve otopilot algoritmalarının uygulandığı 6 Serbestlik Dereceli (6SER) uçuş benzetim çalışmalarını ve uçuş performansının sistemli bir analizini ele almaktadır. İHA teknolojilerinin gittikçe önem arz etmesi, savunma, gözetleme ve keşif alanlarında önemli uygulamalara sahip olması, fakat tüm bu gelişmelere rağmen İHA'ların düşük seyir hızlarındaki operasyon kabiliyetleri bu çalışmanın temel motivasyonunu oluşturmaktadır.
Tez, İHA'nın dinamik uçuş karakteristiklerini modelleyerek farklı kontrolcülerin etkilerini ve bu kontrolcülerin otopilot algoritmaları ile başarımlarını değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Bu bağlamda, Proportional-Integral-Derivative (PID), Quadratic Legulator (LQR) ve H-infinitive (H∞) gibi önde gelen kontrol stratejilerinin karşılaştırmalı değerlendirmesi 6SER uçuş benzetim ortamında gerçekleştirilen çeşitli senaryolar üzerinden yapılmaktadır. Farklı uçuş parametrelerinin kontrol edildiği kontrolcü bütünleri ile geliştirilen otopilot algoritmaları ise İHA için belirtilen koordinat noktaların takibi için gerekli komutları üretmektedir.
Çalışma, İHA'nın yüksek hızlı seyir ve dalış manevraları gibi uçuş profillerinde nasıl performans gösterdiğini anlamak için geniş bir perspektif sunmaktadır. Ayrıca, hava koşulları, sistem belirsizlikleri ve sensör hataları gibi gerçek dünya etmenlerini içeren senaryolar, kontrol stratejilerinin güvenilirlik ve dayanıklılık açısından nasıl tepki verdiğini belirlemek amacıyla incelenmektedir. Yüksek hız ve dalış manevra için geliştirilen kontrol ve otopilot algoritmalarının İHA üzerindeki uçuş performansı detaylı bir şekilde irdelenmektedir.  
Sonuçlar, her bir kontrol stratejisinin uçuş performans parametreleri üzerindeki avantajlarını ve kısıtlamalarını vurgulayacak şekilde sunulacak ve belirli görev gereksinimlerine uygun olarak kontrol algoritmalarının seçimi konusunda yönergeler sunacaktır. Bu tez, sesaltı yüksek hızlı İHA'ların karmaşık uçuş ortamlarında etkin bir şekilde yönetilmesine ilişkin mühendislik uygulamalarına katkıda bulunma hedefini taşımaktadır. Çalışma, İHA teknolojilerindeki gelişmelerin yanı sıra kontrol ve otopilot sistemleri alanında da önemli bir katkı sunmayı amaçlamaktadır. Bu bağlamda, gelecekteki benzer araştırmalara temel oluşturarak akademik ve endüstriyel çevrelerde kullanılabilirlik ve etkinlik açısından yeni ufuklar açma potansiyeline sahiptir.

Abstract:
This doctoral dissertation undertakes a meticulous examination of flight simulations and performance analysis pertaining to a specifically engineered subsonic high-speed Unmanned Aerial Vehicle (UAV) with fixed-wing design and 6 Degrees of Freedom (6DOF). The implementation of diverse control strategies and autopilot algorithms forms the focal point of this research. Despite the advancements in Unmanned Aerial Vehicle (UAV) technologies, their enduring significance in defense, surveillance, and reconnaissance applications underscores the need for this study, particularly due to the persisting challenges encountered by UAVs in low cruising speeds.
The primary objective of this thesis is to intricately model the dynamic flight characteristics of the UAV, assess the impacts of different controllers, and evaluate their performances in conjunction with autopilot algorithms. Within this framework, a comparative analysis of prominent control strategies, such as Proportional-Integral-Derivative (PID), Quadratic Legulator (LQR), and H-infinitive (H∞), is conducted through diverse scenarios within a 6DOF flight simulation environment. The autopilot algorithms, developed in tandem with controller assemblies governing various flight parameters, generate requisite commands for waypoint tracking by the UAV.
This study offers a comprehensive perspective on the UAV's performance across varied flight profiles, encompassing high-speed cruising and dive maneuvers. Scenarios that incorporate real-world factors, including weather conditions, system uncertainties, and sensor errors, are scrutinized to delineate the responsiveness of control strategies in terms of reliability and robustness. The flight performance of control and autopilot algorithms tailored for high-speed and dive maneuvers is thoroughly scrutinized. 
The ensuing results will be meticulously presented to underscore the advantages and limitations associated with each control strategy concerning flight performance parameters. Consequently, the thesis aims to provide guidelines for the judicious selection of control algorithms contingent on specific mission requirements. Beyond its immediate contributions to the effective management of subsonic high-speed UAVs in intricate flight environments, this research endeavors to make a noteworthy impact on UAV technologies and the broader domain of control and autopilot systems. As such, it aspires to serve as a foundational reference for subsequent research endeavors, potentially paving the way for novel avenues in usability and efficiency within academic and industrial contexts.