Modeling, simulation, and test flight validation of a fixed-wing unmanned aircraft system
Sabit kanatlı bir insansız hava aracının modellenmesi simülasyonu ve test uçuşlarıyla doğrulanması
- Tez No: 569762
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL BAYEZİT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Uçak Mühendisliği, Science and Technology, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
İnsansız Hava Araçları (İHA) bugünlerde daha fazla ilgi görüyor ve uygulama alanları oldukça geniştir. İnsan hayatının risklerini ortadan kaldırması nedeniyle, askeriyede kullanımları her yıl artmakta ve sivil pazarda da tarım, hava haritalaması, kargo teslimi vb. alanlarındaki kullanımını genişletmektedir. Otoriteler bu araçları yerleşim alanlarında da kullanılmak üzere güvenli bir şekilde sertifikalandırmak istemektedir ve bu durum araştırmacıları güvenlik açısında tatmin edici sistemler geliştirmek üzere kritik bir konuma getiriyor. Bu nedenle, riskleri bilgisayar ortamında değerlendirmek ve bu riske dayanan düzenlemeler ve kurallar oluşturmak önem kazanıyor. Sabit kanatlı, döner kanatlı, kanatlı kanat gibi farklı İHA tipleri mevcuttur. Avantajları/dezavantajları görev gereksinimlerine göre değişiklik gösteriyor. Bu araçlar içinde aerodinamik olarak verimli konfigürasyonları nedeniyle önemli bir yere sahip olan tür ise sabit kanatlı versiyonlardır. Bu çalışmada, İTÜ Hedef Takımı tarafından geliştirilen özel yapım bir İHA incelenmiştir. Tulpar isimli bu İHA, küçük boyuttaki İHA sınıfına ait olup yük teslimatı ve yer gözlemi olmak üzere iki görev için geliştirilmiştir. Bu görevler, İngiliz Makine Mühendisleri Kuruluşu uzmanları tarafından UAS Challenge 2017 & 2018 yarışmaları için kurgulanmıştır ve kıyı bölgelerinde oluşabilecek doğal afet senaryosunun bir parçasıdır. Bu tezin asıl amacı, yeni tasarlanmış bir küçük boyutlu İHA'nın uçuş dinamiklerini değerlendirmek üzere MATLAB/Simulink ortamında yüksek detaya sahip bir simülasyon ortamı geliştirmektir. Bu değerlendirmeyi yaparken uçuş kararlılığı ve kontrolü ve görev performansı göz önünde bulundurulacaktır ve bu değerlendirmeye göre aerodinamik boyutlandırmayı, konfigürasyon seçimi ve aynı zamanda ekipman seçimini gibi evrelerin optimize edilmesi amaçlanmaktadır. Geliştirilen matematiksel modeli doğrulamak için İTÜ Hedef Takımı tarafından tasarlanan ve üretilen Tulpar test aracı olarak kullanıldı. İlerleyen süreçlerde bu İHA'nın lisansüstü veya lisans seviyesindeki derslerde öğrencilerin uygulamalı deneyim kazanmaları için kullanılması amaçlanmaktadır. Simülasyonlar için oluşturulan matematiksel modelin açıklanmasına referans noktalarından başlanarak İHA'nın uçuş dinamikleri, üzerine etkiyen kuvvetleri ve momentleri kısaca açıklanmaktadır. Sonrasında bahsedilen aerodinamik model ise bu uçuş dinamiklerimi kullanarak ve ayrıca XFLR5'ten elde edilen aerodinamik katsayıları ve kararlılık türevlerini kullanarak elde edilmektedir. Aerodinamik model için kullanılabilecek alternatif yaklaşımlar ve analiz programları da kısaca ele alınmaktadır. Ayrıca, hava aracında bulunan itki ve eyleyici elemanlarına ait alt sistemlerin modelleri de verilmiştir. Bu çalışma için belirlenen süre sınırlaması göz önünde bulundurularak deneysel verilerin detayı ve sayısal olarak elde edilebilecek sonuçlar belirlenerek ortak bir şekilde kullanılmıştır. Atölyede yapılan ölçümlere ek olarak pervane üreticilerinin sağladığı veriler de model içinde kullanıldı. Son olarak, yerçekimi, atmosfer ve rüzgarı denklemlerini de içeren çevre modeli tanıtılmakta ve bu modelin sadece İHA'lar için değil, diğer hava araçları için de kullanılabilmesi için detaylı veri tablolarıyla birlikte hazırlandı. Tulpar'da da kullanılan uçuş kontrol sistemi MATLAB/Simulink ortamında tanıtıldı ve modellendi. Açık kaynak olarak geliştirilmesinden dolayı otopilot yazılımı ArduPilot olarak seçildi ve Simulink'teki kontrol şeması GitHub'taki kod yapısının okunmasıyla ve önceki benzer çalışmalardan faydalanarak doğrudan elde edildi. Yaygın bir topluluğa sahip olmasından dolayı deneyimli kullanıcılardan ve açık kaynak yapısından oluşan Ardupilot'un literatürdeki en iyi seçeneklerden biri olduğu düşünülmektedir. Otopilot donanımı, nispeten düşük maliyetli fiyatı nedeniyle ve özellikle Ardupilot için de uygun olması nedeniyle Pixhawk 2.1 olarak seçildi. Pixhawk 2.1, hava hızı, navigasyon ve lazer mesafe ölçümleri için düşük maliyetli sensör seçeneklerine sahip olduğu için bu uygulamada uygun bir seçenek haline getirmektedir. Haberleşme sistemi de seçim metodolojisi ile beraber açıklanmaktadır. Telemetri modülleri 868 MHz'de çalışacak şekilde seçildi ve güç ayarları hava sahasının yönetmeliklere göre kontrol edilerek ayarlandı. Matematiksel model MATLAB/Simulink ortamında simüle edilmiştir. Simülasyondan önce, denge/düzeltme koşulu, verilen uçuş şartlarına göre küçük pertrbasyon teorisi kullanılarak hesaplanır. Simulink'teki özel görselleştirme şekillerine ek olarak, Flight Gear ekstra bir seçenek olarak sunuldu. Bunun yanı sıra, birçok simülasyon ortamına artıları ve eksileriyle birlikte değinilir. Fakat, çoğunlukla Simulink'in görselleştirme şekli, bilgisayar destekli çizim yazılımındaki uçak çizimlerini istenen versiyonlara dönüştürmek gibi zaman alıcı görevleri ortadan kaldırmak için kullanılmıştır. Simülasyon ortamı, İHA tasarımcısına özel tasarım araçlarının uçuş özellikleri hakkında üretim ve test uçuşları öncesinde bilgi sağlar. Uçuş performans analizi bu çalışmada ele alınmamıştır, ancak görevleri daha iyi yaklaşımlarla da planlayabilme özelliğine sahip olmak için simülasyon ortamına kolayca dahil edilebilir. Ayrıca, geliştirilen bu simülasyon ortamı, bu çalışmanın gelecekteki bir çalışması olan bir USB kumandası eklenerek pilot eğitim aracı olarak da kullanılabilir. Son bölümde, geliştirilen modelin simülasyon sonuçları, tezin hedeflerinde belirtilen deneme uçuşlarıyla karşılaştırıldı. Test uçuşlarında kullanılan ek donanımlar tanıtıldı ve test uçuş senaryoları açıklandı. Test uçuşları belirlenen senaryolara göre Hezarfen havalimanında gerçekleştirildi. Simülasyon ortamının ideal olması, birçok varsayım ve yaklaşımla modelleme yoluyla elde edilmesi gerçek uçuşta elde edilen sonuçlardan farklıdır. Özellikle aerodinamik model detaylarını göz önünde bulundurarak, XFLR5 gibi analiz programları, girdap kafesi yöntemi (VLM) nedeniyle İHA karakteristiklerini yüksek doğrulukla hesaplamaz ve özellikle de aerodinamik sürükleme modeli hatalar getirir. Ek olarak, kullanılan test platformu, İTÜ Hedef Takımı tarafından düşük maliyetli imkanlarda ve sınırlı takvim süresinde üretildi. Bu nedenle de hesaplanarak tasarlanan araç ile uçurulan araç arasında çeşitli farklılıklar oluşmaktadır. Bu çalışmada kullanılan kaynak kodunun ve diğer ilgili dosyaların gelecekte açık kaynak olarak yayınlanması amaçlanmaktadır ve bu çalışma da bu amaç için bir temel oluşturacaktır. Bu çalışmada, edinilen deneyimlerin başkaları ile paylaşılması da hedeflenmiştir. Böylece okuyucu, kontrol listeleri, öğrenilen dersler, ek kaynaklar gibi İHA operasyonları hakkında ek bilgiler bulabilir.
Özet (Çeviri)
Unmanned Aircraft Systems (UAS) gain even more interest nowadays, and their application area is very broad. Due to eliminating the risks of human life, their usage in the military increases every year, and also the civil market expands its usage in agriculture, aerial mapping, cargo delivery, etc. The authorities are looking forward to certificating these systems safely to be used in urbanized areas as well, which brings the researchers in a critical position to provide them with satisfactory systems. Therefore, assessing the risks in a computer environment, and creating regulations and rules based on these risk is important, which brings us to the point where the modeling and simulation has a crucial role. There exist different types of UAS such as fixed-wing, rotary-wing, flapping-wing, etc. Their advantages/drawbacks vary according to their mission requirements. The holy-grail of these systems are the fixed-wing versions due to their aerodynamically efficient configuration, and in this work, a custom-built UAS developed by Team Hedef is studied. The UAS is named as Tulpar which belongs to Small UAS (SUAS) category, and it is developed for two missions: payload delivery and reconnaissance. These missions are designed for UAS Challenge 2017 & 2018 by the professionals at the Institution of Mechanical Engineers (IMechE), and they are a part of the natural disaster scenario that might occur in coastal areas. The main objective of this thesis is to develop a high-fidelity simulation environment in MATLAB/Simulink to evaluate the flight dynamics of a new designed Small UAS considering its flight stability and control and also the mission performance to optimize the equipment selection and also the aerodynamic sizing of the aircraft for various configurations. To validate the developed mathematical model, Tulpar UAS is used as a testbed which is designed by ITU Team Hedef and after the validation, it is aimed to use that UAS in graduate or undergraduate level courses to make students gain hands-on experience on the UASs. The mathematical modeling foundation is introduced starting from the reference frames, and then the flight dynamics, forces and moments of UAS are explained briefly. The aerodynamic model is obtained using these dynamics and also using the aerodynamic coefficients and stability derivatives that are obtained from XFLR5. Alternative approaches and analysis programs are covered briefly as well. Also, the subsystems' models are given for propulsion systems and actuators. They are obtained experimentally and numerically combined considering the time limitation for the detailed experiments. Finally, the environment model including gravity, atmosphere, and the wind is introduced, and they are given in detail with look-up tables so that the developed model can be used not only for UAS but also for other types of aerial vehicles, too. The flight control system, also used in Tulpar, is introduced and modeled in MATLAB/Simulink environment. Autopilot software is chosen to be ArduPilot due to its open-source development, and the control scheme in Simulink is directly obtained by reading the code structure on GitHub and also from the previous similar works. Due to having a widespread community consists of experienced users and its open-source structure, Ardupilot is thought to be one of the best choices in the literature. Autopilot hardware is chosen to be Pixhawk 2.1 mainly due to its relatively low-cost price and being suitable for Ardupilot as well. Pixhawk 2.1 has low-cost sensor selections as well for airspeed, navigation, and laser distance measurements, which makes it a convenient choice for this application. The communication system is introduced by selection methodology followed, too. Telemetry modules are chosen to be work at 868 MHz, and their power settings are checked according to the regulations. The mathematical model is simulated in MATLAB/Simulink environment. Before the simulation, the trim condition is calculated using the small perturbations theory for the given flight condition and features. In addition to custom visualization figure in Simulink, Flight Gear is introduced to be connected as an extra option. Besides that, several simulation environments are mentioned with their advantages/drawbacks; however, mainly Simulink's visualization figure has been used to eliminate the time-consuming tasks such as converting the aircraft drawings in computer-aided drawing software to the required versions. The simulation provides the UAS designer with information about the flight characteristics of the custom design vehicles. The flight analysis is not covered in this work, but it can be included easily in the simulation environment to have a feature to plan the missions with better approximations as well. Also, the simulation environment can be used as a pilot training tool as well by adding a USB Controller, which is another future work of this study. In the final part, the developed model's simulation results are compared with test flights as mentioned in the objectives of the thesis. Additional equipment used during the test flights is introduced and the test flight scenarios are explained. The test flights are conducted at Hezarfen airport according to these scenarios, and the results are compared with the simulation. Simulation is the ideal environment, and since it is obtained via modeling with a lot of assumptions and approximations, there exists a difference with real-life results. Especially considering the aerodynamic model details, the analysis programs such as XFLR5 do not calculate the UAS characteristics with high accuracy, because of the vortex lattice method (VLM), and especially the drag model brings errors. Also, the platform is manufactured by ITU Hedef UAS Team with low-cost facilities and limited calendar time, so there exist minor differences due to that condition, also. On the other hand, it is aimed to publish the source code and other related files as open-source in the future, and this study will be a basis for that purpose, too. In this study, it is also aimed to share the experiences during this project work with others, so the reader can find additional information in the appendices about SUAS operations, such as checklists, lessons learned, additional resources.
Benzer Tezler
- Closed loop dynamic system identification of a manned classical configuration helicopter
İnsanlı klasik konfigurasyon bir helikopterin kapalı döngü dinamik sistem tanımlaması
ILGAZ DOĞA OKCU
Doktora
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET KEMAL LEBLEBİCİOĞLU
- Pressure regulator design for liquid propellant rocket engines
Sıvı yakıtlı roket motorları için basınç regülatörü tasarımı
ÇAĞRI İNANÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
- İnsan hareketi izleme teknolojilerinin karşılaştırmalı değerlendirmesi
Comparative assessment of human motion monitoring technologies
CEMAL FATİH KUYUCU
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN İNCE
- Aviyonikte tekli ve çoklu sensör hatalarının makine öğrenmesi ile tespit edilmesi ve düzeltilmesi
Single and multi sensor fail detection and fixing via machi̇ne learning methods in avionics
MUHAMMED SAFA AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ŞAKİR BİLGE