Geri Dön

Development of position estimation algorithm for unmanned aerial vehicle at short term GPS outage

İnsansız hava araçları için kısa süreli GPS kayıplarında konum bulma algoritmasının geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 605701
  2. Yazar: GÜRTAÇ KADEM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. OVSANNA SETA ESTRADA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 79

Özet

Günümüzde insansız hava araçları haritalama, arama-kurtarma veya görüntüleme gibi bir çok sivil ve askeri uygulamalarında kullanılmaktadır. Gün geçtikce kullanım alanının genişlemesiyle, insansız hava araçları üretimi yapan şirket sayısı artmaktadır. Buna paralel olarak geniş bir kullanıcı kitlesine ulaşan insansız hava araçları üzerine yapılan çalışmalar da artmıştır. İnsansız hava araçları sivil kullanımlarının yanı sıra insansız ve uzaktan kontrollü sistemler olması itibari ile savunma sanayi alanında da geniş uygulama alanları mevcuttur. Bunların yanı sıra, geleneksel insanlı sistemlere kıyasla daha ucuz, yapımı ve tasarımı daha kolay ve güvenliklidir. Son günlerde ülkemiz ve dünyada savunma ve güvenlik anlamında bu araçların kullanımına talep oldukca artmıştır. Insansız hava araçlarının savunma sanayisinde kullanılmasıyla operasyonel anlamda görevini tamamlaması hayati bir öneme sahip olmuştur ve zorlu cevresel etkenlere dayanıklılığı tasarımlarında ön planda olmalıdır. Kullanım alanların genişlemesiyle araçtan beklenen özellikler çeşitlenmektedir. Askıda kalma, bir hedefe gitme veya birden fazla hedefler arasında gezinme, olduğu yere veya kalktığı konum olan ev noktasına inme gibi beklenen ana özellikleri artmaktadır. Bu yüzden operasyonel ihtiyaçlara cevap verilebilmesi için araç sensör ve kontrol algoritmaları çeşitlenmekte ve karmaşıklaşmaktadır. Bir çok sensör verileri filtreleme ve birleştirme algoritmalarına ihtiyaç duyulmaktadır. Manuel veya otonom şekilde kullanılabilen insansız hava araçları, barındırdığı bir çok sensör verileri yardımıyla kontrol edilebilmektedir. Araç kontrolü için kullanılan sensörlerin donanımsal ve cevresel etkenlere bağlı olarak kısa veya uzun süreli kayıplar olabilmektedir. Ayrıca, sensorlerde oluşacak donanımsal arızalar ile sensor verileri tamamen kayıp edilebilmektedir. Bu kayıplarda araç kontrolünün ve dinamiğinin bozulmaması ve aracın kırıma uğramaması için algoritmasal önlemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Araç üzerinde bulunan atalet ölçüm birimi (IMU) yardımıyla aracın oryantasyonel açıları, açısal hızları ve ivmeleri alınmaktadır. Küresel konumlama sistemi (GPS) ile araç hız ve konum bilgisi alınmaktadır. Araç operasyonel anlamda konumsal görevlerini bu sensörler yardımıyla geçekleştirebilmektedir. GPS bu tür otonom araçlarda en güvenilir birimdir. Ancak insansız hava araçlarında, aracın kullanıldığı yere veya cevresel etkilere göre GPS sinyallerinde kısmen veya tamamen kesilmeler meydana gelmektedir. Bunlara ek olarak, askeri alanlarda da kullanıldığı göz önünde bulundurulunca, bu araçların kullanıldığı ortamlarda saldırı veya güvenlik amacıyla GPS sinyal kesicileri kullanılabilmektedir. Bu tezde amaç, insansız hava araçlarında yaşanan kısa süreli GPS sinyal kalitesi düşüşüne bağlı olarak kısmen veya tamamen GPS verilerinin gitmesi durumunda araçın hız ve konum kestiriminin araçta bulunan diğer sensör verileri doğrultusunda yapılmasıdır. Geliştirilen yöntemlerde çeşitli alçak geçiren, yüksek geçiren ve kalman filtreleri kullanılmıştır. Alçak geçiren filtrenin amacı, keskin ivme geçişlerini azaltmaktır. Yüksek geçiren filtre ise, sıfır ivmelenme ve sıfır hız durumlarında sensor hata ve gürültülerinin biriktirilmemesidir. İvme verisinden pozisyon verisinin elde edilebilmesi için çift integral alma işlemi uygulanır. Bu da oluşan hataları zamanla katlanarak gideceği anlamına gelmektedir. Bu yüzden sensör verilerinin filtrelerden geçirilmesi şart olmuştur. GPS kayıplı ortamlarda araç verilerinin doğru bir şekilde kestirimin yapılabilmesi için sensör hatalarının ve gürültülerinin giderilmesi gerekmektedir. Bu yüzden farklı filtre algoritmaları kullanılacaktır. GPS kayıplı durumlarda, hız ve konum kestirimi olmadığında araç kırıma uğrayacaktır. Bu kırımların önlenmesi için gerçeğe yakın hız ve pozisyon kestirimleri yapılabilmeli, araç bu kestirimler yardımı ile kontrol edilebilmelidir. Araç üzerinde bulunan IMU yardımıyla alınan ivme ve rotasyonel açı bilgileri araçın yatay hız kestiriminde kullanılacaktır. Araç konum bilgisi, kestirilen hız verisine göre yapılacaktır. Bunun yanısıra, aracın dikey hızı yine IMU ve barometre yardımı ile yapılmakadır. Geliştirilen yöntemlerde, araçın rüzgarlı ortamlarda rüzgar ile sürüklenmesinin azaltılması için rüzgar kestirimi yapılmıştır. Rüzgar ile araç sürüklendiğinde çoğu zaman IMU sensörü bu sürüklenmeyi ölçememekte ve bu durum da hız ve pozisyon kestirim algoritmasını yanıltmaktadır. GPS sinyallerinin varlığında yapılan rüzgar kestirimi, GPS'in gitmesi ile kullanılacak ve araçın GPS olmadığı ortamda konum tutuş algoritmasını iyileştirilmesinde kullanılacaktır. Bu tez kapsamında 3 farklı pozisyon kestirimi algoritması üzerinde durulmuştur. Bunlardan ilkinde hata kestirimi algoritması üzerinde durulmuştur. GSP varlığında hız ve pozisyon kestirimi hataları bulunmaya çalışılmış, GPS gitmesi durumunda hesaplanan hatalar üzerinden kestirim algoritması oluşturulmuştur. Bu yöntemde Koriyolis etkisi de göz önünde bulundurulmuştur. Ancak yapılan testlerde bu etkinin algoritmalar üzerinde çok etkisinin olmadığına karar verilmiştir. İkinci yöntemde bölünlenmiş kalman filtresi (unscented kalman filter) kullanılmıştır. GPS'in var olması bu algoritmanın çalışmasını kolaylaştırmıştır. Öncelikle GPS varlığında kestirim algoritması hatalarının ortalamaları ve covariance'ları, GPS'in gitmesi durumundaki kesitirm algortiması için yararlı olmaktadır. Ayrıca bu yöntemde hız değişimin sıfır veya sıfıra yakın olmasından yararlanılarak ivme bias'leri bulunmuş ve kalman algoritmasında kullanılmıştır. Üçüncü ve son yöntemde, hız ve pozisyon kesitirimi algoritmaları için alçak ve yüksek geçiren filtreler kullanılmıştır. Ayrıca, ikinci yöntemde kullanılan gerçek zamanlı bias hesaplanması, bu yöntemde de kullanılmıştır. Bu yöntemde hız ve pozisyon kestirim algoritmalarının yanısıra, rüzgar kesitim alogirtması da kullanılmıştır. GPS olması durumunda araçın rotasyonel açılarına göre belirlenen rüzgar yönü ve şiddetini, GPS'in gitmesi durumunda da konum tutuş algoritmasının iyileştirilmesi bakımından kullanılmıştır. GPS gitmesi durumunda araç hızını ve pozisyonunu belirtilen yöntemler ile yapacak ve hızını sıfıra çekerek olduğu konumda sürüklenmeden durmayı hedefleyecektir. Kullanıcı tarafından in komutu gelir ise araç olduğu yere inmeye çalışacaktır. Bu tez çalışması kapsamında geliştirilen 3 farklı yöntem üzerinde durulmuş ve hepsi uçuş verileri ile test edilmiştir. İçlerinden en iyi sonuç veren yöntem üzüerinden durulmuş ve uçuş testleri ile önerilen algoritma test edilmiştir. Testler iki farklı şekilde yapılmıştır. Öncelikle algoritmanın ne kadar verimli çalışrığının görülmesi bakımından GPS sinyal kayıbı simüle edilmiş, gerçekten sinyal kayıbı olmaması sağlanmıştır. Bu test ile GPS hız ve konum bilgileri, önerilen yöntemler ile kestirilen hız ve konum verileri ile karşıaştırılma yapılmıştır. Sonrasında GPS sinyal kesici kullanılarak, GPS verilerinin tamamen gitmesi sağlanmiş ve araç kestirilen hız ve konum verilerine göre kontrol edilmiştir. Yapılan test sonuçlarına göre, geliştirilem bütün yöntemlerin ortak sorunu olsa da hepsinin performansı farklıdır. IMU ile kesitirlen konumların kesitirm algoritmalarında çift katlı integraller kullanılmıştır. Bu yüzden hataların birikmesi uzun süreli kestirim allgoritmalarının yapılmasını zorlaştırmıştır. Kısa süreli GPS kayıplarında araça kırımdan koruyacak, hız ve pozisyon kesitirm algoritmaları gerçeklenmiş ve test edilmiştir.

Özet (Çeviri)

Last years, unmanned aerial vehicles (UAVs) are used in many areas such as mapping, search-and-rescue and visualization in civil and millitary applications. The number of companies that produce UAV increases with the expansion of their usage areas day by day. Parallel to this, UAV has reached large number of users. Also, last years the number of researchers work on UAV is increased. UAVs became very important for defense industry applications because they are autonomous and controlled remotely. Thus, the demand of UAV in terms of defense and security purposes in our contry and in the world is quite high. As increasing usage of UAVs in defense industry, the importance of complete their mission is vital. Also, UAVs should be durable to harsh environmental conditions. UAVs have many features such as hovering, go to targets, travelling between targets or go to home. With increasing demand and field of use of UAVs, new main desired fatures are increasing. Thus, these vehicles need some variaty of sensors, sensor filter, sensor fusion and fault tolerant algorithms. Additionally, sometimes sensors may be temporary or permanent outages due to hardware problems and environmental effects. In this outage scenarios, UAV must not lose its control to avoid a fall. UAVs which can be producted different shape and size can be controlled remotely or autonomous with the help of ground control station. UAVs need well-designed controllers to operate their task safety and avoid destructive effects. Sensor noieses may cause unstability. Because of that, real time controller and filter structure are used for system security. Moreover, sensor error and fusion algortihms have to be developed. The vehicle's rotational angles, angular velocities and accelerations are obtained with the help of the inertial measurement unit (IMU) sensor on the vehicles. Vehicle position is obtained with global positioning system (GPS), and vehicle speed can be measured with position changes. In this thesis, posisiton estimation algorithms were developed and implemented to handle short term GPS outages. GPS signals can be interrupted because of surronding hills, buildings or tree-lined environments. Also, as these vehicles are used for millitary applications, man-made jammers can be used to reduce GPS signals. In this situations, vehicle speed and position can be measured by vehicle accerations and oriantation angles which are obtained by others sensors. Sensors errors and noise should be filtered with low pass, high pass or kalman filters to estimate speed and position at short term GPS free enviroments. Also, wind estimation was made within this thesis. The developed algorithms which are described in this thesis have been verified with flight tests. According to the test results, one of the algorithm was chosen and was tested with GPS jammer. Then, GPS jammer was used during second tests to interrupt GPS signals. Test results and algorithm performance were evaluated within this study.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    851216

    İnsansız Hava Araçlarının Otokodlayıcı Derin Sinir Ağı Kullanılarak Arazi Temelli Navigasyon ile Konum Tespiti

    Location Detection of Unmanned Aerial Vehicles with Terrain-Based Navigation Using Autoencoder Deep Neural Network

    AHMET ERTUĞRUL ARIK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolÇukurova Üniversitesi

    Uzaktan Algılama ve Coğrafi Bilgi Sistemleri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NURİ EMRAHOĞLU

  2. Tez No

    510212

    Otonom araçların yön güdümünde PAF tabanlı EZKH yönteminin geliştirilmesi

    PFF based SLAM method development for autonomous vehicles' navigation

    EROL DUYMAZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ

  3. Tez No

    785627

    Image processing based navigation in aviation

    Havacılıkta görüntü işleme temelli seyrüsefer

    HASAN GENCO

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolYıldız Teknik Üniversitesi

    Aviyonik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. UFUK SAKARYA

    PROF. DR. VASFİ EMRE ÖMÜRLÜ

  4. Tez No

    767038

    A practical implementation of navigation and obstacle avoidance for quadcopters

    Dört pervaneli helikopterler için bir engelden kaçınma ve seyrüsefer uygulaması

    ONUR YILDIRIM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OVSANNA SETA ESTRADA

  5. Tez No

    873271

    İHA'lar için uçuş kontrol kartı tasarımı ve kalman filtre tabanlı uçuş konum kontrolü

    Flight control board design and kalman filter based flight position control for UAVs

    NUR KIKHIA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKonya Teknik Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖMER AYDOĞDU

Geri Dön