Dört rotorlu bir hava aracının modellenmesi, simülasyonu ve PD kontrolcü kullanılarak yükseklik ve konum kontrolü
Modelling and simulation of a quadrotor and altitude and position control using PD controller
Yazar: ENVER ELİTOK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA TOSUN
Dumlupınar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: DA motor =   ; Doğru akım motorları = Direct current motors ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle

Özet:
Quadrotor, 4 rotordan oluşan, dikey iniş ve kalkış yapabilen ve X şekilli bir yapıya sahip olan bir hava aracıdır. Yüksek manevra kabiliyeti, düşük ve yüksek hızlarda uçabilmesi ve basit mekanik yapısı sayesinde kullanım alanları sürekli olarak artmaktadır. Quadrotor için simülasyon ortamında ve deneysel olarak birçok çalışma yapılmış ve yeni çalışmalar yapılmaktadır. Quadrotorun kontrolü için birçok kontrol yöntemi geliştirilmiştir.
	Bu çalışmada quadrotorun kinematik ve dinamik eşitleri Newton-Euler ilkelerine dayanılarak elde edilmiştir. Bu eşitlikler kullanılarak quadrotorun 2 adet simülasyon modeli oluşturulmuştur. İlk simülasyon modelinde PD (Oransal-Türev) konum kontrolcü, PD (Oransal- Türev) davranış (attitude) kontrolcü ve PI (Oransal-İntegral) motor kontrolcü olmak üzere 3 adet lineer kontrolcü tasarlanmıştır. İkinci modelinde ise PD (Oransal-Türev) konum kontrolcü, kaskat P (Oransal) hız kontrolcü, PD (Oransal- Türev) davranış (attitude) kontrolcü ve PI (Oransal-İntegral) motor kontrolcü olmak üzere 4 adet lineer kontrolcü tasarlanmıştır. Bu iki simülasyon modelinin referans ve ölçülen konum sinyalleri, ölçülen lineer hızları, ölçülen Euler açıları ve konum hata sinyalleri verilmiş ve yorumlanmıştır.
	Elde edilen simülasyon sonuçlarına göre quadrotor, en fazla 5 m/s hızlarda yörünge takibini garanti etmiştir. 1. ve 2. simülasyon modellerinde yerleşme süresi 3 ile 4 saniye arasında olmuştur. 1. simülasyon modelinde yerleşme süresinden sonra kalıcı hal hatası olmamıştır. 2. simülasyon modelinde yerleşme süresinden sonra lineer hızın %5'i kadar kalıcı hal hatası oluşmuştur. Giriş referans sinyali lineer olan simülasyonlarda, yerleşme süresi içinde 2. simülasyon modelinde konum hatası 1. simülasyon modelinden daha az ölçülmüştür. Hız kontrolcü olan 2. simülasyon modelinin tek avantajı lineer referans sinyali uygulanan simülasyonlarda yerleşme süresi içindeki hatayı azaltmasıdır. Dolayısıyla 1. simülasyon modeli en fazla %5 hata ile iyi bir performans göstermiştir.
Ayrıca yerleşme süresinden sonra kalıcı hal hatası oluşturmamıştır. 2. simülasyon modelinin yalnızca yerleşme süresi boyunca kullanılması ve yerleşme süresinden sonra ise kalıcı hal hatasının olmaması için 1. simülasyon modelinin kullanılması daha iyi performans göstermiştir.

Abstract:
A quadrotor is a X-shaped aerial vehicle with 4 rotors, capable of vertical landing and take-off. Thanks to high maneuverability, low and high flying speeds and simple mechanical structure, quadrotor's usage areas are constantly increasing. Many studies have been presented in the simulation environments and experiments for quadrotors and new studies are being carried out. Many control methods have been developed to control quadrotors.
	In this study, kinematic and dynamic equations of the quadrotor were obtained based on Newton-Euler principles. Using these equations, 2 simulation models of the quadrotor were designed. In the first simulation model, three linear controllers were designed, which are PD (Proportional-Derivative) position controller, PD (Proportional-Derivative) attitude controller and PI (Proportional-Integral) motor controller. In the second model, 4 linear controllers were designed, which are PD (Proportional-Derivative) position controller, cascade P (Proportional) velocity controller, PD (Proportional-Derivative) attitude controller and PI (Proportional-Integral) motor controller. Reference and measured position signals, measured linear velocities, measured Euler angles and position error signals of these two simulation models were presented and discussed.
	According to the simulation results, the quadrotor guaranteed trajectory at velocities up to 5 m/s. In the first and second simulation models, the settling time was between 3 and 4 seconds. In the 1st simulation model, there was no steady state error after the settling period. In the 2nd simulation model, after the settling time, steady state error occurred up to 5% of the linear velocity. In the simulations with the linear reference signal, the position error in the 2nd simulation model was less than the 1st simulation model during the settlement period. The only advantage of the second simulation model is that it reduces the error in the settling period in simulations where a linear reference signal is applied. Therefore, the 1st simulation model performed well with up to 5% error. Furthermore, it did not cause steady state error after the settling period. Using the 2nd simulation model only during the settling period and after the settlement period, using the 1st simulation model presented better results.