Sabit kanatlı insansız hava araçları için ivme geribeslemeli kontrolcü tasarımı ve yeni bir açısal ivme kestirim yöntemi
Acceleration feedback controller design for fixed-wing uavs and a novel angular acceleration estimation method
Yazar: SERKAN ÜNSAL
Danışman: PROF. DR. ŞEREF NACİ ENGİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Geri bildirim = Feedback ; INS = INS ; MEMS = MEMS ; Sabit kanatlı hava araçları = Fixed-wing aircraft ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle ; İstikrar = Stability

Özet:
Atmosferik bozucular İnsansız Hava Araçlarının (İHA) ve dolayısıyla kamera ve lazer işaretleyici gibi faydalı yüklerin stabilizasyon başarımını olumsuz yönde etkiler. Atmosferik bozucuların platform üzerindeki ilk etkileri doğrusal ve açısal ivmeler olmaktadır. Bu ivmeler zamanla birikerek hız, pozisyon ve yönelim hataları oluşturmaktadırlar. İvme geribeslemeli kontrolcüler, bozucuların platform üzerindeki ilk etkileri olan ivmeleri hemen algılayıp geri besledikleri için bozucu bastırmada hız ve konum geribeslemeli kontrolcülere göre daha iyi performans gösterebilir. Fakat yönelim kontrolünde gerekli olan açısal ivme ölçümü zordur ve genellikle stokastik filtreler yardımı ile kestirilmektedirler. Bu yöntemlerin doğasında var olan gecikmeler, ivme geribeslemenin bozucu bastırma başarımındaki iyileşmeyi azaltmaktadır. Bu tez çalışmasında sabit kanatlı mini bir İHA'nın, yunuslama ve yalpalama stabilizasyonu için açısal ivme geribeslemeli kontrolcüler tasarlanmıştır. Kontrolcülerin bozucu bastırma performanslarının klasik konum ve hız kontrolcülere göre sağladığı iyileştirme, yüksek sadakatli modelleme ve benzetim çalışmalarıyla gösterilmiştir. Benzetim çalışması için elde hazır olan bir sabit kanatlı mini İHA'nın aerodinamik modelleme araçları ile aerodinamik parametreleri çıkarılmıştır. Uçağın dinamiklerinde önemli rolü olan ağırlık merkezi ve eylemsizlik momentleri de detaylı bir katı modelleme çalışması ile elde edilmiştir. 
Bu doktora tezinde tasarlanan açısal ivme geribeslemeli kontrolcülere tamamlayıcı olarak açısal ivmelerin doğrudan ölçülebileceği, gerçeklenmesi kolay, yeni bir düzlemsel ataletsel sensör konfigürasyonu önerilmiştir. Gerçek MEMS sensörlerin gürültü parametreleri ile önerilen ölçüm yönteminin hata analizi yapılarak açısal ivme ölçümlerinin hata seviyeleri ortaya konmuştur. Önerilen yöntemin başarımı, sensör modelleri ile birlikte benzetim yapılarak da gösterilmiştir. 
Önerilen ölçüm sisteminin modeli, uçak modeli ve tasarlanan kontrolcüler ile bir benzetim ortamı oluşturulmuş ve farklı tipte yapay bozucu momentler uygulanarak stabilizasyon başarımı değerlendirilmiştir. Bu tez çalışmasında önerilen açısal ivme geribeslemeli kontrolcülerin ve açısal ivme ölçüm yönteminin, sabit kanatlı mini İHA'larda farklı bozucu etkiler altında yalpalama ve yunuslama stabilizasyon başarımını iyileştirdiği gösterilmiştir.

Abstract:
Atmospheric disturbances degrade the stabilization performances of Unmanned Air Vehicles (UAV) and hence their payloads like camera and laser tracker. The very first effects of atmospheric disturbances are observed on platform's linear and angular accelerations. In acceleration feedback control since the first effects of disturbances are immediately sensed and fed back, the disturbance rejection can manifest better performance compared to velocity and position control. However, the angular acceleration required in the attitude control is hard to measure and conventionally estimated by stochastic filters. The structural delays of such filters decrease the improvement achieved by acceleration feedback. In this thesis, angular acceleration feedback controllers are designed for pitch and roll stabilization of a fixed-wing mini UAV. The provided improvement in disturbance rejection is presented with high fidelity modelling and simulation. A mini fixed-wing UAV in hand is modelled using aerodynamic modelling tools to obtain its aerodynamic coefficients and derivatives. Inertia matrix and center of gravity, which highly affect the dynamic behavior are determined through a detailed solid modelling process.
In this dissertation, angular acceleration feedback controllers are supplemented with a proposed novel planar inertial sensor configuration by which angular acceleration can be directly calculated from the accelerometer and gyroscope outputs. The errors of the proposed measurement system is theoretically presented and the noise levels of the obtained angular acceleration signals are determined. The performance of the proposed sensor configuration is also shown by means of computer simulations.
A simulation environment is realized with the models of the proposed angular acceleration measurement system, UAV and the controllers. Experiments are conducted with different types of disturbances and the disturbance rejection performance is evaluated. It is shown that, with the proposed angular acceleration feedback controllers and the angular acceleration measurement method roll and pitch stabilization performance of fixed wing mini UAVs can be improved.