Dört rotorlu insansız hava araçları için STM32f4 mikroişlemci üzerinde uçuş kontrol yazılımının geliştirilmesi ve uygulanması
Development and application of flight control software based on STM32f4 microprocessor for quadrotor unmanned air vehicle
Yazar: BERKAY GÜRKAN
Danışman: PROF. DR. VASFİ EMRE ÖMÜRLÜ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Füzyon = Fusion ; Kalman filtre = Kalman filter ; PID = PID ; Sensörler = Sensors ; Uçuş denetim sistemleri = Flight control systems ; İnsansız araçlar = Unmanned vehicles

Özet:
İnsansız Hava Araçları (İHA) gelişen teknoloji ve ilerleyen tekniklerle beraber sivil ve askeri birçok alanda kullanılmaya başlamıştır. İHA'ların kullanılmasındaki en büyük etken yüksek manevra kabiliyeti, ufak boyutları ve otonom uçuş yetenekleridir. Tez kapsamında dört rotorlu İHA'ların tam kontrolünü sağlayarak otonom uçuşu mümkün kılan gömülü uçuş kontrol yazılımı geliştirilmiştir. Uçuş kontrol yazılımı kontrolcü ve tahminci yapısı olarak iki bölümden oluşmaktadır. Bu iki yapı bütünsel bir bakış açısıyla ele alınmış, teorik ve uygulama bölümleri ile sunulmuştur. Uçuş kontrolcüsü ayrık zamanlı ardışık P/PID kontrolcülerden meydana gelmekte ve İHA'nın açısal hız, açı, doğrusal hız ve pozisyon değişkenlerini kontrol edebilir niteliktedir. Kontrol sisteminin ihtiyacı olan anlık durum değişkenleri bilgisi tasarlanan Genişletilmiş Kalman Filtresi sensör füzyonu ile elde edilmektedir. Atalatsel Navigasyon Sistemi ve Küresel Uydu Seyrüsefer Sistemi ölçüm sistemlerini birleştiren filtre Ataletsel Ölçü Birimi (AÖB), manyetometre, barometre ve GNSS alıcı verilerini kullanır. GKF sistem modeli olarak İHA hareket modelini ve birleştirme yapısı olarak gevşek bağlı birleştirme yapısını kullanan filtre İHA'nın tutum, pozisyon ve hız değerlerini tahmin etmektedir.
Tasarlanan kontrolcü ve tahminci sistemi, tez kapsamında oluşturulan uçuş kontrol kartı üzerinde bulunan STM32F4 tabanlı mikrodenetleyici üzerinde uygulanmıştır. Uçuş kontrol yazılımı mikroişlemciye entegre edilen gerçek zamanlı işletim sistemi yazılımı kullanılarak C programlama dilinde oluşturulmuştur. Kontrolcü, tahminci ve genel sistem gerekliliklerinin mikrodenetleyiciye entegrasyonu için oluşturulan pin konfigürasyonları, mikrodenetleyici, sensör ve gerçek zamanlı işletim sistemi ayarları ile yazılım kod parçaları detayları ile açıklanmıştır.
Benzetim çalışmaları amacıyla Newton-Euler yöntemi kullanılarak İHA dinamik modeli oluşturulmuştur. Önceki çalışmalarda yer alan İHA model parametreleri kullanılarak oluşturulan benzetim ortamında kontrol yapısının kararlılığı analiz edilmiştir. GKF tahminci yapısı benzetim ortamında gürültü parametreleri ayarlanabilir sanal sensörlere test edilmiştir. Benzetim çalışmaları önerilen uçuş kontrol ve tahmincisinin İHA'nın tam kontrolünü sağlayabilecek nitelikte olduğunu göstermiştir. Benzetim çalışmalarının ardından kontrol ve tahminci yapısını sistem entegrasyonu sağlanarak saha testleri yapılmıştır. Saha testleri önerilen uçuş kontrol yazılımının otonom uçuş ve tam kontrol performansını doğrulamıştır.

Abstract:
Unmanned Aerial Vehicles (UAV) have started to take an active role in many civil and military areas of use with developing technology and advancing techniques. The most important factor in the use of UAVs is their high maneuverability, small size and autonomous flight capabilities. In this work, an embedded flight control software has been developed that enables autonomous flight by providing full control of quadrotor UAV. Flight control software consists of two parts, as controller and estimator. Flight controller consists of discrete-time cascaded P/PID controllers and can control angular velocity, angle, linear velocity and position of UAV. State variables that control system needs is obtained with Extended Kalman Filter sensor fusion. Combining Inertial Navigation System and Global Satellite Navigation System measurement systems, filter uses Inertial Measurement Unit magnetometer, barometer and GNSS receiver data. Filter which uses UAV motion model and has loosely coupled estimates attitude, position and velocity values ​​of UAV.
Controller and estimator system is implemented on STM32F4 based microcontroller. Flight control software is created in C programming language using real-time operating system (RTOS) software integrated into the microprocessor. Pin configurations, microcontroller, sensor and RTOS settings and software code fragments created for integration of controller, estimator and general system requirements into microcontroller are explained in detail.
UAV dynamic model is obtained using the Newton-Euler method for simulation studies. Stability of control structure is analyzed in simulation environment created by using UAV model parameters in previous studies. Estimator structure is tested on virtual sensors with adjustable noise parameters in simulation environment. Simulation studies have shown that the proposed flight controller and estimator can provide full control of UAV. After simulation studies, field tests are carried out by providing system integration of the control and estimator structure. Field tests validated autonomous flight and full control performance of proposed flight control software.