Dört rotorlu bir insansız hava aracına field programmable gate array tabanlı irtifa kontrolcüsü tasarımı

Günümüz modern dünyasında, insansız hava araçları otonom hareket eden veya uzaktan bir insan tarafından kontrol edilebilen araçlar anlamına gelmektedir. İnsansız hava araçları farklı alanlarda kullanılmakta ve bu alanlara göre farklı tasarımları bulunmaktadır. İnsansız hava araçlarının başlıca kullanıldığı yerler; askeri amaçlı keşif, sınır gözetleme ve saldırıdır. Askeri amaçlar dışında İHA'lar; tarımda gözetleme ve ilaçlama faaliyetlerinde, taşımacılıkta, orman yangını tespiti ve söndürme çalışmalarında, doğal afet bölgelerinde arama faaliyetlerinde ve bölgeyi haritalamada kullanılmaktadır. İnsansız hava araçlarının otopilotlarında genel olarak mikroişlemciler tercih edilmektedir. Ancak yüksek hız gerektiren uygulamalarda Field Programmable Gate Array'ler (FPGA) işlemciler yerine tercih edilebilir. Bu işlemciler gelen sensör ve komuta kontrol verilerini okuyarak, gerekli olan karar mekanizmasını gerçeklerler. İnsansız hava araçları uçuş eksenleri için oransal, integral, diferansiyel kapalı çevrim kontrolcüleri bulundurmaktadır. Bu üç yapı kazanç olarak nitelendirilmektedir ve testler ile beraber değerleri ayarlanmalıdır. İnsansız hava araçlarından biri olan dört rotorlu insansız hava araçları dikey iniş – kalkış yapabilmeleri ve kapalı alanlarda da kullanılabilir olmaları sebebiyle farklı sektörler tarafından yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında bir Quadrotorun doğrusal olmayan matematiksel modeli oluşturulmuştur. İrtifa modeli Simulink üzerinde gerçeklenmiştir. Model üzerine PID kontrolcü eklenmiş ve simülasyonları yapılmıştır. Sonraki adımda irtifa kontrolcünün FPGA üzerinde gerçeklendiği adıma geçilmiştir. İrtifa kontrolcü FPGA üzerinde farklı yöntemler ve yazılımlar ile gerçeklenebilmektedir. İlk uygulamada FPGA tabanlı kontolcü, Xilinx FPGA tasarım blokları ile Xilinx System Generator üzerinde oluşturulmuştur. Farklı irtifa değerleri ile test edilmiştir ve referans takibi doğrulanmıştır. İkinci uygulamada ise HDL coder ile sentezlenebilir kodları üretmek için PID irtifa kontrolcü Matlab üzerinde gerçeklenmiştir. Referans takibi doğrulandıktan sonra sentezlenebilir VHDL kodları oluşturulmuştur. Üçüncü yöntemde, popülaritesi artmakta olan high level synthesis ile irtifa kontrolcü oluşturulmuş ve HLS üzerinde test edilmiştir. Dördüncü ve beşinci yöntemler FPGA üzerinde gerçeklenmiştir. Dördüncü yöntemde PID irtifa kontrolcü Xilinx FPGA üzerine yerleştirilen softcore işlemci "MicroBlaze" üzerinde gerçeklenmiştir. Beşinci uygulamada sayısal irtifa kontrolcü IP'si VHDL ile oluşturulmuş ve Zynq ile entegre edilerek testleri gerçekleştirilmiştir. İki yöntemde de referans takibi "Hardware in Loop" yöntemi ile Matlab Intrumentation Toolbox kullanılarak test edilmiştir. Test sistemine parametre belirsizliği ve gürültü eklenerek irtifa kontrolcüsünün işlevselliği doğrulanmıştır. Sonuç bülümünde ise FPGA tabanlı irtifa kontrolcü tasarımlarında kullanılan farklı yöntemlerin performans, kaynak kullanımı ve güç tüketimi yönünden karşılaştırması yapılmıştır.