Design, construction and flight control of a quad tilt-wing unmanned aerial vehicle
Tez Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Sabancı Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mekatronik Müh., Türkiye
Tez Danışmanı: Mustafa Ünel,Mahmut Faruk Akşit
Tezin Onay Tarihi: 2010
Tezin Dili: İngilizce
Özet:
İnsansız Hava Araçları (İHA) hem sivil hem de askeri uygulamalarda her geçen gün daha çok kullanılan uçan robotlardır. Bu araçlar halihazırda kanun uygulama, gökyüzünden haritalandırma ve felaketlerde gözlem gibi sivil uygulamalarda, ve gözlem, keşif, hedef tespiti gibi askeri uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu araçların kullanımına talep arttıkça oto-nomi, uçuş yetenekleri ve daha kompleks ve akıllı sensörler taşıma kapasitesi daha da geliştirilmiş yeni tasarımlar ortaya çıkmaktadır. Bu teknolojik gelişmelerle beraber, insansız hava araçları için daha
da yeni kullanım alanları ortaya çıkacaktır.
Bu tez çalışması yeni bir insansız hava aracının (SUAVI: Sabancı University Unmanned Aerial VehIcle) tasarım, imalat ve uçuş
kontrolüne odaklanmaktadır. SUAVI, helikopter gibi dikey kalkış-iniş, kanatlarını yatırarak uçak gibi yatay uçuş yapabilen, elektrikle çalışan, küçük boyutlu bir dört-rotorlu döner-kanat insansız hava aracıdır. Üstünde, yer istasyonuyla kurulan kablosuz haberleşme yoluyla görüntü yollamak için kameralar taşımaktadır.
SUAVI'nin aerodinamik ve mekanik tasarımında uçuş süresi, uçuş hızı, boyut, enerji kaynağı ve yürütülecek görevler dikkate alınmıştır.
Aerodinamik tasarım, aerodinamik verimin en üst düzeye çıkarılması ve güvenli uçuş niteliklerinin elde edilmesi için yapılmıştır. İtki sistemindeki bileşenler itki üretim verimini eniyilemek ve bütün hız bandında kararlı bir uçuş sağlamak için seçilmiştir. Bu süreçte ANSYS ve NASA FoilSimII'de elde edilen benzetim sonuçları değerlendirilmiş ve itki ölçüm testleri yapılmıştır. Enerji kaynağı, ağırlık ve uçuş süresi dikkate alınarak belirlenmiştir. Kanatlar ve gövde, döngülü hava akış testlerinde şekillendirilmiştir. Ayrıca, aerodinamik tasarım ve manevra yeteneğinin doğrulanması rüzgar tünelinde yarı-gövde prototipin üzerinde tamamlanmıştır. Aracın mekanik yapısı hafif, sağlam, koruyucu olacak ve pratik kullanım için kolay montaj-demontaja izin verecek şekilde tasarlanmıştır.
Mekanik sistemin güvenlik katsayıları ANSYS'te sonlu elemanlar yöntemi temelli analizlerle bulunmuştur. Kullanılmaya aday kompozit cidar numuneleri hazırlanmış; bu numunelere hafiflik, sağlamlık ve bütünlüğü koruma bakımından mekanik testler uygulanmıştır. SUAVI'nin uçuşa hazır prototipi belirlenmiş olan kompozit malzemeden üretilmiştir.
SUAVI'nin dinamik modeli Newton-Euler formülasyonu ile elde edilmiştir. Rüzgar ve rüzgar akımları gibi aerodinamik bozucularliteratürde iyi bilinen Dryden rüzgar modeliyle modellen miştir. Uçuş kontrol sistemi olarak Gumstix mikrobilgisayarın üst-seviye, bir dizi Atmega16 mikrodenetleyicinin ise alt-seviye denetleyici olarak kullanıldığı gözetimci bir kontrol mimarisi uygulanmıştır. Gumstix bilgisayar alt-seviye denetleyicilerin sistemdeki anahtarlamasını düzenleyen bir gözetimci olarak çalışmanın yanısıra karar verme işleminden, aracın verilerinin gözlenmesinden ve güvenlik kontrollerinin sürek-li yürütülmesinden sorumludur. Ayrıca GPS ve görüntü tabanlı kontrol için alt-seviye denetleyicilere açı referansları üreten bir üst-seviye denetleyici görevini yürütmektedir. Gürültülü sensör ölçümlerinin gürültüden arındırılması için çeşitli analog ve dijital filtreler uygulanmıştır. Jirolar, ivmeölçerler gibi düşük maliyetli ataletsel MEMS sensörler ve pusuladan elde edilen verinin tümleştirilmesiyle güvenilir yönelimbilgisi elde edilmesi için Genişletilmiş Kalman Filtresi (EKF) kullanılmıştır. GPS tabanlı yüksek seviyeli kontrolör ile düşük seviyeli irtifa ve yönelim kontrolörleri olarak PID denetleyici kullanılmıştır. Dıştan bozucu etkiler bir bozucu gözlemci kullanılarakkestirilmiş ve kompanse edilmiştir. Tüm uçuş kontrol sistemi için gerçek zamanlı kontrol yazılımı geliştirilmiştir. SUAVI yer istasyonuyla haberleşerek yarı-otonom modda çalışabilir. Uçuş kontrol sisteminin ilk testlerinin yürütülmesi için dört-rotorlu helikopter test platformu (SUQUAD: Sabancı University QUADrotor) üretilmiş ve kullanılmıştır. Bu platform üzerindeki başarılı uçuş testlerinden sonra kontrol sistemi SUAVI'ye aktarılmış-tır. Uçuş kontrol sisteminin performansı birçok benzetim ve gerçek uçuş testiyle doğrulanmıştır. Dikey kalkış-iniş ve yatay uçuşlar başarıyla gerçekleş-tirilmiştir.