Bir dörtpervanelinin modellenmesi ve denetimi
Modeling and control of a quadrotor
Yazar: AHMET DEMİRYÜREK
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN DEMİRCİOĞLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında 'Dörtpervaneli' olarak isimlendirilen, İnsansız Hava Aracı'nın modellenmesi ve denetimi konuları ele alınmıştır. Dikey iniş kalkış yapabilen dörtpervaneli temel hareketlerini, çapraz ya da artı yapıda bütünleştirilmiş kollarına yerleştirilen dört adet rotor ve bu rotorlara bağlı pervanelerin dönme hızlarını ayarlayarak gerçekleştirir. Dörtpervanelinin temel hareketleri askıda kalma, yükselme, yunuslama, yuvarlanma ve sapma açısı oluşturmaktır. Pervane çiftlerinin farklı hızlarda dönmesiyle ağırlık merkezinde oluşan momentler ile dörtpervaneli ileri, geri, sağa veya sola gidebilmektedir. Bu çalışmada Newton-Euler denklem takımı kullanılarak dörtpervanelinin hareketlerini açıklayacak altı serbestlik dereceli matematiksel model elde edilmiştir. 
Doğrusal olmayan bir modele sahip olan dörtpervanelinin denetimi için doğrusal denetim yöntemlerinden PID ve Doğrusal Karesel Denetleyici; doğrusal olmayan denetim yöntemlerinden ise geriadımlamalı ve kayan kipli denetim tercih edilmiştir. Denetim için bazı ölçütler belirlenmiş ve bu ölçütlere uyan tasarımlar yapılmıştır. Tasarımlanan denetleyicilerin başarımları basamak tepkilerinden ve farklı senaryolarda verilen yörüngeleri takip etme yeteneklerinden gözlenmiştir. Gürbüz bir denetleyici, belirsizliklerden etkilenmeden sistem kararlılığını sürdürebilmelidir. Bu çalışmada tasarımlanan denetleyicilerin gürbüzlüğü bozucu bir etkiyi geri çevirme ve gürültülü altındaki davranışları üzerinden gözlemlenmiştir. 
Benzetim sonuçları, dörtpervanelinin PI denetim yöntemi hariç diğer yöntemler ile denetlenebildiğini göstermiştir. Yörünge takibinde en başarılı denetim yöntemi tek model üzerinden tasarımlanan Doğrusal Karesel Denetleyici olurken en gürbüz yöntem olarak da karşımıza çıkmaktadır. Ancak, diğer yöntemlerden daha çok denetim çabası harcadığı görülmüştür. PD denetimin ise diğer yöntemlere göre bozucu bir etki geldiğinde toparlanmasının daha zor olduğu görülmüştür. Bu çalışma ile doğrusal ve doğrusal olmayan denetim yöntemlerinden hangisinin dörtpervanelinin denetimi için daha uygun olduğunun tespit edilmesi amaçlanmıştır.

Abstract:
This thesis deals with the modeling and control of an Unmanned Aerial Vehicle called as 'quadrotor'. The quadrotor which is capable of vertically taking off and landing, does its basic movements by adjusting the rotational speeds of propellers fixed on four rotors which are mounted on a crossed or plus structured arms. These basic movements are hovering, rising, pitching, rolling and yawing. The quadrotor can go forward, backward, to the left or to the right by generating moments at its center of gravity. These moments occur when the propeller pairs rotate at different speeds. In this work, the quadrotor model is derived in order to describe these movements mathematically. The six degree of freedom model in body frame is provided by using the Newton-Euler equations 
The linear control methods such as PID and Linear Quadratic Regulator and the nonlinear control methods such as backstepping and sliding mode control are preferred to control the quadrotor which has a nonlinear model. All the controller designs are agreed with the pre-determined constraints. The performance of the control methods are observed by analyzing the step responses and the trajectory following success given with different scenarios. A robust system is insensitive to uncertainties. In this work the robustness of the designed control methods are tested by adding disturbance and noisy measurements to the system. 
The simulation results show that the quadrotor can be controlled by any methods given in this thesis except the PI controller. The most successful control method in following the trajectories is the Linear Quadratic Regulator designed over a single model it is also the most robust method. But it exhibits more control efforts than others. PD control is found to be more difficult to restabilize the quadrotor when its exposure to a disturbance compared to the other methods. With this study, it is aimed at determining which controller is more suitable to control a quadrotor.