Nonlinear Controller Design for UAVs with Time-Varying Aerodynamic Uncertainties

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are here and they are here to stay. Unmanned Aviation has expanded significantly in recent years and research and development in the field of navigation and control have advanced beyond expectations. UAVs are currently being used for defense programs around the world but the range of applications is expected to grow in the near future, with civilian applications such as environmental and aerial monitoring, aerial surveillance and homeland security being some representative examples. Conventional and commercially available small-scale UAVs have limited utilization and applicability to executing specific short-duration missions because of limitations in size, payload, power supply and endurance. This fact has already marked the dawn of a new era of more powerful and versatile UAVs (e.g. morphing aircraft), able to perform a variety of missions. This dissertation presents a novel, comprehensive, step-by-step, nonlinear controller design framework for new generation, non-conventional UAVs with time-varying aerodynamic characteristics during flight. Controller design for such UAVs is a challenging task mainly due to uncertain aerodynamic parameters in the UAV mathematical model. This challenge is tackled by using and implementing μ-analysis and additive uncertainty weighting functions. The technique described herein can be generalized and applied to the class of non-conventional UAVs, seeking to address uncertainty challenges regarding the aircraft\u27s aerodynamic coefficients

Model Predictive Control Of A Fixed Wing Unmanned Aerial Vehicle

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Tezde sabit kanatlı bir insansız hava aracının (İHA) model öngörülü kontrolü (MÖK) çalışılmıştır. Sivil ve askeri alanda İHA’ların kullanımı son yıllarda artmıştır. Günümüzde de keşif, muharebe, hedef tayini ve yanıltıcı amaçlı askeri alanda kullanılmakta olup; keşif, gözlem, TV yayını, fotoğrafçılık, lojistik ve ilaçlama amaçlı sivil alanda da kullanımı bulunmaktadır. Ulaşılması mümkün olamayan ve tehlikeli alanlarda kullanılabilir olması İHA’ların önemini artırmaktadır. Tasarım formülasyonunun çok değişkenli bir yapıya sahip olması MÖK’ün en önemli özelliklerinden birisidir. Aynı zamanda kontrolcü tek giriş tek çıkışlı bir sistemden çok giriş çok çıkışlı bir sisteme genişletilebilir. Bir sistemin çevrimiçi optimize edilebilmesi, diğer tekniklere kıyasla tasarım yapısının kolaylığı ve mikro kontrolörler gibi basit sistemlere gömülebilmesi MÖK’ün önemli avantajlarından bir kaçı olarak sayılabilir. Tezde önerilen yanal ve boylamsal çok giriş çok çıkışlı kısıtlı MÖK, çok giriş çok çıkışlı yanal ve boylamsal doğrusal durum uzay modellerine dayanmaktadır. Bu doğrusal modeller tam doğrusal durum uzay modelinin, yanal ve boylamsal modlara ait durum değişkenleri yardımıyla ikiye ayrılarak elde edilmektedir. Söz konusu ayırma işlemi uçuş dinamiğinde yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntem yanal ile boylamsal modların aralarındaki çapraz kuplaj etkisinin ihmal edilebilir olması varsayımıyla kullanılmaktadır. İHA’nın xz düzlemine göre simetrik olması ve kanatçık ile irtifa ve yön dümenleri gibi klasik kontrol yüzeylerine sahip olarak tasarlanmış olması durumunda bu varsayım geçerlidir. Tam doğrusal durum uzay modeli, Minnesota Üniversitesi İHA araştırma grubunun açık olarak sunmuş olduğu Ultra Stick 25e marka ve modelli İHA’ya ait doğrusal olmayan modelinin denge noktaları etrafında doğrusallaştırılmasıyla elde edilmektedir. Denge noktaları tezde ele alınan sürekli kanat-irtifa, sabit tırmanış, sabit irtifa - sürekli dönüş, sabit tırmanış - sürekli dönüş, sürekli kanat-irtifa - yana kayma uçuşları olmak üzere toplamda 5 uçuş senaryosuna dayanmaktadır. Söz konusu her uçuş senaryosu için ayrı ayrı denge noktaları hesaplanmaktadır. Tezin öncelikli amacı da söz konusu uçuş senaryoları için hesaplanan denge noktaları etrafında doğrusallaştırılarak elde edilen yanal ve boylamsal doğrusal durum uzay modellerine dayanan kısıtlı MÖK’ler sayesinde İHA’nın her uçuş senaryosunda dinamik denge konumunda kontrollü bir şekilde uçuşunu sağlamaktır. Tezin ilk aşamasında, çok giriş çok çıkışlı yanal ve boylamsal doğrusal durum uzay modellerine dayanan kısıtlı MÖK’lerin yatış açısı pozisyonu, yunuslama açısı pozisyonu, istikamet açısı pozisyonu, irtifa, hız ve dönüş koordinasyonu kontrolü amaçlı dahil edildiği doğrusal olmayan kapalı çevrim simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Bu simülasyonlarda yanal ve boylamsal MÖK’lerin bütün girişlerine (yanal ve boylamsal doğrusal durum uzay modellerinin bütün çıkışlarına) ilk anda hesaplanan denge noktaları referans olarak verilmiştir. Bütün uçuş senaryolarında 5. saniyeden itibaren hava hızına denge noktası değerine ilaveten 1m/s referans verilmiştir. Sürekli kanat-irtifa uçuşunun 5. saniyesinde, irtifaya denge noktası değerine ilaveten 4.16m ve istikamet açısına ise denge noktası değerine ilaveten 4o referans verilmiştir. Sabit tırmanış uçuşunun 5. saniyesinde istikamet açısına denge noktası değerine ilaveten 4o referans verilmiştir. Sabit irtifa - sürekli dönüş ile sabit tırmanış - sürekli dönüş uçuşlarının 5. saniyelerinde yatış açısına denge noktası değerine ilaveten 4o referans verilmiştir. Sürekli kanat-irtifa - yana kayma uçuşunun 5. saniyesinde ise istikamet açısına denge noktası değerine ilaveten 4o referans verilmiştir. MÖK’lerin performansı 3 farklı şartlarda test edilmiştir. Öncelikle MÖK’ler nominal şartlarda, sonrasında boylamsal MÖK’ün girişlerinin (boylamsal doğrusal durum uzay modeli çıkışlarının) arasından sadece öteleme ivmeleri ax ve az’nin ölçülemeyen çıkış olarak tayin edilmesi durumunda, son olarak ise tayin edilmiş olan söz konusu 2 çıkış ile birlikte yine boylamsal MÖK’ün girişlerinin (boylamsal doğrusal durum uzay modeli çıkışlarının) arasında yer alan hava hızının üzerine 1 büyüklüğünde rastgele basamak tarzında gürültü olacak şekilde bir ölçülemeyen çıkış bozucusu eklenmiştir. Doğrusal olmayan simülasyonların sonucunda tasarlanan çok giriş çok çıkışlı MÖK’lerin her uçuş senaryosunda tatmin edici nitelikte uçuş performansı sağladığı gözlemlenmiştir. Tezde önerilen MÖK’ler, karmaşık yörüngeleri takip edebilmesi açısından literatürde yer alan klasik kontrolcülere kıyasla daha fazla esneklik sağlamıştır. Ayrıca çok giriş çok çıkışlı yanal ve boylamsal doğrusal durum uzay modellerine ait çıkışların, herhangi bir anda referans verilerek değişimlerine imkan vermektedir. Tezin son aşamasında ise ilk aşamada önerilen ve performansları belirtilen 3 farklı şart altında test edilen çok giriş çok çıkışlı yanal ve boylamsal doğrusal durum uzay modellerine dayanan kısıtlı MÖK’lerin aynı şekilde dönüş koordinasyonu; hız; irtifa; yatış, yunuslama ve istikamet açısı pozisyonu kontrolü amaçlı performansı rüzgar koşullarında işlemci döngüsü simülasyonları ile test edilmiştir. Rüzgar şartları kontrolcülerin performansının testi için önemli parametrelerden birisidir. Çünkü kontrolcülerin rüzgar gibi önemli bir bozucuya karşı duyarsız olması istenir. Bu sebeple rüzgar etkisi kontrolcü tasarımında hesaba katılması gerekmektedir. Tezin bu aşamasında da düzenli rüzgarın bileşenleri İHA’nın dinamiğine dahil edilerek denge noktaları seti elde edilmiş ve böylece elde edilen doğrusal modellerin de düzenli rüzgar bilgisine sahip olması sağlanmıştır. Bu durum her uçuş senaryosunda MÖK’ün düzenli rüzgarın varlığından bilgisinin olmasını sağlayarak minimum hatayla İHA’nın kontrolünün gerçekleştirilmesine imkan vermiştir. İşlemci döngüsü simülasyonları, bir kontrolcü modelinden üretilen kodun gerçek bir hedef donanımda veya işlemcide donanım döngüsü simülasyonları ve/veya gerçek uçuş öncesi test edilmesi açısından oldukça önemlidir. İşlemci döngüsü simülasyonlarında kullanılan hedef donanım olarak BeagleBone Black Rev C marka ve modelli kontrol kartı kullanılmıştır. İlk aşamada kullanılmış olan İHA’ya ait doğrusal olmayan uçak modeli bu simülasyonlarda da herhangi bir farklılık olmadan ele alınmıştır. Simülasyonlarda ilk aşamadan farklı olarak yanal ve boylamsal MÖK’lerin bütün girişlerine (yanal ve boylamsal doğrusal durum uzay modellerinin bütün çıkışlarına) sadece hesaplanan denge noktaları referans olarak verilmiştir. Ayrıca MÖK’lerin girişine herhangi bir ölçülemeyen çıkış ve ölçülemeyen çıkış bozucusu dahil edilmemiş olup, düzenli rüzgarın daimi olduğu ve 15. saniyede rüzgarın aniden değiştiği bir durum ele alınmıştır. Söz konusu İHA’nın işlemci döngüsü simülasyonlarında aynı 5 uçuş senaryosu için belirtilen rüzgar şartları altındaki dayanıklılığının test edilmesi amaçlanmıştır. Tezde önerilen çok giriş çok çıkışlı yanal ve boylamsal kısıtlı MÖK’lerin ilk aşamada gerçekleştirilen doğrusal olmayan kapalı çevrim simülasyonlarında olduğu gibi belirtilen rüzgar koşulları altında işlemci döngüsü simülasyonlarında da her uçuş senaryosu için tatmin edici nitelikte uçuş performansı sağladığı gözlemlenmiştir. Karmaşık yörüngeleri takip edebilmesi açısından daha fazla esneklik sağladığı görülen MÖK’lerin, söz konusu işlemci döngüsü simülasyonları sayesinde hedef donanım olarak kullanılan BeagleBone Black Rev C gibi düşük maliyetli ve az yer kaplayan bir kontrol kartına gömülebileceği ve böylece donanım döngüsü simülasyonlarında ve/veya gerçek uçuş testlerinde kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.A model predictive control (MPC) strategy based on the lateral and longitudinal linear models is proposed for the flight control design. unmanned aerial vehicles (UAVs) are important to have a place for the usage in the various civil and military applications like battlefield and police surveillance, reconnaissance, combat, targeting, decoying, crop dusting, observations, TV broadcasting, photography, logistics etc. Thus the control of them is extremely important from the standpoint of carrying out their duties in a desired and controlled manner. MPC has been an important control technique in on-line applications. It has been able to be implemented to dynamic processes with smaller time scales such as aerospace by the help of modern computers. The purpose of the thesis is a fixed wing UAV to undergo 5 flight scenarios as straight and level, level climb, level turn, climbing turn and level steady heading sideslip in a desired and controlled manner by means of constrained multi input multi output MPCs. Simulations are carried out for the nonlinear (NL) closed loop aircraft Simulink model available from the University of Minnesota UAV research group with the implemented MPCs designed in this thesis. The results of the NL simulations show that the MPCs can achieve satisfactory performance and flying qualities under 3 different test conditions in terms of existing unmeasured outputs and unmeasured output disturbances. The proposed MPC design provide more flexibility in terms of tracking complex trajectories comparing with the classical controllers in the literature. Besides they provide to change more than one references of the states at any time. As another study of this thesis, the constrained multi input multi output lateral and longitudinal linear models based MPCs which are proposed and tested in the NL simulations are tested in the processor in the loop (PIL) simulations under windy conditions such as steady wind and wind gust. BeagleBone Black Rev C is used as a target hardware or processor in the PIL simulations. The same fixed wing UAV is targeted to perform PIL simulations for the same flight scenarios under the specified windy conditions in a desired and controlled manner. The results of the PIL simulations show that the MPCs proposed in this thesis can achieve satisfactory performance and flying qualities for the all flight scenarios under the windy conditions. The proposed MPCs which are capable to provide more flexibility in terms of tracking complex trajectories are showed to be able to be implemented to hardware by means of the PIL simulations under the specified windy conditions which are difficult for performance tests. It can be clearly seen that the MPCs can be easily implemented to a low-cost and small-sized board like BeagleBone Black Rev C.DoktoraPh