Fault Tolerant Control of Octoplane UAVs Using Sliding Mode Techniques
Kayan Kipli Teknikler Kullanarak Octoplane İnsansız Hava Araçlarının Hata Toleranslı Kontrolü
- Tez No: 1001416
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HALIM ALWI, PROF. DR. CHRİSTOPHER EDWARDS
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Uçak Mühendisliği, Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Unıversıty Of Exeter
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak Mühendisligi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, kayan kipli kontrol (SMC) teknikleri ve kontrol tahsisi (CA) kullanan octoplane insansız hava araçları (İHA'lar) için hata toleranslı kontrol (FTC) sistemlerinin tasarımı ve uygulanmasına yönelik bir yaklaşımı sunmaktadır. Bir çift sistemli hibrit İHA olan Octoplane (sabit kanatlı ve dikey kalkış/iniş (VTOL)) aktüatör fazlalığı nedeniyle benzersiz meydan okumalar ve fırsatlar sunmaktadır. Bu araştırma, farklı uçuş modlarında (dikey, geçiş ve seyir) octoplane İHA'lar için FTC sistemlerinin modellenmesi, simülasyonu ve tasarımını ele almaktadır. Bu tez, bu uçuş modlarıyla ilişkili belirli zorluklar ve hata/arıza senaryolarını ele alır ve uçuş kararlılığı ile performansını korumak amacıyla SMC tekniklerini kullanır. Kontrol şemaları, aktüatör arızalarını yönetmek için ek aktüatör fazlalığını içerecek şekilde tasarlanmıştır ve bu yaklaşımın, çeşitli arıza ve belirsizlik koşullarında ne kadar etkili olduğunu vurgular. SMC, aktüatör arızalarını doğrudan yönetebilen sağlam bir kontrol yöntemidir. Ancak tüm aktüatörlerin arızalanması durumunda, CA yöntemi kullanılabilir çalışmayı sürdürmeyi sağlar. CA yöntemi kontrol sinyallerini yeniden dağıtarak kontrolcüyü yeniden yapılandırmadan aktüatörlere kontrol sinyallerini yeniden dağıtarak kontrolcüyü yeniden yapılandırmadan çalışmayı sürdürmeyi sağlar. Tez, hibrit İHA yapılandırmalarının, özellikle dört rotorlu ve sekiz rotorlu sistemlerin kapsamlı bir incelemesiyle başlar ve FTC'nin İHA dayanıklılığını artırmadaki önemini, ayrıca FTC tasarımında ek aktüatör fazlalığı kullanmanın avantajlarını vurgular. Sonrasında SMC tasarım süreci tanıtılır ve FTC'nin uygulanması açıklanır; buna LPV tabanlı SMC de dahildir. Tez, octoplane için hareket denklemlerinin analizini sunarak sonraki bölümlerde farklı uçuş modlarında FTC'nin incelenmesi için temel oluşturur. Seyir modunda, önerilen SMC-CA şeması, arıza durumlarında bile arızasız durumlarla karşılaştırıldığında performans düşüşü göstermemektedir. LPV tabanlı SMC FTC yaklaşımı, dikey uçuş modu için de aktüatör arızalarına karşı sağlamlık göstermektedir. Geçiş modunda, LPV tabanlı SMC FTC şeması, tırmanma, seyir ve iniş aşamaları boyunca geniş bir hız aralığında arızasız durumla karşılaştırıldığında aynı performans düzeyini korumaktadır. Son bölümde, eğilebilir rotor mekanizması incelenmiş ve sonuçlar, geçiş modu sırasında rüzgar ve türbülans varlığında bile çeşitli arıza koşullarında iyi izleme performansının sürdürüldüğünü göstermiştir. Tez, CA ve SMC tekniklerinin bir octoplane İHA'ya tüm uçuş modlarında başarıyla entegre edildiğini, böylece FTC ile ilgili zorlukların ele alındığını ve güvenilirliğin artırıldığını ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis presents an approach to designing and implementing fault-tolerant control (FTC) systems for octoplane unmanned aerial vehicles (UAVs) employing sliding mode control (SMC) techniques and control allocation (CA). The octoplane, a hybrid dual-system UAV (a fixed-wing aircraft with VTOL capabilities), presents unique challenges and opportunities due to its actuator redundancy. This research delves into the modelling, simulation, and design of FTC systems for octoplane UAVs in different flight modes: vertical, transition, and cruise. It addresses specific challenges and fault/failure scenarios associated with these flight modes, using SMC techniques to maintain flight stability and performance. The control schemes incorporate additional redundancy to manage actuator faults and failures, highlighting the scheme's efficacy under various actuator faults, failures, and uncertain conditions. SMC is a robust control method which can handle actuator faults directly. However, to deal with total actuator failures, CA is used to redistribute control signals to the remaining available actuators without reconfiguring the controller. The thesis begins with a comprehensive review of hybrid UAV configurations, focusing on quadplanes and octoplanes, and emphasizes the importance of FTC in enhancing UAV resilience and the advantages of incorporating additional actuator redundancy in the FTC design. It then introduces the SMC design process and explains its implementation of FTC, including an introduction to LPV-based SMC. Subsequently, the thesis provides an analysis of the equations of motion for an octoplane, setting the foundation for examining the FTC of different flight modes in the following chapters. In cruise mode, the proposed SMC-CA scheme shows no performance degradation under fault/failure scenarios compared to fault-free cases. An LPV-based SMC FTC approach for vertical flight mode also demonstrates robustness against actuator faults and failures. For transition mode, an LPV-based SMC FTC scheme maintains the same level of performance compared to the fault-free case within a wide speed range during climb, cruise, and descent stages. In the final chapter, a tilt-rotor mechanism is investigated, and the results show that good tracking performance has been maintained for various failure conditions during transition mode in the presence of wind and gusts. The thesis highlights the successful integration of CA and SMC techniques to an octoplane UAV across all flight modes, thus addressing FTC challenges and enhancing reliability.
Benzer Tezler
- Pre-eklampsi ve eklampsi vakalarında immünoglobülin düzeylerinin değerlendirilmesi (Klinik ve immünobiolojik araştırma)
Examination des valeurs d'immunoglobulines en cas de la toxemie gravidique
M. MURAT SEMİZ
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
1987
Kadın Hastalıkları ve DoğumGazi ÜniversitesiKadın Hastalıkları ve Doğum Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MÜLAZIM YILDIRIM
- Pamuk ipliklerinde istatiksel bir hata analiz yönteminin geliştirilmesi üzerinde araştırmalar
Başlık çevirisi yok
AYŞE KARAKOR
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiEge ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜNGÖR BAŞER
- Drenaj sistemlerinin projelenmesinde drenaj debisinin önemi ve bu değerin Gediz Havzası koşullarında bazı meteorolijik değerlere göre hesaplanması
In the planing drainage systems, the importance of draimoge coefficient an the determination of this coeffient according to the some meteorological volues in Gediz Vailey
CEVRİ OĞUZ ACAR
- Ankara Kızılcahamam Kınık Tüneli'ndeki jeoteknik problemler
Investigation of the geotecnical problems the Kınık Tunnel, Kızılcahamam Ankara
RIZA MUCUKGİL
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Jeoloji MühendisliğiAnkara ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERGUN GÖKTEN
- Development, design and realization of a television transposer test unit employing microprocessor for remote measurement and testing
Başlık çevirisi yok
HASAN HÜSEYİN TEZCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
1987
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiPROF. DR. HALİL BENGİ