Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
677350		Incremental nonlinear dynamic inversion based trajectory tracking controller for an agile quadrotor / Çevik bir döner kanat hava aracı artımlı doğrusal olmayan dinamik ters çevirme tabanlı yörünge izleme denetleyicisi Yazar:EMRE SALDIRAN Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN YENİÇERİ Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı Konu:Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering Dizin:	Onaylandı Yüksek Lisans İngilizce 2021 130 s.
Quadrotor platformunun kabiliyeti endüstriyel denetimden eğlence sektörüne kadar birçok alanda kendine yer bolmuştur. Bu kullanım uygulamaların güvenilirliğini arttırmak için araç dinamiğindeki değişime dayanıklı bir kontrolör tasarlamak görevin başarısı için önem kazanmıştır. Bir noktadan diğer bir noktaya gitme gibi basit bir görevi tamamlamak, iyi takip ve bozulma engelleme kabiliyetine sahip gürbüz kontrolör gerektirmektedir. Bu tezde, çevik manevra yapan dört rotorlu platform için gürbüz bir yörünge izleme denetleyicisi tasarlanmıştır. Bu tezin ilk bölümünde, çevik dört rotorlu platformun doğrusal olmayan bir matematiksel modeli geliştirilmiştir. Yüksek hızlı ileri uçuş sırasında araca etki eden sürükleme kuvvetleride modelde ifade edilmiştir. Motor zaman sabiti, pervane itme ve moment katsayıları, itme test ünitesi kullanılarak ölçülmüştür. Orta güvenilirlikte doğrusal olmayan matematik modeli, denetleyicin saha testlerinden önce döngüde yazılım simülasyonu için kullanılmak üzere Matlab/Simulink ortamında oluşturulmuştur. Quadrotor modeli oluşturulduktan sonra, geri beslemeli doğrusallaştırma olarak da adlandırılan doğrusal olmayan dinamik ters çevirme kontrol tekniği tanıtılmıştır. Doğrusal olmayan dinamik ters çevirme tekniğinde, doğrusal olmayan denklemde girdi ve çıktısı arasında doğrusal olmayan bir eşleme bularak bilinen doğrusal olmayan dinamik doğrusal olana indirgenir. Önerilen artımlı doğrusal olmayan dinamik ters çevirme kontrol yöntemi, doğrusal olmayan dinamik ters çevirme yöntemi üzerine modelin birince dereceden Taylor seri açılımı ile yakınsanması üzerine geliştirilmiştir. Sensör tabanlı kontrol olarak da adlandırılan artımlı doğrusal olmayan dinamik ters çevirme denetleyicisi durum türevini ve giriş geri beslemesini kullanarak araç modeline bağımlılığı ortadan kaldırmaktır. Bu geri besleme araç üzerine etki eden diğer bozucu rüzgar etkilerinin de sönümlenmesini sağlamaktadır. Araç modeli ile ilgili bilgiler aracın açısal ivmelenme geri beslemesiyle ölçülerek egale edilmektedir. Bu sönümleme için motorların dönme hızı bilgisi de gereklidir. Artımlı doğrusal olmayan dinamik ters çevirme kontrol yasası, dönme ve öteleme hareketi dinamik denklemleri için formüle edilmiştir. Önerilen kontrol yasasının kararlılığını kanıtlamak için, hem rotasyonel hem de translasyonel dinamik artımlı doğrusal olmayan dinamik ters çevirme formülasyonu için kapalı döngü analizleri yapılmıştır. Referans takip, bozucu reddi ve model belirsizlik analizi, kapalı döngü analizinin bir parçası olarak yapılır. Referans takip analizi geliştirilen kontrolcünün verilen komutları takibini değerlendirmede kullanılmaktadır. Bozucu reddi analizi rüzgar gibi çevreden gelen bozucu etkilere karşı kontrolcünün tepkisini tespit etmeye yaramaktadır. Model belirsizlik analizleriyse gerçek araç ve kontrolcü formulasyonunda kullanılan model bilgileri arasında farklılılığın, takip performansına etkisini tespit etmede kullanılmıştır. Bu analizler önerilen kontrolcünün doğrusal bir davranış sergilediği bir durumdaki kararlılığını göstermektedir. Rotasyonel dinamik yuvarlanma/yunuslama ve sapma eksenleri ayrı ayrı incelenmiştir. Yuvarlanma/yunuslama ekseni referans takip modelinin sadeleştirmelerle sadece eyleyici modeline indirgendiği gösterilmiştir. Bozucu reddi kapalı döngü denkeleminin sadece motor ve filtre dinamiğine indirgendiği gösterilmiştir. Bu sonuçlar kontrolcü geçiş frekansı ve bozucu reddi bant genişliğini ayarlamayı kolaylaştırmaktadır. Basitleştirilmiş kontrol tahsisinin, sapma ekseni INDI formülasyonu üzerindeki etkisi ve olası çözümü verilmiştir. Bu çözüm ile daha az model bilgisi kullanarak kararlı bir kontrolcü elde edilebildiği gösterilmiştir. Bu çözümün olmadığı ve motor dönme ivmelenme etkisinin kontrol tahsisinde dikkate alınmadığı bir durumda sapma eksenindeki yüksek frekanslı titreşim olacağı gösterilmiştir. Kontrolörün izleme ve bozulma kabiliyetini göstermek için öteleme dinamiği yatay ve dikey eksen kapalı döngü analizleri yapılmıştır. Kademeli doğrusal yönelim ve konum denetleyicisi, dönme ve öteleme INDI denetleyicisi etrafında tasarlanmıştır. Açısal hıza göre konum hatasının doğrusal hesaplanması, kuaterniyon gösterimi ile elde edilmiştir. Tezin son bölümünde, artımlı doğrusal olmayan dinamik ters çevirme kontrolörün deneysel dış mekan uçuş test sonuçları verilmiştir. Geliştirilen INDI kontrolörü, uçuş testi için ArduPilot otopilotuna gömülmüştür. Önerilen kontrolcünün testleri sırasında karşılaşabilecek beklenmedik durumlara karşı ArduPilot oransal-integral-türevsel denetleyici kontrolcüsü yedekte tutulmuştur. İki kontrolcü uçuş sırasında geçiş yaparken referansta zıplama olmayacak şekilde ayarlanmıştır. ArduPilot'a gömülen kontrolcünün ilk testleri, döngüde yazılım simulasyonları ile yapılmıştır. Döngüde yazılım testlerinde ArduPilot kaynak kodu masaüstü bilgisayarda çalışacak şekilde derlenmiş ve Matlab/Simulink ile bağlantısı yapılmıştır. Bu şekilde gömülen kontrolcü ilk testlerin yapıldığı Matlab/Simulink ortamındaki modelle test edilmiştir. Artımlı doğrusal olmayan dinamik ters formülasyonunda rotor dönüş hızı ölçümleri gereklidir. Bu değerler, herhangi bir harici sensör kurulumu yapılmadan motor sürücülerden elde edilmiştir. Önerilen artımlı doğrusal olmayan dinamik ters çevirme kontrolörünü doğrulamak için birden fazla dış mekan uçuş testleri yapılmıştır. Bu uçuş testlerinde önerilen kontrolcünün rota takip, ve gürbüzlüğü sınanmaya çalışılmıştır. Uçuş testleri hem INDI kontrolörü hem de ArduPilot'un eski oransal-integral-türevsel kontrolörü yapılmıştır. Daire ve sonsuz şeklindeki yörünge izleme görevleri farklı hızlarda her iki kontrollerle de uçulmuştur. Artımlı doğrusal olmayan dinamik ters çevirme kontrolörünün azaltılmış konum izleme hatası uçuş testleri ile gösterilmiştir. Konum takip hatasının, eski ArduPilot oransal-integral-türevsel kontrolöründen bir kaç kat daha küçük olduğu gözlemlenmiştir. Artımlı doğrusal olmayan dinamik ters çevirme kontrolörünün model hassasiyetine gürbüzlüğünü göstermek için yüksek hızlı ileri uçuş testleri yapılmıştır. Bu testde hava aracı 30 m/s hıza ve 70 derece yatma açısına sahip olacak şekilde uçurulmuştur. Bu deney ile INDI kontrolörünün üstün yönelimini koruma ve yönelim takibi gösterilmiştir. Bu tezde çevir dört motorlu hava aracının rota takibi için artımlı doğrusal olmayan dinamik ters çevirme kontrolörünün geliştirilmiştir. Geliştirilen kontrolcünün linear kararlılık analizleri yapılmıştır, elde edilen sonuçlar uçuş testleriyle de doğrulanmıştır. Standart oransal-integral-türevsel kontrolcüsüne kıyasla önerilen kontrolcünün daha az parametre ayarlarak daha iyi sonuç verdiği gösterilmiştir.
The capability of the quadrotor platform found its place in many areas, from industrial inspection to entertainment. Designing a controller that is robust to the change in the vehicle dynamic is important for mission safety. Completing a simple mission such as waypoint navigation reliably requires a robust controller with good tracking and disturbance rejection capability. In this thesis, a robust trajectory tracking controller is designed for the agile maneuvering quadrotor platform. In the first part of this thesis, a nonlinear mathematical model of the agile quadrotor is developed. The drag forces acts during a fast-forward flight are added. The motor time constant, propeller thrust, and moment coefficients are obtained using the thrust test bench. The medium-fidelity nonlinear model is created in Matlab/Simulink environment for the latter Software-In-The-Loop (SITL) simulation. After obtaining the creating model, the Nonlinear Dynamic Inversion (NDI), which is also called feedback linearization, control technique is introduced. The NDI reduces the known nonlinear dynamic to the linear one by finding a nonlinear mapping between input and output. The proposed Incremental Nonlinear Dynamic Inversion (INDI) control method is developed upon the NDI method. The INDI controller also called sensor-based control, works upon the NDI by using the state derivative and input feedback to eliminate dependency on the vehicle model. The INDI control law is formulated for the rotational and translation motion dynamic of the quadrotor. To prove the stability of the proposed controller, the closed-loop analysis is made for both rotational and translational dynamic INDI formulation. The reference tracking, disturbance rejection, and model uncertainty analysis are made as a part of the closed-loop analysis. The rotational dynamic roll/pitch and yaw axis are studied separately. The effect of the simplified control allocation on the yaw axis INDI formulation and its possible solution is also given. Translational dynamic horizontal and vertical axis closed-loop analysis is made to show the tracking and disturbance ability of the controller. The cascaded linear attitude and position controller are designed around the rotational and translational INDI controller. Attitude error to the angular velocity calculation is carried out using quaternion representation. The linearity of the attitude kinematic with quaternion representation is also shown. In the last part of the thesis, the experimental outdoor flight result of the INDI controller is given. The developed INDI controller is implemented into the ArduPilot autopilot for flight testing. The rotor rotation speed feedback is required in the INDI formulation. This measurement is obtained from the ESC without any external sensor. Before outdoor flight tests, Software-In-The-Loop simulation is made to verify the implemented controller. Multiple outdoor flight tests are conducted to validate the proposed INDI controller. The flight tests were conducted for both the INDI controller and ArduPilot's legacy controller. The circle and lemniscate-shaped trajectory tracking mission was flown with different mean velocities. Reduced position tracking error of the INDI controller is shown through flight tests. The position tracking error of the INDI controller is observed to be an order of magnitude smaller than the legacy ArduPilot PID controller. To demonstrate the INDI controller robustness to the model sensitivity, high-speed forward flight tests were flown. In this flight test, the vehicle is commanded a lean angle of 70 degree and achieved speed of up to 30 m/s. Superior attitude hold and attitude tracking performance of the INDI controller is shown with this experiment.