İnsansız hava araçlarında kontrol uygulamaları
Unmanned aerial vehicle control applications
Yazar: CANER ÇOPUR
Danışman: PROF. DR. VASFİ EMRE ÖMÜRLÜ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada  klasik dört rotorlu bir insansız hava aracının MATLAB/Simulink ortamında modellenip daha sonra gerçek araç üzerine uygulanan   İntegral-Geri Adımlamalı kontrolüne ait sonuçlar sunulmuştur. Sistem simülasyon modeli Simulink blokları kullanılarak oluşturulmuştur. Sistemin doğrusal olmayan dinamik modeli Newton denklemleri yardımıyla  elde edilmiştir. 

Dört rotor sistemi yüksek mertebede, doğrusal olmayan dinamik denklemlere sahiptir. Bu çalışmada doğrusal olmayan sistemin stabilizasyon ve pozisyon kontrolü için İntegral-Geri Adımlama yöntemi kullanılmıştır. Hava aracı kontrolü için 6 adet denklem mevcuttur. Her bir denklem 3 tane katsayı içerir. Böylelikle kontrol denklemleri için toplam 18 tane katsayı bulunmalıdır ve bu katsayılar araç ağırlığı, motor kapasitesi, boyutlara, vs. göre değişmektedir. Katsayılar kontrol açısından kritik öneme sahiptir. Katsayılar ne kadar uygun seçilirse kontrol edilen sistemin cevabı o kadar iyi olur. Bu çalışmada sisteme iki farklı sayısal yöntem uygulanmıştır. Bunlardan bir tanesi Parça Sürü Optimizasyonu (PSO) diğeri Nelder-Mead metodudur. Her iki algoritma da iteratif şekilde çalışır ve verilen fonksiyonun genel minimum ya da maksimum değerini bulmayı hedefler.  Bu çalışmada öncelikle makul sayıda iterasyon ile PSO uygulanarak bulunan katsayılar Nelder-Mead metodu için başlangıç değeri olarak kullanılmıştır. Sonunda çıkan değerler modele uygulanmıştır. 

Bütün parametrelerin bulunmasından sonra kontrol denklemleri Arduino kartına aktarılmış ve gerçek sistemin stabilizasyon kontrolü sağlanmıştır.

Abstract:
In this thesis, Integral Backstepping Control (IBC) results are presented which are applied on a classical four rotor UAV(Unmanned Aerial Vehicle) modeled in MATLAB/Simulink environment and then implemented on actual vehicle. System simulation model is built by using Simulink block diagrams. Nonlinear dynamic model of system is obtained by using Newton's equations of motion.

A quadrotor system has highly nonlinear dynamic equations. In this study Integral Backstepping method is used for stabilization and position control of this nonlinear system. There are 6 equations to control the vehicle. Each equation contains 3 control coefficient. So totally 18 coefficient must be calibrated for control equations and these parameters varies according to UAV's properties which are weight, motor capacity, dimensions etc. Coefficients are critical elements for control method. As the coefficients are choosen appropriately so the controlled system's response would be better. In this study, two different computational methods are applied on the system model. One of them is Particle Swarm Optimization (PSO) and another one is Nelder-Mead Method. Both algorithm run iteratively and aim to find global minimum or maximum value of given function.  In this study firstly PSO algorithm is applied with acceptible number of iterations and the coefficients as results from PSO are used as initial values for Nelder-Mead Method. Finally resultant values are applied to the simulation model.

Following determination of all the parameters on Simulink model control equations are transferred to Arduino board and stabilization control of real system executed.