Adaptive control of a novel tilt-roll rotor quadrotor UAV

İnsansız hava araçlarının (İHA) askeri, bilimsel ve sivil alanda kullanımı özellikle son yıllarda oldukça artmıştır. Günümüzde birçok ticari, askeri ve deneysel İHA'lar mevcuttur. Bunlar çok farklı tipte ve boyutlarda olabilmektedir. Üniversiteler, araştırma merkezleri ve hobi olarak kumandalı sistemlerle ilgilenenler tarafında halen geliştirme aşamasında olan birçok İHA tipleri ve modelleri mevcuttur. İHA'lar alternatifleri olan büyük boyuttaki klasik uçaklara oranla, yüksek manevra kabiliyetleri, düşük fiyatları, düşük radar görüntüleri, dayanıklılıkları, insan hayatının riske atılmaması gibi nedenlerle büyük fayda sağlamaktadırlar. Bu faydalar neticesinde günümüzde birçok alanda kullanımlarına rastlamaktayız. Çok rotorlu insansız hava araçları havada asılı kalabilme ve manevra yetenekleri ile dikkat çekmektedirler. Çok rotorlu hava araçlarından, dört rotorlu Quadrotor hava aracı kontrolü ve tasarımı üzerine birçok çalışma bulunmaktadır. Bu hava aracı üzerine son yıllarda dikkat çekici çalışmalar olmuştur. Günümüzde quadrotor (quadcopter) hava platformu, birçok uygulama ve araştırma projesinde kullanılmaktadır. Bu hava platformunun uygulamaya daha fazla geçirilememesinde aracın hareket etme yöntemi etkin olmaktadır. Bu hava aracı, hareket etmesi istenen yöne doğru eğilerek hareket etmektedir. Gerçekleştirilen eğilme hareketi ile aracın gidilmek istenen yönde ivmelenmesi mümkün olabilmektedir. Öte yandan, bu eğilme hareketi araç üstünde genellikle bulunması beklenen kamera sistemlerinin görüntü alma kabiliyetini olumsuz etkileyebilmekte ve kameraların doğrultu açısının değişmesine sebep olmaktadır. Bu durum, özellikle gerçek zamanda görüntü tabanlı kontrol yapmakta olan hava araçlarının istenen şekilde çalışmasına olumsuz yönde etki edebilen bir problemdir. Bunun yanı sıra söz konusu durum yüksekten gözlem ve takip uygulamalarında büyük sıkıntı yaratmaktadır. Güncel sistemlerde kamera sistemini araçtan ayrı bir hareketli platforma koyarak, hava aracının hareketlerinden soyutlamak yoluna gidilmeye çalışılsa da, önerilen proje bu probleme daha faydalı bir çözüm getirmektedir. Literatürde eğilebilen özellikte bazı döner-kanatlı hava araçları mevcut olmasına rağmen hiçbiri bu projede önerilen yapıda değildir. Standart quadrotor aracına alternatifi olarak geliştirilen eğilebilen özellikte döner kanatlı araçlar da mevcuttur. Bu yaklaşım ayrıca artan kaldırma kapasitesi de getirir. Bu tür hava araçlarının gerçek boyutta, insanlı versiyonları olan deneysel araçlar bile üretilmiştir. Literatürde eğilebilen özellikte quadrotor hava araçları hakkında birkaç çalışma vardır. Söz konusu sistem dikine havalanabilen quadrotor ile uçak modları arasında değişebilen özellikte bir hava aracıdır. Bunu tüm rotorlarını aynı oranda ve tek bir eksen etrafında eğerek yapmaktadır. xxii Bugünkü çoklu-rotorlu hava araçlarının bazı limitleyici özellikleri bulunmaktadır. Sistemin istenilen koordinat düzlemine hareket edebilmesi için kendi ataletini kullanarak bir yöne belli bir açı değeri alarak ilerlemesi şarttır. Bunun başlıca sebebi toplamda 6 serbestlik dereceli hareketi toplamda 4 adet yerleşimsel olarak statik eksenli motorun oluşturduğu itki kuvvetiyle sağlamasıdır. Bu durum bazı uygulamaların kapasitesini olumsuz olarak etkileyebilmektedir. Bunlara örnek olarak görsel çekimler için kullanılan kameraların uçuş süresince istenilen yöne bakabilmesi için ekstra sistemleri şart koşmaktadır. Bu sistemler gimbal olarak da adlandırılan kamera yatağı düzenekleri ile de desteklenmektedir. Normal koşullarda yalnızca üst kalite çekim sistemlerinde böyle bir destek ürüne gerek duyulmasına rağmen, kamera yatağı kullanımı daha amatör düzeydeki sistemler için de uygulanması gereken bir hale gelmiştir. Ekstra masraf da bu sistemlerle beraber gelen bir yüktür. Önceki çalışmaların aksine, yapmış olduğum yeni tasarım sayesinde motorlar kendi yunuslama ve yuvarlanma açıları yönünde eğilebilmektedir. Bu sayede kullanıcının yönlendirmesine göre quadrotor hava aracı istenen açıda havada sabit olarak konumlanabilmektedir. Bu gelişme yine aynı çalışma prensibi doğrultusunda quadrotor'un bir noktadan başka bir koordinat düzlemine yaptığı hareketi gövde açısını değiştirmeden, yalnızca motorlarının açılarını değiştirerek yapmasını sağlar. Bu seyahat boyunca önceki orijinal dizayna göre daha hızlı bir şekilde istenilen koordinat düzlemine aracın oturduğu ise Matlab üzerinde yapılan simülasyon ile gösterilmiştir. Bunun yanında geliştirme sürecinde de simulink ve Matlab programları da kullanılarak yeni algoritmalar ve kontrolcüler denenmiştir. Bu tez çalışmasında özel bir tip quadrotor hava aracının tasarımı ve kontrolünün yapılmıştır. Literatürde görülen çalışmalarda quadrotor hava aracının çoğunlukla gövdeye sabit olarak monte edildiği, birkaç örnekte tüm rotorların hepsinin aynı oranda (tek eksen etrafında) yatabilen tipte olduğu görülebilir. Bu çalışmadaki amaç, sabit ve tek bir eksen etrafında yatabilen quadrotor hava aracının mevcut sıkıntılarının üstesinde gelinmesini sağlayacak, birçok farklı görevde kullanılabilir yeni bir hava aracı tasarımının yapılması, üretiminin gerçekleştirilmesidir. Önceki çalışmalardan farklı olarak bu hava aracındaki rotorların eğilebilmesi sağlanmaktadır. Bu tasarım hava aracının kendi gövdesini eğmesine ve kamera sisteminin görüş açısının engellenmesine gerek kalmadan aracın hareket edebilmesine imkân sağlamaktadır. Bu aracın her iki eksen etrafında yatabilen rotorları, kuvvetin istenen doğrultuda aktarılabilmesine olanak tanımıştır. Böyle bir yenilik hava aracına daha yüksek hareket kabiliyeti sağlamaktadır. Rotorların eğilebilme imkânı her ne kadar kontrolü zorlaştırsa da, standart quadrotor hava aracının yapamayacağı bazı manevraların gerçekleştirilmesine, daha başarılı yönlendirme sağlanabilmesine imkân tanımaktadır. Bu yaklaşım standart quadrotor tasarımlarına göre büyük performans artırımı getirmiştir. Literatürde görülen çalışmalarda quadrotor hava aracının çoğunlukla gövdeye sabit olarak monte edildiği, birkaç örnekte ise tüm rotorların hepsinin aynı oranda (tek eksen etrafında) yatabilen tipte olduğu görülebilir. Bu çalışmadaki amaç, sabit ve tek bir eksen etrafında yatabilen quadrotor hava aracının mevcut sıkıntılarının üstesinde gelinmesini sağlayacak, birçok farklı görevde kullanılabilir yeni bir hava aracı tasarımının yapılması, üretiminin gerçekleştirilmesidir. Bu aracın her iki eksen etrafında yatabilen rotorları, kuvvetin istenen doğrultuda verilebilmesine olanak tanımaktadır. xxiii Önerilen bu hava aracının x ve y eksenleri etrafında bağımsız olarak dönebilen rotorları sayesinde (her rotor için 2 adet olmak üzere) toplam 8 ek kontrol sinyali gerekmektedir. Her ne kadar mekanik olarak bu sistem daha karmaşık gözükse de birçok avantaj getirmektedir. Bu tasarım ile hava aracının eğilmesine gerek kalmadan hareket edebilmesi, gerektiğinde istenen şekilde ve miktarda kendi gövde açısını değiştirebilmesi sağlanabilmektedir. Hava aracının olası motor sistemi arızalara ve oluşabilecek dış bozuntulara karşı daha dayanıklı olabileceği öngörülmektedir. Mevcut quadrotor hava araçlarına göre daha iyi bir başarı getirmesi amaçlanan bu hava aracının avantajlarının ortaya çıkarılması da projenin diğer bir hedefi olup, yapılan simulasyonlar ile de desteklenmiş – gösterilmiştir. Projenin ilk aşaması ön tasarım aşamasıdır. Gereklerin belirlenmesinin ve hava aracı parçalarının satın alınması bu aşamada yapılacaktır. Yapılan öntasarım çalışmaları sonunda, aracın özgün yazılmış algoritmalar ile simülasyon ortamında en az statik açılı motorları olan orijinal tasarım multikopterler kadar başarılı performansta uçması beklenmektedir. Projenin ikinci aşamasında, Quadrotor hava aracının alınan parçalarla kurulması, otonom uçuş için programlanması, oluşturularak, çalışıyor olduğunun teyidi yapılacaktır. Aracın dikey iniş kalkış ve seyir uçuşu esnasında kullanacağı itki sistemi dört alt bileşenden oluşmaktadır. İlk bileşen; göre dört adet, dişli kutusu olmayan pervaneyi 1:1 oranla çeviren; bu sayede aynı görevi yerine getiren muadillerine göre daha az gürültü çıkaran, daha verimli olan fırçasız motorlardır. Her biri azami olarak, kullanılacak pervane ile beraber maksimum devirde yaklaşık 1000-1200 gram itki sağlayabilecektir. Bu özelliği ile 4 motor gerektiği takdirde hava aracının ağırlığının 2 ila 2.5 katı arasında itki üretebilecekler; böylece aracın zor durumlardan kurtulma şansı veya bulunduğu ortamdan hızlıca yükselme olasılığı artacaktır. Bunun yanı sıra motorlar dikey eksene göre açı aldıklarında dahi aracı dengeli bir şekilde taşıyabileceklerdir. İkinci alt bileşen, dışarıdan hazır olarak alınacak olan pervanelerdir. Üçüncü alt sistem ise, fırçasız motorların sürülmesini ve kontrol edilmesini sağlayan elektronik hız kontrolcüleri olacaktır. Dördüncü ve son alt sistem ise motorları ile beraber bütün elektronik sistemi besleyen pillerdir. Günümüz pil teknolojisinin vardığı son nokta olan, yüksek akım çekilebilme kapasitesine sahip Lityum-Polimer (Li-Po) pil paketlerinin kullanılması tercih edilmiştir. Projenin bir sonraki aşamasında simülasyon çalışması vardır. Hava aracının kontrolcüsünün Simulink ve Matlab programlarında geliştirilmesi yapılıp, statik motorlu orijinal (eğilemeyen rotorlu) hava aracına göre performansı değerlendirilecektir. Simülasyonlarda uygun kontrolcülerin belirlenmesine müteakip, deneysel çalışmalara geçilecektir. Bu aşamada amaç, quadrotor aracının rotorlarının eğilebilir halde deneylerinin yapılması ve en dengeli kontrol yaklaşımını sağlayabilecek çeşitli kontrolcü ve sistemlerin geliştirilmesidir.