Multi rotorlu hava araçlarının modellenmesi ve kontrolü için donanım çevrimli benzetim sistemi tasarımı

İnsansız hava araçları, insan sağlığı için tehlikeli görevleri yerine getirmek için tasarlanmış araçlardır. Günümüzde büyük bütçeli şirketler çalışanlarına ayırdıkları bütçeyi en küçük düzeye çekmek için robotik uygulamalara karşı eğilim içindedirler. Sadece büyük kargo şirketleri değil retoranlar veya fast food şirketleri müşterilerine kargo teslimatını quadrotorlar vasıtası ile ulaştırmayı planlamaktadırlar. Bu değişimin en büyük sebebleri ise elektronik cihazlardaki hızlı gelişim özelliklede sensörlerdeki, fiyatların ucuzlaması ve insansız hava araçlarının yedek parçalarına erişmedeki kolaylığın artması söylenilebilir. Kısaca insansız hava araçları yakın zamanda hayal edebileceğiniz her alanda uçan robotlar olarak karşınıza çıkabilir. Tez başlığı, multirotorlu hava araçlarının modellenmesi ve kontrolü için donanım çevrimli benzetim sistemi tasarımı olarak seçilmiştir. Başka bir ifade ile bir hava aracının test düzeneği üzerinde modellenmesi ve kontrolünün yapılması olarak ifade edilebilir. Neden test düzeneğine ihtiyacımız var? Test düzenekleri birçok avantaj sunmaktadır. Zaman israfını azaltmak örneğin, uçuş testi için uçuş alanına gitme gereksinimini azaltması gibi, ucuz, güvenirliği yüksek çalışma şartları sunması ve malzeme ve yedek parça hasarlarını en aza indirerek maliyeti düşürmek olarak sıralayabiliriz. Bu çalışmayı Model Tabanlı Tasarım (MTT) Sürecine örnek olarak sunabiliriz. Model tabanlı tasarım, en etkili, verimli, kısa sürede hızlı prototip geliştirme sürecine denir. MTT sürecinin fazlarının ve gereksinimlerin tanımlanması, matematiksel olarak sistemin modellenmesi, hızlı prototipleme, kod jenerasyonu, yazılımsal ve işlemcisel döngü ve validasyon olarak sıralayabiliriz. İlk evre, istenilen sistem yada ürünün gereksinimlerinin tanımlanması olarak ifade edilebilinir. Belirlenen sınır şartları altında sistemin dolaylı yada direk benzetim ortamında matemetiksel modelinin üretilmesi kısmını oluşturmaktadır. Sonraki aşama ise, matematiksel modele göre, hızlı prototipleme ve kod jenerasyonudur. Bu aşamada üretilen kodlar, bilgisayar ortamında sistem modeli üzerinde test edilerek zaman ve maliyet israfı en düşük düzeye çekilmektedir. Yazılımsal döngüde, benzetim ortamında üretilen kodlar host bilgisayar üzerinde test edilmektedir. İşlemcisel döngüde ise gömülü sistemler kulanılarak hedef işlemci üzerinde test edilerek işlemci kaynaklı hatalar düzeltilmektedir. Donanımsal çevrimli benzetim (DÇB) ise gömülü sistemler aracılığı ile gerçek sistem üzerinde sistem giriş ve çıkışları kullanılarak gerçek zamanalı benzetim çalışmalarını ifade etmektedir. Donanım çevrimli benzetim kontrolcünün nasıl tepki verdiğini, gereçek zamanlı olarak test etme fırsatını sunar. DÇB test düzeneği, bir quadrotor aracının yönelme kontrolünü daha kolay test etmek için tasarlandı. Ön tasarım yapılmadan önce, motor-pervane test düzeneğinde olduğu gibi literatürdeki test düzenekleri araştırıldı. Daha sonra ise jiroskop çalışma prensibinden ilham alınarak şuanki test düzeneği tasarlandı. Bütün tasarım süreçleri bilgisayar destekli çizim ortamlarında gerçekleştirildi. Akabinde üretim ve montaj süreçleri gerçekleştirildi. Bir sonraki problem ise quadrotorun test düzeneğine bağlanması oldu. Bu probleme çözüm olarak bir ara plaka tasarlandı ve üç boyutlu yazıcıda üretilip, quadrotor, test düzeneğine bağlandı. Motor-pervane test düzeneği de DÇB test düzeğindeki tasarım, üretim ve montaj süreçlerine benzer olarak üretildi. Matematiksel modelinin çıkarılması, ikinci bölümün ana başlığını oluşturmaktadır. Kontrolcünün implementasyonun yapılmsından önce, benzetim ortamında sistem davranışı incelendi. Sistemin nonlinear matematik modeli elde edilmesinde Newton-Euler ve Euler-Lagrange metodları kullanıldı. Matematik modelde, motor ve pervanelerin açısal hızlarından elde edilen itki ve sürükleme katsayıları kullanıldı. Tez içinde detaylı olarak anlatılan kabuller doğrultusunda matematik model tamamlandı. Üçüncü kısımda, test düzeneklerinin üretilmesinin yanında quadrotor ve test düzeneklerinin parametrelerin incelenmesi ve tahmini gerçekleştirildi. IRIS+ quadrotor dört motor ve pervaneye sahip bir araç olmakla birlikte, birer çift motor ve pervane saat yönünde dönmekte, diğer çiftler ise saat yönünün tersi istikamette dömektedirler. Ayrıca pervaneler kendinden kilitlenen bir yapıya sahiptir. IRIS+ quadrotor aracı ana gövde olarak cross tip olup ön motorlar arasındaki açı yüzyirmi derece,arka motorlar arasındaki açı ise yüz kırk derecedir. Cross tip ana gövde, Plus tip gövdeye göre bazı avantajları bulunmaktadır. İlk olarak motorlar, yunuslama ve yalpalama hareketi için daha az enerji gereksinimi olurken öteleme hareketi için daha fazla kuvvet üretebilmektedirler. Diğer önemli avantajı ise motorlar arasındaki açının büyük olması nedeni ile kamera için daha temiz ve geniş çekim alanı kalmaktadır, zira pervaneler genelde kameranın bakış alanına girmektedir. Referans kordinat sistemleri cross tip gövdeye göre tanımlandı. Quadrotorun atalet momentleri deneysel metodlarla elde edildi. Pervane itki ve sürükleme katsayıları Blade Element Teorisine göre hesaplandı. DÇB test düzeneğinin matematik modeli Euler-Lagrange enerji metodu kullanılarak elde edildi. Dış ve iç çemberlerin atalet momentleri quadrotorun hareketini ciddi olarak etkilmekte ve yönelme hareketlerinde sistemin toplam atalet momenti, açılara bağlı olarak değişkenlik göstermekte olup, bu etki model içinde ifade edildi. Bu tezin son kısmında uçuş kontrolcülerin tasarlanması, benzetim ortamlarında (Matlab SIMULINK) test edilip, DÇB test düzeneği üzerinde implementasyonu yapıldı. Bu kısmın ana amacı ise PID ve Geribeslemeli Linearizasyon Metodlarının çıktılarının hem benzetim hemde gerçek zamanlı olarak uçuş kartı üzerinde karşılaştırılmasıdır. Benzetim ortamında, PID ve Geribeslemeli Linearizasyon kontrolcü, quadrotorun nonlinear modeli üzerinde test edilmiştir. DÇB test düeneğinin nonlinear modeli kullanarak Geribeslemeli Linearizasyon kontrolcü test edildi. PID kontrolcü, çıktı olarak phi, theta, psi ve Z parametreleri verecek şekilde benzetim yapıldı. Fakat, test düzeneği öteleme hareketi yapma yeteneği bulunmadığı için Geribeslemeli Linearizasyon kontrolcü phi, theta ve psi çıktı olarak oluşturuldu ve lambda katsayıları optimize edildi. Benzetim bölümün son kısmını, Geribeslemeli Linearizasyon kontrolcünün DÇB test düzeneğinin nonlinear modeli üzerinde, phi, theta ve psi parametreleri için yedi farklı lambda katsayıları optimize edildi. Açık kaynak yazılıma sahip Pixhawk Otopilot kartı üzerinde, tasarlanan PID ve Geribeslemeli Linearizasyon kontrolcülerinin implementasyonu ve validasyonu yapıldı. Pixhawk içerisinde çalışan kodlar gerçek zamanlı uçuş için gerekli kısımları tekrar düzenlendi ve tasarlandı. Hem PID hemde Geribeslemeli Linearizasyon kontrolcülerinden kaydedilen açı değişimlerini gösteren uçuş verileri Matlab programında grafik olarak oluşturuldu. PID ve Geribeslemeli Linearizasyon kontrolcülerinin arasındaki en belirgin farklar ise sistem çıktılarında görüldü ve yorumlandı. PID kontrolcü yüksek aşım oranlarına ve salınımlara sahipken, Geribeslemeli Linearizasyon kontrolcü daha az aşım ve salınım oluşturduğu görüldü. Fakat PID kontrolcü çok daha hızlı yanıt verirken, Geribeslemeli Linearizasyon kontrolcü daha yumuşak ama yavaş yani uzun sürede istenilen konuma geldiği görüldü. Her iki kontrolcüde çemberlerin oluşturduğu yüksek atalet momentine karşı istenilen kontrol sinyalini takip etmede zorlandıkları görüldü. Özelliklede psi açısın takibinde bu açık olarak gözlendi. Gelecek çalışmalarda, test düzeneği üzerinde Pixhawk otopilot kullanılarak, farklı nonlinear kontrol methdları test edilmesi planlanmaktadır. Ayrıca, Pixhawk kontrol kartı üzerinde kod jenerasjonu yapılması konusunda da hedefler bulunmaktadır.