Robust hovering and trajectory tracking control of a quadrotor helicopter using acceleration feedback and a novel disturbance observer

Belirsizlikler ve dış bozucuların olduğu durumlarda döner kanatlı uçakların havada kalma ve yörünge izleme kontrolü çok zor bir iştir. Bu tez, gürültü ve parametrik belirsizliklerin yanı sıra periyodik ve aperiyodik bozuculara maruz kalan bir quadrotor helikopter için gürbüz havada kalma ve yörünge izleme kontrol algoritmalarının geliştirilmesine odaklanmaktadır. Yüksek seviye pozisyon kontrolcülerinin düşük seviye duruş kontrolcüleri için referans duruş açıları ürettiği hiyerarşik bir kontrol yapısı kullanılmaktadır. Referans duruş açıları çoğunlukla konumsal dinamikleri kontrol eden pozisyon komut sinyallerinden analitik olarak belirlenmektedir. Bununla birlikte, bu tür analitik formüller, sınırlandırılmayı ve alçak iletimli filtrelenmeyi gerektiren büyük ve pürüzsüz olmayan referans açıları üretebilir. Bu tezde, istenen duruş açıları, belirli büyüklük ve oran kısıtlamalarının uygulandığı kısıtlı doğrusal olmayan optimizasyon kullanılarak sayısal olarak belirlenmektedir. Ayrıca, bir ivmelenmeye dayalı bozucu gözlemcisi (AbDOB), quadrotorun konumsal dinamikleri üzerine etki eden bozucuları tahmin etmek ve bastırmak için tasarlanmıştır. Duruş kontrolü için, dış bozuculara karşı yüksek sertlik sağlamak üzere PID ve PI tipi kontrolcülerden oluşan iç içe konum, hız ve iç ivme geri besleme kontrol yapısı geliştirilmiştir. Güvenilir açısal ivmelenme, ardarda bağlanmış genişletil-miş bir Kalman filtresi (EKF) ile klasik bir Kalman filtresi (KF) üzerinden tahmin edilmektedir. Bu tez ayrıca, klasik bir bozucu gözlemcisinin alçak iletimli filtresine paralel bağlan-mış bir bant iletimli filtre bankasından oluşan yeni bir bozucu gözlemcisi önermekte-dir. Bant iletimli filtreler, periyodik bozucunun temel frekansının tam sayı katlarında ortalanmıştır. Bant iletimli filtrelerin sayısı ve bant genişliği, yeni yapının uygulanmasında ayarlanması gereken iki önemli parametredir. Önerilen bozucu gözlemcisi, gürbüz havada kalma ve yörünge izleme kontrol problemini ele almak için bir kayan kipli kontrolcüye entegre edilmiştir. Önerilen bozucu gözlemci temelli kontrol sisteminin, bant iletimli filtrelerin sayısına ve bant genişliğine duyarlılığı, birçok simülasyon yoluyla ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Simülasyonlar, sensör sapmalarının ve ölçüm gürültüsünün de göz önünde bulundurulduğu yüksek kalitede bir model üzerinde gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, önerilen kontrolcülerin, quadrotor helikopterin sistem belirsizlikleri ve ölçüm gürültüsünün yanında Dryden rüzgar modelinin ürettiği rüzgarlara maruz kalması durumunda bile gürbüz havada kalma ve yörünge izleme performansını sağlamada çok etkili olduğunu göstermektedir. Ayrıca klasik bozucu gözlemcisi temelli kontrol ile bir karşılaştırma da yapılmış, gürültü ve dış bozucular varken düzeltilmiş gürbüzlük ile daha iyi izleme performansının elde edildiği görülmüştür.