İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1) FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BİR İNSANSIZ HAVA ARACI VE UÇUŞ KONTROL SİSTEMİNİN TASARIMI YÜKSEK LİSANS TEZİ Müh. Sinan EKİNCİ Anabilim Dalı: DİSİPLİNLERARASI Programı: MEKATRONİK MÜHENDİSLİĞİ HAZİRAN 2007 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1) FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BİR İNSANSIZ HAVA ARACI VE UÇUŞ KONTROL SİSTEMİNİN TASARIMI YÜKSEK LİSANS TEZİ Müh. Sinan Ekinci 518031041 Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 7 Mayıs 2007 Tezin Savunulduğu Tarih : 13 Haziran 2007 Tez Danışmanı: Doç. Dr. Turan SÖYLEMEZ Tez Eş Danışmanı: Yard. Doç. Dr. Hayri ACAR Diğer Jüri Üyeleri: Prof. Dr. Hakan TEMELTAŞ Yard. Doç. Dr. Ata MUĞAN Prof. Dr. Mehmet Şerif KAVSAOĞLU HAZİRAN 2007 ÖNSÖZ Şimdiye kadar havacılık alanındaki gelişmelere geçmişte yapılan hatalar yüzünden seyirci olarak bakan ülkemiz, bu alanda yeni başlayan ve büyük bir hızla ilerleyen insansız hava araçları konusunda kesinlikle geride kalmamalıdır. Bu tez çalışmasında, lisans bitirme çalışmasında tasarımını düşünülen dikey iniş- kalkış yapabilen bir insansız hava aracını donanım açısından detaylandırarak ülkemizde yeni başlayan insansız hava aracı çalışmalarına bir katkıda bulunmak amaçlanmıştır. Bu çalışmada benden yardımlarını esirgemeyen danışman hocam Sayın Doç. Dr. Turan SÖYLEMEZ'e ve eş danışman hocam Sayın Yard. Doç. Dr. Hayri ACAR'a saygılarımı sunarım. Ve en önemlisi, çok sevdiğim eşim Ümmühan'a ve anneme sonsuz teşekkürler ederim. Haziran 2007 Sinan Ekinci ii İÇİNDEKİLER KISALTMALAR v TABLO LİSTESİ vi ŞEKİL LİSTESİ vii SEMBOL LİSTESİ ix ÖZET x ABSTRACT xi 1 GİRİŞ 1 2 İHA YAPISI 3 2.1 Procopter Genel Yapısı 4 3 KTS UYGULAMASI (PLATFORM DENGELEME) İÇİN DONANIM VE YAZILIM GELİŞTİRİLMESİ 8 3.1 Genel Yapı 8 3.2 Elektronik Yapı 9 3.2.1 Mikrokontrolcü 9 3.2.2 İvmeölçer 10 3.2.3 Dönüölçer 15 3.2.4 Elektronik Kart Tasarımı ve Üretimi 18 3.2.5 Veri İşleme ve Açı Ölçülmesi 21 4 KALMAN SÜZGECİ 26 4.1 Algılayıcı Birleştirme 28 4.2 Kalman Süzgeci MATLAB Uygulaması 29 4.3 Kalman Süzgeci Sonucu 31 4.4 Kalman Süzgeci Parametre Ayarlarının Sonuçlara Etkisi 34 4.4.1 İşlem Gürültü Kovaryansı Etkileri 34 4.4.2 Ölçüm Gürültü Kovaryansı Etkileri 35 4.4.3 Mikrokontrolcü Üzerinde Gömülü Kalman Süzgeci Sonucu 37 5 PLATFORM STABİLİZASYONU 38 5.1 Döngüde Donanım Platform Dengeleme Testi Kontrolcü Yapısı 40 5.2 Kontrolcü Tasarımı ve Sonuçları 41 5.2.1 P-kontrol 41 5.2.2 PI-kontrol 42 iii 5.2.3 PD ve PID-kontrol 43 5.3 Döngüde-Donanım Platform Dengeleme Testi Sonuçları 44 6 SONUÇLAR 46 7 KAYNAKLAR 48 EK–1 49 EK–2 51 ÖZGEÇMİŞ 52 iv KISALTMALAR ADC : Analog Digital Converter AÖB : Ataletsel Ölçüm Birimi İHA : İnsansız Hava Aracı KTS : Kontrol Tahrik Sistemi MEMS : Micro-Electro-Mechanical Systems MIPS : Mega Instruction per Second PWM : Pulse Width Modulation USART : Addressable Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter v TABLO LİSTESİ Sayfa No Tablo 2-1 Cypher Karakteristikleri 4 Tablo 3-1 Yerçekimi İvmesine Göre İvmeölçer Eksenleri Sinyal Çıktıları 12 Tablo 3-2 Açısal Hızlara göre Dönüölçer Çıktısı 16 Tablo 4-1 Kesikli Kalman Süzgeci Zaman Güncelleme Denklemleri 27 Tablo 4-2 Kesikli Kalman Süzgeci Ölçüm Güncelleme Denklemleri 27 vi ŞEKİL LİSTESİ Sayfa No Şekil 2-1 Sikorsky Cypher 4 Şekil 2-2 Procopter Genel Görünüm 5 Şekil 2-3 Procopter İtki Sistemi Genel Görünüm 6 Şekil 2-4 Dişli Kutusu 7 Şekil 3-1 Platform Dengeleme Genel Yapı 8 Şekil 3-2 PIC18F452 9 Şekil 3-3 İvmeölçer Elektrik Bağlantı Şeması ve İvme Ekseni 10 Şekil 3-4 İvmeölçer Pozisyonuna Göre Ölçülmesi Gereken Sinyal Çıktıları 11 Şekil 3-5 İvmeölçer X, Y, Z eksenleri Doğru Grafikleri ve Denklemleri 13 Şekil 3-6 İvmeölçerden Yerçekimi İvmesine Göre Eğim Bulunması 14 Şekil 3-7 Dönüölçer Elektrik Devre Şeması ve Dönü Algılama Ekseni 15 Şekil 3-8 Dönüölçer Çıktı Denklemi 17 Şekil 3-9 Elektronik Devre Kartı Şematik Çizimi 19 Şekil 3-10 Elektronik Kart PCB Görünüm 20 Şekil 3-11 Elektronik Kart 20 Şekil 3-12 Simulink Diyagramı 21 Şekil 3-13 AÖB Gürültüsü 22 Şekil 3-14 Dönüölçer Gürültüsü 23 Şekil 3-15 Açı ve Açısal Hız Grafiği 24 Şekil 4-1 Kesikli Kalman Süzgeci Döngüsü 27 Şekil 4-2 Kesikli Kalman Filtresi MATLAB-Simulink Diyagramı 29 Şekil 4-3 Zaman Güncellemesi Bloğu 30 Şekil 4-4 Ölçüm Güncellemesi Bloğu 31 Şekil 4-5 Platform Hareketi Sonucu Algılayıcı Çıktı Grafiği 32 Şekil 4-6 Kalman Süzgeci Açı Sonuç Grafiği 32 Şekil 4-7 Kalman Süzgeci Açı Sonuç Grafiği (Yakın Gösterim) 33 Şekil 4-8 Kalman Süzgeci Açı Sonuç Grafiği (Yakın Gösterim) 33 Şekil 4-9 İşlem Gürültüsü Kovaryans Matrisinin Değişiminin Hata Kovaryansına Etkisi 34 Şekil 4-10 Ölçüm Gürültüsü Kovaryansının Kalman Süzgeci Sonucuna Etkisi 35 Şekil 4-11 Ölçüm Gürültüsü Kovaryansının Kalman Süzgeci Sonucuna Etkisi (Yakın Gösterim) 36 Şekil 4-12 Ölçüm Gürültüsü Kovaryansının Kalman Süzgeci Sonucuna Etkisi (Yakın Gösterim) 36 Şekil 4-13 Mikrokontrolcü Üzerinde Koşan Kalman Süzgeci Açı Sonuç Grafiği 37 Şekil 5-1 Platform Dengeleme Testi Genel Yapısı 38 Şekil 5-2 Platform Dengeleme Döngüde-Donanım Testi Genel Yapısı 38 Şekil 5-3 Platform Dengeleme Döngüde-Donanım Testi Düzeneği 39 Şekil 5-4 Platform Dengeleme Döngüde-Donanım Testi Düzeneği 40 Şekil 5-5 Döngüde-Donanım Platform Dengeleme Testi Kontrolcü Yapısı 40 Şekil 5-6 P-kontrolcü Katsayısının Değişimine Göre Platform Dengeleme Test Sonuçları 42 vii Şekil 5-7 PI-kontrolcü Katsayılarının Değişimine Göre Platform Dengeleme Test Sonuçları 43 Şekil 5-8 PD ve PID-kontrolcü Katsayılarının Değişimine Göre Platform Dengeleme Test Sonuçları 43 Şekil 5-9 Adım Açı komutu ve Platform Cevabı 45 Şekil 5-10 Sinüzoidal Açı Komutu ve Platform Cevabı 45 viii SEMBOL LİSTESİ f : Kesme frekansı t θ : Platform eğim açısı & θ : Platform açısal hızı x : X-yönündeki ivmelenme acc y : Y-yönündeki ivmelenme acc x : Durum matrisi A : Durum geçiş matrisi B : Girdi veya kontrol matrisi u : Girdi veya kontrol vektörü z : Ölçüm matrisi H : Ölçüm hassasiyeti matrisi w : İşlem gürültüsü v : Ölçüm gürültüsü Q : İşlem gürültü kovaryansı R : Ölçüm gürültü kovaryansı P : Hata kovaryans matrisi K : Kalman Süzgeci kazanç katsayısı I : Birim matris q : Dönüölçerden gelen açısal hız b : Dönüölçer sapması ix