Multirotor sistemlerde doğrusal ve doğrusal olmayan denetleyici tasarımı ile hata toleranslı sistemlerin incelenmesi

İnsansız Hava Araçlarının (İHA) kullanım alanı her geçen gün artmaktadır. Özellikle quadrotorlar güvenlik, trafik gözetimi, doğal risk yönetimi, çevresel keşif, tarım ve askeri gibi çok çeşitli uygulamalar için kullanılmaktadır. Ancak quadrotorlarda motor arızaları, sensör arızaları veya haberleşme arızaları oluşabilmekte ve hem araçlarda ciddi kazalara hem de çevrenin zarar görmesine neden olmaktadır. Bu çalışmanın amacı, bir quadrotor için arıza veya bozucu dış etkenler durumunda güvenilirliğini ve kararlılığını artırmak için hataya, gürültüye dayanıklı bir kontrolör tasarımı geliştirmeyi amaçlamaktadır. Quadrotorun durum uzay denklemlerinin çıkarımı için serbest uzayda x,y,z koordinat sisteminden yola çıkarak hareket denklemleri çıkarılmıştır. Bu hareketlerde dört rotorlu sistemin yalpa, yunuslama, sapma ve irtifa hareketlerinin matematiksek denklemleri tanımlanmıştır. Tanımlanan denklemlerin Matlab Simulink'te tasarımları yapılarak sistem benzetimleri yapılmıştır. Sistemin kontrolü için doğrusal ve doğrusal olmayan denetleyici geliştirilmiştir. Ilk olarak geleneksel PID geribeslemeli kontrol sistemi önerilmiştir. Kendi belirlediğimiz kazanç katsayıları ile yapılan analizlerde denetleyici, kısıtlamalar altında belirli oranda hataları düzeltme ve giriş referans sinyalini takip etme yeteneğine sahiptir. Simulink PID bloğu ile kazanç katsayıları tekrar belirlenmiştir ve farklı referans sinyallere karşılık sistemin yalpa, yunuslama, sapma ve irtifa hareketlerinin çıktıları incelenmiştir. PID bloğu ile yapılan analizlerde daha iyi sonuçlar alınmış olsa da irtifa hareketi için kendi belirlediğimiz kazanç değerlerinde sistemin daha kararlı olduğu gözlemlenmiştir. Doğrusal olmayan denetleyici yöntemleri ile quadrotor gibi çok dinamikleri olan karmaşık sistemlerde uçuş güvenliği açısından daha kararlı çıktılar alınabilmektedir. Bu sebepten tez çalışmasında irtifa hareketi için bir geri adımlamalı denetleyici tasarımı yapılarak, sonuçlar geleneksel PID denetleyicili sistemin sonuçları ile kıyaslanmıştır. Doğrusal olmayan denetleyicili sistem referans sinyali takip etme ve bozucu etkilere karşı sistemin kararlılığını kontrol edebilmesi açısından daha gürbüz sonuçlar verdiği görülmüştür. PID denetleyici değerlerini ayarladığımızda daha iyi durum yanıtları elde edebiliriz ancak sistemin referans takibinin oturma süresi uzamıştır. Giriş sinyali farklı formlarda sisteme verilerek quadrotorun serbest uzaydaki hareketi gözlemlenmiş ve yorumlanmıştır. Literatüde diğer çalışmalardan farklı olarak, doğrusal olamayan çok giriş ve çok çıkışlara sahip olan sistem, giriş – çıkış ölçüm metodu ile doğrusal bir sistem gibi düşünülmüş ve irtifa hareketi transfer fonksiyonu çıkartılmıştır. Bu fonksiyondan Kalman Filtresi tasarımı yapılarak sonuçlar incelenmiştir. Nitekim, tasarlanan filtre ile sistemin durum tahmini sadece giriş ve çıkıştan alınan sinyaller ile yapılmış ve sistem çıkışında daha gürültüsüz bir sinyal alınmıştır. Sonuç olarak, doğrusal olmayan kontrol metodlarından biri olan geri adımlamalı kontrol ile doğrusal kontrol metodlarına kıyasla daha kararlı çıktılar alınmış ve sistem durumu filtre kullanılarak tahmin edilmiş ve sistem bozucularının etkisi en aza indirilmiştir.