GNSS erişimsiz durumlarda insansız hava araçları için kalman filtresi kullanımıyla gerçek zamanlı navigasyon sistem tasarımı
Real time navigation system design for unmanned aerial vehicles using kalman filter in GNSS denied environments
- Tez No: 1023884
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUMİN TOLGA EMİRLER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Aeronautical Engineering, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, GNSS erişimsiz ortamlarda faaliyet gösteren insansız hava araçları için gerçek zamanlı navigasyon sistemi tasarımı sunulmaktadır. Önerilen sistem, uydu navigasyon sinyallerine bağımlı olmadan güvenilir konum kestirimi sağlamak amacıyla Görsel-Atalet Odometrisi (VIO) ölçümlerini Genişletilmiş Kalman Filtresi (EKF) çerçevesinde bütünleştirmektedir. Navigasyon filtresi, Kuzey-Doğu-Aşağı (NED) koordinat sisteminde formüle edilmiş 15 boyutlu durum vektörü kullanmaktadır. Bu vektör; konum, hız, kuaterniyon duruş gösterimi, jiroskop kayıklığı ve ivmeölçer kayıklığı bileşenlerinden oluşmaktadır. Sistem, GNSS konum ve hız güncellemelerinin yerini yüksek frekanslı göreli VIO ölçümlerinin aldığı asenkron bir sensör füzyon mimarisi kullanırken, Atalet Ölçüm Birimi durum ilerletmesi sağlamaktadır. Çok Durumlu Kısıt Kalman Filtresi (MSCKF) mimarisine dayanan VIO alt sistemi, monoküler kamera görüntüleri ve AÖB verilerini işleyerek göreli hareket kestirimi yapmaktadır. Göreli VIO ölçümlerinin uzun süreli uçuşlarda biriktirdiği sürüklenmenin sınırlanması amacıyla, görüntü tabanlı Arazi Göreli Navigasyon (TRN) düzeltmelerinin füzyonu filtrenin gelecekteki bir genişletmesi olarak formüle edilmiştir. Simülasyon çalışmaları; uçuş dinamiği ve otopilot algoritmalarının MATLAB ortamında yürütüldüğü, görsel sahnenin gerçek dünya uydu görüntüsü ve yükseklik verisi üzerine kurulu Unity/Cesium üç boyutlu arazi modeliyle oluşturulduğu ve MSCKF tabanlı VIO kestiricisinin benzetilmiş kamera ile AÖB akışlarını işlediği fotogerçekçi bir ortamda yürütülmektedir. Niteliksel doğrulama, önerilen mimarinin uygulanabilirliğini göstermekte; kontrolcünün referans takip davranışı INS/GNSS ve AÖB+VIO geri besleme yapılandırmaları için karşılaştırmalı olarak sunulmaktadır. Geliştirilen sistem, kentsel kanyonlar, kapalı alanlar ve GNSS karıştırma/yanıltma senaryoları dahil zorlu ortamlarda otonom İHA'ların operasyonel kapsamını genişletmektedir. Modüler mimari, pratik uygulamalar için açık kaynaklı otopilot platformlarıyla entegrasyon olanağı sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis presents the design of a real-time navigation system for unmanned aerial vehicles operating in GNSS-denied environments. The proposed system integrates Visual-Inertial Odometry (VIO) within an Extended Kalman Filter (EKF) framework to provide reliable position estimation without dependence on satellite navigation signals. The navigation filter utilizes a 15-dimensional state vector formulated in the North-East-Down (NED) coordinate frame, comprising position, velocity, quaternion attitude representation, gyroscope bias, and accelerometer bias. The system employs an asynchronous sensor fusion architecture in which high-frequency relative VIO measurements replace the GNSS position and velocity updates, while the Inertial Measurement Unit (IMU) provides state propagation. The VIO subsystem, based on Multi-State Constraint Kalman Filter (MSCKF) architecture, processes monocular camera images and IMU data to estimate relative motion. To bound the drift accumulated by relative VIO measurements over longer flights, the fusion of image-based Terrain-Relative Navigation (TRN) corrections is formulated as a future extension of the filter. Simulation studies are conducted in a photorealistic environment in which the flight dynamics and autopilot algorithms run in MATLAB, the visual scene is rendered by the Unity engine over Cesium 3D terrain built from real-world satellite imagery and elevation data, and the MSCKF-based VIO estimator processes the simulated camera and IMU streams. The qualitative validation demonstrates the feasibility of the proposed architecture, and the controller's setpoint tracking behavior is compared between the INS/GNSS and IMU+VIO feedback configurations. The developed system expands the operational envelope of autonomous UAVs in challenging environments including urban canyons, indoor spaces, and GNSS jamming/spoofing scenarios. The modular architecture enables integration with open-source autopilot platforms for practical applications.
Benzer Tezler
- GNSS karıştırmalı ortamlarda mutlak görsel konumlandırma destekli görsel-ataletsel navigasyon yaklaşımı
Visual-inertial navigation approach enhanced by absolute visual localization in GNSS-denied environments
FATİH BAŞATEMUR
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolYıldız Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERKAN USLU
- Automatic tracking and identification systems in navigation
Navigasyon amaçlı kullanılan otomatik izleme ve tanıma sistemleri
YUSUF BARIŞ ÇABUK
Yüksek Lisans
İngilizce
1999
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. ERCAN TOPUZ
- Statik GNSS, Ağ-RTK, PPP, PPP-RTK ve SBAS yöntemlerinin ve bunlardan elde edilen koordinat doğruluklarının karşılaştırılması
Comparision of static GNSS, NETWORK-RTK, PPP, PPP-RTK and SBAS methods and their coordinate accuracy obtained from them
İBRAHİM CİHAN DEMİREL
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Jeodezi ve FotogrametriKonya Teknik ÜniversitesiHarita Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUZAFFER KAHVECİ
- GSM transmisyon donanımları gözetim ve denetim arayüzü
Supervision of the base station subsystem transmission equipments on the GSM
NEVİN BASIM
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. EMRE HARMANCI