İnsansız araçlar için optimum uzaysal yörünge planlama algoritmaları geliştirilmesi ve uygulanması
Development and implementation of optimal spatial trajectory planning algorithms for unmanned vehicles
Yazar: MERVE ÇETİN
Danışman: PROF. DR. VASFİ EMRE ÖMÜRLÜ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışması, doğrusal olmayan dört rotorlu döner kanatlı insansız hava aracı için uygun yol planlama algoritmasının seçilmesi ve uygulanmasını, algoritma sonuçlarına bağlı olarak yörünge planlama algoritmasının seçilmesi ve uygulanmasını, oluşturulan yörüngeyi kararlı bir şekilde takip edebilmesi için kontrolcü tasarımlarını içermektedir. Havacılık ve savunma sektöründe kullanımı dikkate alınarak, insansız hava aracında kırım oluşmaması için simülasyon ortamında gerçek ortam bilgilerine dayanarak gözlemlenmesini, algoritmanın nasıl davranacağının test edilmesini ve bataryaların şarj durumunun daha etkin ve verimli kullanılabilmesi amacıyla bu tez çalışması gerçekleştirilmiştir. Dört rotorlu döner kanatlı İHA için matematiksel model çıkarıldıktan sonra A* ve RRT* yol planlama algoritmaları, referans yol noktalarının oluşturulması için seçilmiştir. Yol planlama işlemleri, üç boyutlu uzay iki boyutlu hale indirgenerek dört rotorlu döner kanatlı insansız hava aracının askıda kaldığı durumda gerçekleştirilmiştir. Yol planlama algoritmasının uygulanabilmesi için oluşturulan çevre modeli statik engellerin
xix
olduğu bir alanı kapsamaktadır. Dört rotorlu döner kanatlı insansız hava aracı için referans yol noktaları elde edildikten sonra yörünge planlama algoritmasının uygulanması sağlanmıştır. Literatürde yörünge planlama işlemleri optimizasyon çalışmalarını kapsamaktadır. Bu çalışmada, literatürde yer alan kübik polinom eğrileri yöntemi ve b eğrileri yöntemi uygulanmıştır. Oluşturulan optimal yörüngenin kararlı bir şekilde takip edilebilmesi için kontrolcü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Kontrolcü yapısı olarak konum kontrolcü yapıları, hız kontrolcü yapıları ve ivme kontrolcü yapıları kullanılmıştır. Geri beslemeli iç içe bir yapıda kontrolcüler oluşturulmuştur. Burada en içte ivme kontrolcü yapıları, ardından hız kontrolcü yapıları ve en dışta konum kontrolcü yapıları kullanılmıştır. Genel hatlarıyla konum kontrolcü yapıları P konum kontrolcüsünü, hız kontrolcü yapıları PD ya da PID kontrolcü yapıları ile PID ivme kontrolcü yapısı ise irtifada oturma zamanını düşürmek için daha stabil olması amacıyla kullanılmıştır. Oluşturulan dört rotorlu döner kanatlı insansız hava aracı sistemi için uygulanan metotlar ve model denklemleri Matlab Simulink ortamında test edilmiştir.
Anahtar Kelimeler: A*, RRT*, yol planlama, yörünge planlama, PID.

Abstract:
This thesis work encompasses the selection and application of an appropriate path planning algorithm for a nonlinear quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV) with rotary wings. Based on the algorithm outcomes, a trajectory planning algorithm is selected and applied to ensure stable tracking of the generated trajectory. Considering its utilization in the aviation and defense sectors, this research is conducted to observe UAV behavior in a simulation environment, relying on real-world data to prevent collisions and to test how the algorithm performs. Additionally, the aim is to utilize battery charging status more efficiently. After deriving the mathematical model for the quadrotor UAV with rotary wings, the A* and RRT* path planning algorithms are chosen for generating reference path points. Path planning operations are conducted by reducing the three-dimensional space to a two-dimensional representation, considering the hovering state of the quadrotor UAV. The environmental model developed for algorithm implementation encompasses an area with static obstacles. Upon obtaining reference path points for the quadrotor UAV, the trajectory planning algorithm is implemented. In literature, trajectory planning operations often involve optimization studies. In this research, methods such as cubic polynomial curves and the b-spline technique, as
xxi
documented in the literature, are applied. To ensure stable tracking of the generated optimal trajectory, controller design is executed. The control structure incorporates position control structures, velocity control structures, and acceleration control structures. Feedback cascaded controllers are designed with acceleration control structures at the innermost layer, followed by velocity control structures, and outermost position control structures. Broadly, position control structures utilize P position controllers, while velocity control structures employ PD or PID controllers. The PID acceleration control structure is utilized for enhanced stability in altitude hold times. The methods and model equations applied for the quadrotor UAV system are tested using the Matlab Simulink environment.
Keywords: A*, RRT*, path planning, trajectory planning, PID.