Yanal motorlar ile döner kanat hava aracının duruş ve pozisyon kontrolünün bağımsızlaştırılması

Abstract

Bu çalışmada döner kanat bir hava aracı ile çalışacak farklı dinamik sitemlerin yüksek seviye kontrolünü kolaylaştırabilmek için yeni bir döner kanat modeli yaklaşımı ele alınmıştır. Dört adet standart rotorlu döner kanat araçların tasarımına ek olarak yanal dört adet motor daha eklenmiş ve yeni sistem için kontrolcü tasarımları yapılmıştır. Bu yaklaşım ile yatış dikilme ve yönelme eksenlerinde herhangi bir duruş değişikliği yapmadan öteleme yapmak veya pozisyon kontrolü sağlayabilmek mümkün hale getirilmiştir. Bunun yanı sıra yeni yaklaşımla birlikte döner kanat aracın duruş açısı kontrolü pozisyon değişikliği olmadan yapılabilmiştir. Aracın pozisyon ve duruş açısı birbirinden ayrı kontrol edebilmek hareketli platformlardan kalkış ve iniş yapan veya bir robot manipülatörle birlikte görev icra eden döner kanat araçlar gibi çoklu dinamik sistemlerin hem tasarımında hem de kontrolcü algoritmalarında büyük bir özgürlük sağlamaktadır. Aracın duruş açıları ve irtifa kontrolcüleri için standart dört rotorlu yaklaşımdakine benzer olarak PID kontrolcüler tercih edilmiştir. Aracın pozisyon kontrolü sağlamak için kullanılacak yanal dört rotor çift yönlü kuvvet oluşturabilecek şekilde kullanılabildiği için yeni tasarlanan pozisyon kontrolcüleri optimal tasarlanmıştır. Bu durum farklı hatalara karşılık kontrolcü davranışının benzer karakteristikte olmasını sağlamaktadır. Bu kontrolcü karakteristiği karmaşık dinamik sistemlerde kestirim algoritmalarını beslemek ve tahmin doğruluğunu arttırmak için kullanılabilir. Ayrıca yönelim hareketi için yanal dört motorun itki kuvvetlerinin kütle merkezi etrafında doğrudan oluşturacağı tork kullanılarak ağır sistemlerde daha agresif yönelim kontrolü sağlanabilecektir.In this study, a novel rotary-wing model approach has been addressed to facilitate the high-level control of various dynamic systems operating with a rotary-wing aerial vehicle. In addition to the design of conventional four-rotor rotary-wing vehicles, four additional lateral motors have been integrated, and controller designs for the new system have been developed. With this approach, it becomes possible to achieve translational movements or position control without any attitude changes in the roll, pitch, and yaw axes. Furthermore, the rotary-wing vehicle gains the capability to maintain a desired attitude without any position changes. This ability to separately control the vehicle's position and attitude provides significant flexibility in the design and controller algorithms of multi-dynamic systems, such as rotary-wing vehicles taking off and landing from moving platforms or performing tasks alongside a robotic manipulator. Standard PID controllers, as in conventional approaches, have been preferred for the vehicle's attitude and altitude controllers. Since the four lateral rotors used for position control can generate bidirectional thrust, the newly designed position controllers have been optimally designed. This ensures that the controller behavior exhibits similar characteristics in response to different errors. This controller characteristic can be utilized to feed estimation algorithms and improve prediction accuracy in complex dynamic systems. Additionally, by using the torque directly generated by the thrust forces of the four lateral motors around the center of mass, more aggressive orientation control can be achieved for heavy systems.