İnsansız hava araçlarının akıllı ve gürbüz kontrolü

İnsansız hava araçları ailesinden olan quadrotorlar, son on yılda arama, gözetleme, kurtarma, iz sürme, havadan fotoğraflama ve posta hizmetleri gibi hem sivil hem de askeri birçok alanda kullanılması nedeniyle insan yaşamı için boyutları ve manevra kabiliyetleri nedeniyle önemli bir yere sahiptir. Bu nedenle literatürde quadrotorların modellenmesi ve kontrolü ile ilgili çok sayıda çalışma bulunmaktadır. Tüm bu çalışmalara rağmen, quadrotorların modellenmesi ve kontrolü, onları daha otonom hale getirme hala sıklıkla çalışılan konular arasında yer almaktadır. Onları bu kadar önemli kılan, havada asılı kalma, dikey kalkış ve iniş (VTOL) kabiliyetine ve çevik hareket kabiliyetine sahip olmalarıdır. Bu özellikler sayesinde, karmaşık görevler bile başarıyla gerçekleştirilebilir. Düşük tahrikli ve doğrusal olmayan kuplajlı bir sistem olan Quadrotor, hem öteleme hem de dönme dinamik denklemlerini içeren dört rotora ve altı serbestlik derecesine (6-DOF) sahiptir. Kararsız doğası, birçok farklı kontrol yöntemi geliştirmeyi gerekli kılmıştır. Bunlar arasında en dikkat çekici kontrol yöntemleri optimal kontrol, gürbüz kontrol, uyarlamalı kontrol ve akıllı kontroldür. Bu kontrol stratejilerinin temel amacı, quadrotor kontrolünde en iyi performansı elde etmektir. Ancak quadrotor uçuşları sırasında modellenmemiş dinamikler, parametre belirsizlikleri, tüm dış kuvvet ve moment bozulmaları, faydalı yük değişimleri ve sensör ölçüm gürültüleri gibi quadrotorların performansını etkileyen birçok faktör bulunmaktadır. Bu faktörlerle başa çıkmak için, yukarıdaki kontrol stratejilerini içeren birçok doğrusal ve doğrusal olmayan denetleyiciler geliştirilmiştir. Disturbance/Uncertainty Estimator (D/UE) tabanlı kontrol veya başka bir deyişle, dış bozucuları ve sistem belirsizliklerini telafi eden bozucu gözlemci tabanlı kontrol (DOBC), verimli gürbüz kontrol yaklaşımlarından biridir ve modern kontrol sistemlerinde sıklıkla kullanılmaktadır. Bu tezde, litertürde yaygın bir şekilde kullanılan DOBC yaklaşımları ayrıntılı olarak ele alınmış, quadrotor kontrol mimarileri için kullanım yapıları çalışılmış ve yeni bir makine öğrenimi destekli DOBC yaklaşımı önerilmiştir. Bu tez çalışması üç ana başlıkta özetlenebilir. İlk olarak, yaygın olarak kullanılan lineer bozunum gözlemcisine dayalı gürbüz kontrol yaklaşımlarının bir analizi ve sentezi sunulmaktadır. Temel amaç, bozulma gözlemcisine dayalı gürbüz kontrol yaklaşımlarının kapsamlı bir karşılaştırmasını sağlamak ve her bir yaklaşımın karmaşıklığı hakkında fikir edinmek için her bir yaklaşımın yapısal ayrıntılarını ele almaktır. Bu amaca yönelik olarak, ortak ve eşdeğer blok diyagramları incelenerek, kontrol sistemlerini anlamak ve analiz etmek için yararlı içgörüler sunan dokuz performans ve gürbüzlük denklemi türetilmiştir. Bunlardan dördü, GoF denklemleri olarak seçilmiştir: Tamamlayıcı Duyarlılık Fonksiyonu (CSF), Duyarlılık Fonksiyonu (SF), Bozulma Duyarlılık Fonksiyonu (DSF) ve Gürültü Duyarlılık Fonksiyonu (NSF). Tüm lineer bozulma gözlemcisi tabanlı kontrol şemalarının ve Klasik Geri Besleme Kontrolü (CFC) şemasının gürbüzlük ve bozulmayı reddetme performans analizi, GoF denklemleri kullanılarak yapılır. Bu temsillerle, tüm ana konuları tartışan ve en iyi yaklaşımın seçimini kolaylaştıran iki tablo elde edilmiştir. Araştırmamız, belirli bir gürbüz kontrol problemi için en uygun bozucu gözlemci tabanlı kontrol yaklaşımını seçmek için kullanılabilecek türetilmiş GoF denklemlerini göz önünde bulundurarak her şemanın kritik gerçeklerini ve rakamlarını şart koşar. Modelde zaman gecikmesi tipi belirsizlik yer aldığında UDE yaklaşımının üstün olduğu sonucuna varılmıştır. Çoğu endüstriyel kontrol sisteminde zaman gecikmesi kaçınılmaz bir gerçek olduğundan, bunun ortaya çıkarılması kritiktir. Bulgular ayrıca, herhangi bir işlem süresi gecikmesi yoksa, TDDOBC yaklaşımının yeterli olduğunu vurgulamaktadır. İkinci olarak, quadrotorlar için bozucu gözlemci tabanlı kontrol yaklaşımlarına kısa bir öğretici giriş sunulmuştur. Bu öğretici giriş ile, araştırmacılar, mühendisler ve öğrenciler, quadrotorlar için gürbüz bir otopilot sistemi tasarlamak üzere bozucu gözlemci tabanlı döngü içi model simülasyonlarını ve deneyleri daha kolay bir şekilde uygulayabileceklerdir. Bunu başarmak için, bir quadrotorun modellenmesi ve kontrolü açıklanmış ve literatürdeki tüm doğrusal bozucu gözlemci tabanlı kontrol yaklaşımları quadrotorun doğrusal olmayan kontrol mimarisine uyarlanmıştır. Bozulma gözlemcisi tabanlı kontrol tasarım adımları, tasarım zorlukları ile ayrıntılı olarak verilmektedir. Bozulmayı reddetme yeteneklerini ve pratik uygulanabilirliğini göstermek için iki uçuş simülasyon senaryosu gerçekleştirilmiştir. Tüm simülasyon durumları için, sadece dönme hareketlerindeki dış bozulmalar hesaba katılmıştır. İlk senaryoda quadrotor konum kontrol mimarisine konum yörünge komutları verilirken, ikinci senaryoda öteleme hareketlerini kontrol eden bir dış döngüye hem yol noktası hem de yörünge komutları verilmiştir. Sunulan bozucu gözlemci tabanlı kontrol yaklaşımları, verilen referans komutlarını, ölçüm gürültüsü altında bile harici bozucuların varlığında başarıyla yerine getirmiştir. Ayrıca simülasyon deneyleri, UDE yaklaşımının harici bozulma ve ölçüm gürültüsü etkilerini doğrudan aktüatörlere ilettiğini göstermiştir. Sonuç olarak UDE yaklaşımı için aşırı elektronik hız kontolcüsü donanımı ısınması nedeniyle uçuş kazalarının oluşabileceği akılda tutulmalıdır. Bozulma gözlemcisi tabanlı kontrol yaklaşımı olmayan temel durum kontrolörü, verilen referans komutlarını takip edememiştir. Simülasyon çalışmaları, ölçüm gürültüsü altında bile başarılı olan bozucu gözlemci tabanlı kontrol yöntemlerinin pratik uygulanabilirliğini de kanıtlamıştır. Nihai ve ana amaç olarak, makine öğrenimi destekli bozunum/belirsizlik tahmincisi tabanlı bir kontrol şeması sunulmuştur. Önerilen yöntemin amacı, geleneksel bozucu gözlemci tabanlı kontrol mimarisi tarafından doğrudan kullanılan nominal modelin güncellenmesi ve makine öğrenmesi yaklaşımlarının kullanılması ile bozulmuş/belirsiz sisteme yaklaştırılmasıdır. Bu, sistemin bozulma reddetme performansını önemli ölçüde artırır. Kontrol kanallarından giren bozulmaların ve modelleme belirsizliklerinin karışık etkisi olan toplu bozulmaların performans bozulma kapasitesi, yaklaşımımızda ayrıştırılmış ve ayrı ayrı ele alınmıştır. Bu çalışma için harmonik bozulma modeli ve sabit yapılandırılmamış belirsizlik modeli ele alınmış ve bir çevrimiçi uyarlama algoritması ile birlikte ϵ-Support Vector Regresyon yaklaşımı kullanılmıştır. Önerilen yaklaşımın yararlarını ve etkinliğini göstermek için sayısal bir örnek verilmiştir. Benzetim sonuçları, önerilen yöntemin, sistemin bozucu tahmin performansını artırarak geleneksel bozucu/belirsizlik tahmincisi tabanlı kontrol mimarisinden daha iyi bir performans sergilediğini göstermektedir.