Dört rotorlu bir insansız hava aracının optimal yörünge kontrolü
Optimal trajectory control of a four-rotor unmanned aerial vehicle
Yazar: MURAT İBRAHİMAĞAOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. HAKAN YAZICI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Teorisi ve Kontrol Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada dört rotorlu bir insansız hava aracının (İHA), yörünge kontrolü için durum geri beslemeli bir optimal kontrolör tasarımı önerilmiştir. Kontrolör tasarımında dış bükey optimizasyon temelinde doğrusal matris eşitsizlikleri yaklaşımı kullanılmıştır. Dört rotorlu İHA'nın, Euler ve Newton hareket denklemleri ile doğrusal olmayan, altı serbestlik dereceli hareket denklemleri elde edilmiştir. Elde edilen hareket denklemleri ile aracın simülasyon modeli kurulmuştur. Altı serbestlik dereceli model dinamikleri, üç eksendeki doğrusal hareket ve bu eksenlerdeki dönme hareketlerini içermektedir. Bazı kabul ve kısıtlamalar ile doğrusal olmayan hareket denklemleri doğrusal denklemlere dönüştürülerek, doğrusal, altı serbestlik dereceli İHA hareket denklemleri elde edilmiş ve simülasyon modeli kurulmuştur. Elde edilen doğrusal denklemler ile sistem Durum-Uzay formuna getirilmiştir. Durum-Uzay denklemleri üzerinden durum geri beslemeli optimal bir kontrolör tasarlanmıştır. Tasarlanan kontrolör doğrusal olmayan model üzerinde test edilmiş ve sonuçlar incelenmiştir. Yapılan nümerik simülasyon çalışmaları sonucunda tasarlanan kontrolörün agresif manevralar durumunda yüksek bir yörünge izleme performansına sahip olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this study, an optimal controller design with state feedback for trajectory control of a four-rotor unmanned aerial vehicle has been proposed. The most important part of the controller design is the Linear Matrix Inequalities (LMI) approach which is based on convex optimization technique. Non-linear, six degree of freedom equations of a Four-Rotor Unmanned Aerial Vehicle (UAV) has been obtained by Euler and Newton equations of motion. Six degrees of freedom model dynamics include linear motion in three axes and rotational movements in these axes. Nonlinear equations of motions have been transformed into linear equations with some assumptions and constraints. Linear, six degree of freedom Unmanned Aerial Vehicle equations have been obtained and a simulation model has been established. System has been defined in the State-Space form with using the linear equations. A state feedback optimal controller has been designed based on LMI. The designed controller has firstly applied in the linear model and the results of the reference trajectory tracking have been obtained. Next, the non-linear model has been used to test the designed controller in a more realistic model, and the rotor models of the four rotors have been added to this model. The controller has been applied to the non-linear UAV model. The reference trajectories have been given to the unmanned aerial vehicle model and the trajectories followed by the vehicle has been plotted as a result. It has been observed that the controller designed as a result of numerical simulation studies have high trajectory tracking performance in the case of aggressive maneuvers.