Nano quadkopter için bulanık mantık tabanlı pozisyon kontrol sistemi tasarımı

Günümüzde, quadrotor olarak da bilinen quadkopter, dört rotorlu bir helikopterdir. Rotorlar yukarı doğru yönlendirilir ve dörtgenin kütlesinin merkezinden eşit uzaklıkta bir kare formasyona yerleştirilir. Quadkopter, elektrik motorları tarafından bükülen rotorların açısal hızlarını ayarlayarak kontrol edilir. Quadkopter, basit yapısı nedeniyle küçük insansız hava araçları (İHA) için tipik bir tasarımdır. Quadkopterler gözetim, arama ve kurtarma, inşaat denetimleri ve diğer bazı uygulamalarda kullanılmaktadır. Quadkopter, karmaşık yapılara sahip olması nedeniyle araştırmacılar tarafından çeşitli alalarda ilgi görmüştür. Quadkopterin temel dinamik modeli, tüm çalışmaların başlangıç noktasıdır, ancak daha karmaşık aerodinamik özellikler de sahiptir. Bu özellikler ve yapılar sistem üzerinde kullanılan motorların türü ve sayısı, yapısı quadkopterin kasasının büyüklüğü kullanılan pervane çeşidi, batarya ve elektronik kartı olmak üzere birçok etmen vardır. Quadkopterler, büyük, orta, küçük ve nano boyutlar olarak dörde ayrılabilir. Bu ayrımlar büyüklük ve ağırlık dikkate alınarak yapılmıştır. Büyük quadkopterler sekiz, altı veya klasik olarak dört motorlu olabilir. Diğer türlerinde en çok dört motorlu tercih edilmektedir. Orta ölçekliler daha çok yarış için kullanılmaktadır ve 3 kanatalı pervanelere sahiptir. Küçük ve nano robotlar da ise diğer türlerinde kullanılan BLDC motor yerine mini boyutlarda DC motor kullanılmaktır. Bu sayede elektronik kart üzerindeki komponentlerden ve enerji tüketiminden tasarruf edilmiş olunur. Bu tez kapsamında nano quadkopterler tercih edilmiştir. Nano quadkopterler yüksek manevra kabiliyetine sahip ve hızlı olmaları nedeniyle araştırma konularında ilgi çekmektedir. Boyutlarının vermiş olduğu avantaj sayesinde iç mekânlarda kullanımı, manevra kabiliyeti sayesinde de hızlı cevap verme gibi özellikleri mevcuttur. Piyasada çeşitli özelliklerde nano quadkopterler mevcuttur. Genellikle eğlence amaçlı kullanılan bu nano quadkopterler, boyutlarının vermiş olduğu avantajlar sayesinde gözleme, izleme, takip ve sürü hareketi gibi birçok alanda da kullanılmaya başlanmıştır. Tez kapsamında, nano quadkopterin gerçek dünya ortamında konum kontrolünü çözmek için Bulanık PID (FPID) kontrol yapısının tasarımı sunulmuştur. Bu bağlamda, Bitcraze firması tarafından Crazyflie 2.0 adlı açık kaynaklı nano quadkopter platformu seçilmiştir. Seçilen bu model, yazılım ve donanımsal tam erişime açıktır. Açık kaynak yazılım sayesinde Crazyflie 2.0 nano quadkopter üzerindeki tüm kodlara tam erişim sağlanmaktadır. Bu duruma ek olarak açık kaynak donanım olması sayesinde de farklı sensörler tasarlanabilir hatta mevcut tasarım üzerinde modifiye gibi işlemlere de olanak vermektedir. Yapılan çalışmalar da konum kaydetme, mesafe algılama, ses ekleme gibi eklentiler de farklı modifikasyonlar yapıldığı görülmektedir. Bu sayede mevcut nano quadkopter istenilen duruma uygun hale getirilebilir. Bu yapılan modifikasyon sistemin dinamik parametrelerini etkilemekte ve kontrol yapısının değiştirilmesine neden olmaktadır. İlk aşama olarak, mevcut durumdaki quadkopter dinamiklerini açıklayan bir matematiksel model çıkarılmıştır. Bu çıkarılan matematiksel işlemler için geniş kapsamlı bir literatür taraması yapılmış ve farklı yöntemler bulunmuştur. Bunlardan Tait-Bryan ve Quaternion iki farklı matematiksel model oluşturma yöntemidir. Tez kapsamında Tait-Bryan yöntemi seçilmiştir. Crazyflie 2.0'ın davranışı, irtifa ve pozisyon kontrolörleri belirlenen bu matematiksel modelde tasarlanmıştır. Matematiksel model, doğrusal ve doğrusal olmayan bir yaklaşım kullanarak quadkopter sistem dinamiğine dayanarak geliştirilmiştir. Quadkopter sisteminin çevirme ve dönme dinamiği parametreleri ayarlanmıştır. Geleneksel yöntem olarak bilinen PID kontrol quadkopterlerde en çok kullanılan kontrol metodudur. Bu kapsamda, gerçek ortamda tezde kullanılan nano quadkoptere pozisyon kontrol problemini çözmek için bir Bulanık PID (FPID) denetleyici yapısının tasarımı ve dağıtımı sunulmuştur. Bulanık PID kontrol yapısının temeli Bulanık mantık temellerine dayanmaktır. Uzman bilgisi girişi sayesinde üyelik fonksiyonlarının değerleri en uygun noktalara belirlenmiş ve arzu edilen kontrol yapısı oluşturulmuştur. Bu kontrol yapısının testi bilgisayar ortamında oluşturulan Crazyflie 2.0 matematiksel model üzerinde test edilerek yapılmıştır. Aynı test mekanizması sayesinde geleneksel yöntem olarak PID katsayıları da en uygun değerlerde belirlenmiş ve test edilmiştir. Bu sayede, Crazyflie 2.0 insansız hava aracı için bir kontrol sistemi geliştirilmesi amaçlanmıştır. Geliştirilen bu kontrol sisteminin doğru ve kararlı bir geri besleme sağlaması için görüntü algılama tabanlı kamera sistemi eklenmiştir. Eklenen bu kamera sistemi genellikle quadkopterler gibi robotları algılamak için kullanılan OptiTrack veya VICON kamera sistemi yerine düşük maliyetli bir kamera sisteminin uygulandığı deneysel bir ortam sunulmuştur. Sunulan bu kamera sistemi sayesinde daha önce bahsedilen VICON ve OptiTrack gibi pahalı kamera sistemlerinden farklı olarak maliyet ve kullanımı açısından daha elverişlidir. Hatta sadece kamera sistemi değil kullanılan bilgisayarda bu sayede daha düşük maliyetli seçilmiştir. Bu tarz yüksek maliyetli kamera sistemleri işlem yükü açısından bilgisayarları yormaktadır. Bu bağlamda bu tez kapsamında ucuz maliyetli Logitech C920 kamera kullanılmıştır. Ardından, Crazyflie 2.0'ın konumunu düşük maliyetli bir kameradan takip edilen, görüntü tabanlı bir konumlandırma sistemi kullanılarak bulanık mantık tabanlı bir pozisyon kontrolörü yapısı sunulmuştur. Her yükseklikle doğru konumu elde etmek için farklı geometrik dönüşümler uygulanmıştır. Bu sayede hangi yükseklikte olursa olsun nano quadkopter doğru ölçüm verecektir. Kameranın katalog bilgisinden gelen değerler sayesinde piksel değerleri uzunluk birimlerine dönüştürülmüştür. Bu sayede doğru konum bilgileri yansıtılmıştır. Elde edilen bu konum bilgileri ham veri olarak geçmektedir. Konum bilgisinde elde edilen bu ham pozisyon noktaları Kalman filtresine sokularak işlenmiş bir bilgi quadkoptere verilmiştir. Her iki kontrol yapısı için aynı örnekleme zamanları ve aynı düzenekler kullanılmıştır. Deneyin uygulama aşamasında, öncelik olarak sabit ve belirli bir yükseklikte ve siyah renkte deney platformu belirlenmiştir ve belirli bir yükseklikten tavana sabit olacak şekilde belirlenen düşük maliyetli kamera yerleştirilmiştir. Ayrıca, kamera sistemine uygulanan görüntü işleme yöntemleri açık kaynak kodlu Python programı yapısında kurulmuştur. Crazyflie 2.0 ve diğer quadkopterler dinamik yapısı ve kontrolü göz önüne alındığında çok girişli çok çıkışlı bir sistemdir. Bu da model üzerinde birbirine bağlı parametrelerin olduğunu göstermektedir. Bu nedenlerden dolayı, düşük maliyetli bir kameranın kullanılması, geri bildirim belirsizlikleri ile sonuçlanabileceğinden, FPID kontrol cihazlarını, gürültünün ve mevcut yüksek derecede birbirine bağlı olan Crazyflie 2.0 doğrusal olmayan durumunun varlığında sağlam ve tatmin edici bir kontrol sistemi performansı ile sonuçlanacak şekilde tasarlanmıştır. Kullanılan bu kamera görüntü işleme yöntemleri kullanılarak Crazyflie 2.0 nano quadkopterin konumu piksel olarak algılamaktadır. Fakat bu algılama işlemi ilk iki deney için belirli bir yüksek için sabit olarak bilinmektedir. Yapılan bu deney platformu, kontrolörlerin test edilmesinde ve performanslarının yörünge takibinde karşılaştırılmasında kullanılmıştır. Karşılaştırmalar için dört farklı deney yapılmıştır. Yapılan deneylerin ilki kontrol katsayılarını uygun değerlere ayarlamak için yapılmıştır ve daha sonraki deneylerde bu katsayılar kullanılmıştır. Ardından yapılan deneyde ise her iki eksendeki hareketi incelenmiştir. Bu yapılan iki deney için z ekseni sabit tutulmuş sadece iki eksen için hata verileri incelenmiştir. Diğer iki deney ise referans değişimidir. Referans değişimi sırasında ayrıca z ekseni de değişkendir. Bu değişken olan z ekseni belirli yükseklik aralığında artmış ve azalmıştır. Belirli örneklerle artıp azalan bu z ekseni periyodiktir. Bu sayede hem PID hem de FPID için aynı örneklerdeki davranışları incelebilmektedir. Bu karşılaştırma hata performanslarının ölçümü ile yapılmaktadır. Ölçüm için her iki kontrol yapısı olan FPID ve PID'nin ISE hata değerleri farklı referans noktaları ve referans takipleri sonuçları toplanmış ve birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Bu sayede, FPID yapısının elde edilen performansının çeşitli çalışma noktalarında üstün olduğunu gösteren ve PID ile karşılaştırıldığında gürültü ve doğrusal olmayanlara karşı daha dayanıklı olduğunu gösteren karşılaştırmalı deneysel sonuçları sunulmuştur.