A robust nonlinear MPC and ıncremental nonlinear dynamic ınversion control of quadrotors under rotor failure
Rotor arızası durumunda dört pervaneli hava araçlarının doğrusal olmayan model benzetimli ve artımsal dinamik tersleme tabanlı gürbüz kontrolü
- Tez No: 1001552
- Danışmanlar: PROF. DR. OZAN TEKİNALP
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Quadrotorlar, gözlem, teslimat ve endüstriyel operasyonlarda giderek daha yaygın kullanılmakla birlikte, eksik tahrikli yapıları nedeniyle eyleyici arızalarına karşı oldukça hassastır. Arızalar, rotor etkinliğinin kısmi kaybından tamamen devre dışı kalmasına kadar değişebilmekte ve çoğu zaman performansın hızla bozulmasına veya kazaya yol açmaktadır. Geleneksel çözümler çoğunlukla lineer yaklaşımlara veya kapsamı sınırlı hata toleranslı stratejilere dayandığından, ağır arızalar ve dış bozucular altında yeterli performans sergileyememektedir. Bu tez, Doğrusal Olmayan Model Öngörülü Kontrol ile Doğrusal Olmayan Artımsal Dinamik Tersleme yöntemlerini birleştiren gürbüz bir hata toleranslı kontrol çerçevesi sunarak, herhangi bir rotorun tamamen devre dışı kalması durumunda dahi emniyetli ve güvenilir şekilde çalışmasını amaçlamaktadır. Önerilen yaklaşım, rotor itki kısıtlarını açıkça hesaba katmakta, aerodinamik bozucuları ve modelleme uyumsuzluklarını içermekte ve olumsuz rüzgar koşullarında dahi kararlı uçuş ile kontrollü manevra kabiliyeti sağlamaktadır. Tek rotor kaybının ötesinde, karşılıklı iki rotorun eşzamanlı tam arızası da ele alınmakta; bu durumda dahi sınırlı kumanda yeteneği korunarak güvenli seyir ve iniş mümkün kılınmaktadır. Aracı ve çevresini temsil etmek üzere, eyleyici dinamiklerini ve rüzgar-araç etkileşimlerini içeren ayrıntılı altı serbestlik dereceli doğrusal olmayan bir model kullanılmaktadır. Kapsamlı benzetimler ve Monte Carlo çalışmaları, yüksek açısal hızlar, rüzgar bozucuları, sensör gürültüsü, uzamış arıza tespit süresi ve model belirsizliklerini içeren geniş bir çalışma aralığında, yöntemin tutarlı yörünge izleme ve gürbüz kararlılık sağladığını göstermektedir. Saf DOMÖK ve hibrit DOMÖK+DOADT yapıları arasındaki karşılaştırmalı analizler, hem nominal hem de bozulmuş uçuş koşullarında elde edilebilir performans ve toparlanma zarfını nicel olarak ortaya koyarak, önerilen yaklaşımın emniyet-kritik quadrotor uygulamaları için uygulanabilir bir çözüm olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Quadrotors are increasingly adopted for inspection, delivery, and industrial operations, yet their underactuated structure makes them highly vulnerable to actuator faults. Failures can range from partial loss of rotor effectiveness to complete rotor loss, often leading to rapid performance degradation or crashes. Conventional solutions are typically based on linear approximations or limited fault-tolerant strategies, restricting their effectiveness under severe faults and external disturbances. This thesis presents a robust fault-tolerant control framework that combines Nonlinear Model Predictive Control with Incremental Nonlinear Dynamic Inversion to ensure safe and reliable quadrotor operation under complete rotor failures. The proposed approach explicitly considers rotor thrust constraints, incorporates aerodynamic disturbances and modeling mismatches, enabling stable flight and controlled maneuvering even in adverse wind conditions. Beyond single-rotor loss, the framework addresses the simultaneous complete failure of two opposite rotors, maintaining limited control authority while still allowing safe navigation and landing. A detailed six-degree-of-freedom nonlinear model, including actuator dynamics and wind quadrotor interaction effects, is employed to represent the vehicle and its environment. Extensive simulations and Monte Carlo campaigns confirm that the method delivers consistent trajectory tracking and robust stabilization across a wide range of operating conditions, including high angular rates, wind disturbances, sensor noise, increased fail detection time, and modeling uncertainties. Comparative analyses between pure NMPC and the hybrid NMPC+INDI structure further quantify the achievable performance and recovery envelopes in both nominal and degraded flight regimes, demonstrating the suitability of the proposed framework as a practical solution for safety-critical quadrotor applications.
Benzer Tezler
- MPC-GRAPH: Nonlinear feedback motion planning using sparse sampling based neighborhood graph
MPC-GRAPH: Seyrek örnekleme bazlı komşu grafiği kullanarak doğrusal olmayan geri beslemeli hareket planlama
SİMAY ATASOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA MERT ANKARALI
- Improved trajectory tracking via multi obstacle avoidance utilizing nonlinear model predictive controller
Doğrusal olmayan model öngörülü kontrol kullanılarak çoklu engellerden kaçınma ile geliştirilmiş yörünge takibi
ÖNDER HOROZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ
- İnsansız hava araçları için batarya-yakıt hücresi hibrit enerji yönetim sisteminin geliştirilmesi
Development of a battery-fuel cell hybrid energy management system for unmanned aerial vehicles
BARAN KUL
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
- Kontrollü lagrange yöntemleri ve uygulamaları
Controlled lagrangian methods and applications
HÜSEYİN ALPASLAN YILDIZ
Doktora
Türkçe
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AFİFE LEYLA GÖREN
- Doğrusal olmayan sistemler için model öngörülü kontrol yöntemine ters optimal kontrol yapısının katılması
Injection of inverse optimal control structure to model predictive control method for non-linear systems
LÜTFİ ULUSOY
Doktora
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MÜJDE GÜZELKAYA