Dörtlü rotor konfigürasyonuna sahip bir insansız hava aracının model öngörülü kontrol yöntemi ile uçuş performansının incelenmesi

Dört rotorlu İnsansız Hava Araçları (İHA) ulaşım, savunma ve eğlence gibi sektörlerde sıklıkla kullanılmaktadır. Bu İHA'lar genellikle değişen hava koşullarında karmaşık manevralar gerçekleştirmek için karmaşık uçuş algoritmaları kullanılarak kontrol edilir. Bu gibi durumlarda istenilen uçuş performansını gözlemlemek için ileri düzeyde bir kontrolcünün tasarlanması ve bu kontrolcünün uçuş performansına etkisinin belirsizlik analizleri ile incelenmesi gerekmektedir. Bu tez çalışması, dört rotorlu bir İHA'nın altı serbestlik dereceli (6-DOF) uzayda modellenmesini ve kontrolünü amaçlamaktadır. Oluşturulan 6-DOF modelde İHA'nın değişen hava koşulları, hassas olmayan sensör ölçümleri ve bilinmeyen aerodinamik özellikleri altındaki uçuş performansını incelenmek amacıyla Monte Carlo belirsizlik analizi kullanılmıştır. Modelleme ve kontrolcü tasarımı MATLAB & Simulink yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Modelleme 6-DOF uzayda yapıldığı için, 3 adet kuvvet denklemi ile öteleme dinamiği modellemesi ve 3 adet moment denklemi ile dönme dinamiği modellemesi yapılmıştır. Elde edilen model üzerine iki döngülü bir kontrolcü yapısı tasarlanmıştır. Bu kontrolcünün dış döngüsünde bir pozisyon kontrolcüsü, iç döngüsünde ise bir rotasyon kontrolcüsü yer almaktadır. Pozisyon kontrolcü, 3 eksenin her birinde 2 durum değişkenini kontrol edebilen bir durum uzayı kontrolcüsüdür. Durum uzayı tipindeki pozisyon kontrolcüsünün her bir ekseninin ayrı ayrı kontrol edilebilmesi için Kutup Yerleştirme tekniği ile kontrolcüler tasarlanmıştır. Rotasyon kontrolcüsü ise, 6 durum değişkenini bir arada kontrol edebilecek şekilde tasarlanan daha karmaşık yapıda bir durum uzayı kontrolcüsüdür. Sistemin farklı kontrol teknikleri altında performansının karşılaştırılabilmesi için, rotasyon kontrolcüsü Model Öngörülü Kontrol, Kutup Yerleştirme ve Doğrusal Kuadratik Regülatör (Linear Quadratic Regulator, LQR) teknikleri ile ayrı ayrı tasarlanmıştır. Tasarlanan model içerisinde bu 3 kontrolcünün her biri anahtarlanarak kullanıma alınabilmektedir. Modelleme kontrolcü tasarımlarının tamamlanmasının ardından tekli koşularla kontrolcülerin gürbüzlüğü incelenmiştir. Ayrıca, İHA'nın uçuş performansını değerlendirmek için belirsiz koşullar altında istenen açı, konum ve hız değerlerindeki sapmalar incelenmiştir. Benzetim sonuçları bir araya toplanarak 3 rotasyon kontrolcüsünün birbirine olan üstünlükleri ortaya çıkartılmıştır. Sonuç olarak, yapılan bu tez çalışması ile dört rotorlu bir İHA'nın uçuş performansı farklı kontrol teknikleri altında incelenmiştir.