Model predictive control based cooperative pursuit evasion for uav
Model öngörü güdüm tabanlı sürü insansız hava araçları arasındaki angajman
- Tez No: 725944
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HAYRİ ACAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 53
Özet
Doğadaki birçok canlı teknolojik sistemlere ilham vermiştir. Uçak tasarımlarının kuşlardan esinlenmesi, şahinlerin başlarını çeşitli bozuntulara karşı stabil şekilde koruyabilmeleri buna güzel birer örnektir. Arılar, bakteriler, balıklar, kuşlarda görülen diğer dikkat çekici bir özellik ise sürü davranışıdır. Arılar sürü bir şekilde işbirlik sayesinde polen toplayarak bal yaparlar. Bakteriler keza yine sürü davranışı sergileyerek çeşitli besinlerin fermetesinde katkı sağlarlar. Sürü davranışı dikkatli bir şekilde incelendiğinde teker teker yapılan işlerin işbirliği ile topluca yapılarak daha verimli şekilde işlerin sonuçlanmasına katkıda bulunduğu görülmüştür. Bu davranış modelinin sadece doğa da değil teknolojik gelişmelerde de etkisi görülmektedir. Yüzlerce küçük drone'lar ile görsel ışıklı etkinliklerin yapılması, binlerce uydu ile tüm dünyaya internetin ulaştırılması, yine çoklu küçük robotlar ile büyük bir alanın temizlenmesi. Havacılıkta da yakın zaman da bunun esameleri gözükmüştür. Baykar TB2'lerin hava muharebe saldırısında sürü şeklinde kullanılması bunun güzel örneklerinden bir tanesidir. Ancak tüm bu gelişmelere rağmen, hava savunma sistemlerinin çoklu veya toplu hava saldırılarına karşı halen maliyet anlamında efektif bir çözüm getiremediği görülmektedir. Hava savunma sistemleri maliyet anlamında çok efektif olmayan ve her fırlattığı roket başına ciddi bir maddi götürüsünün olduğu aşikardır. Sürü hava ataklarına karşı savunma zaafiyetinin sağlayıp sağlayamadığı ise halen büyük bir soru işaretidir. Bir hava sahasına gönderilebilecek yüzlerce belki de binlerce hava aracı veya mini drone'lar ile radar sistemlerinin rahatlıkla şaşırtılarak bir savunma zaafiyeti oluşturacağı kolaylıkla öngörülebilir. Bu tez hava savunmasının sürü mini drone veya hava araçları ile yapılabilebileceğini gösteren çalışmaları sunmaktadır. Yapılan araştırmalar sonucunda bu şekilde geçmişte bir çalışmanın örneğine rastlanmamıştır. Hava savunmasına girecek olan hava araçlarının sürü insansız hava araçları ile otonom şekilde takip edilmesi ve hava da imhasını mümkün kılmasını amaçlamaktadır bu çalışma. Hava savunmasına giriş yapan insansız hava aracının belli bir bölgeyi vuracağı varsayımı üzerinden bu bölgenin belirli bir alan içerisindeki hava mücadelesi üzerinden hava araçları ile korunması planlanmaktadır. Düşman hava aracının otonom şekilde takip edilip imha edilmesinde pilotların davranışından esinlenilmiştir. Usta pilotlar hava muharebesinde bire bir veya ikiye bir gibi hava hava saldırılarında karşı uçağı avlamak veya takip etmek istediklerinde hava da diğer uçağa karşı bir üstünlük kazanmak istediğinde kaşı hava aracın anlık hava daki konumundan ziyade belli bir süre sonra varmasını düşündüğü bölgeyi tahmin ederek ona göre kendi hava aracını o bölgeye doğru yönlendirmektedir. Böylelik takip eden uçağa bu hava muharebesinde avantaj sağladığı görülmektedir. Burada kaçan hava aracının da yönelim davranışı bu anlamda önem arz etmektedir. Buna yönelik çalışmaların DARPA'nın çeşitli projelerinde halen çözülmeye çalışıldığı bilinmektedir. Bu çalışma, belli bir bölge içinde savunulacak yerin hava savunmasının sürü hava araçları ile efektik olarak yapılmasını sağlayacak sistemin tasarım ve modelleme çalışmalarını içermektedir. Hava sahasına sızdığı düşünülen rakip hava araçlarının, dost hava araçları ile sürü şekilde takip edilirken kaçmasının modellenmesi, güdüm edilecek hava sistemlerinin doğruluğu ve sağlamlığı açısından büyük önem arz etmektedir. Rakibin stratejisi öngörülebilir çerçeve de tahmin edilebilirse takip edecek sistemlerin güdüm maliyet ve efektifliği de o oranda artacaktır. Bu nedenle takip-kaçma problemine oyun teorisi ile yaklaşılarak bu durumun ele alınması düşünülmüştür. Böylelikle kaçmaya çalışan hava aracının yönelim stratejisinin ele alınarak takip edecek hava sistemlerinin güdümü planlanmıştır. Oyun teorisi ile karşı hava aracın ve güdüm edilen sistemin yönelimlerinin modellenip tahmin edilerek güdüm edilmesinde model öngörülü kontrol mantığı düşünülmüştür. Model öngörülü kontrol diğer kontrol methodlarına göre gelecek zaman yönelimlerini de hesaba katıp kontrol etmesini imkan sağlaması ile bu problemin çözümünde daha uygun olduğu görülmüştür. Bu methoda göre bir maliyet fonksiyonu ve çeşitli kısıtlamalar ile her zaman adımında gelecek zaman adımları da dahil edilerek bir optimizasyon hesaplaması yapılmaktadır. İlk aşamada bire-bir hava mücadelesi oyun teorisi üzerinden takip-kaçma'sı modellenmiştir. Rakip hava aracı çeşitli kısıtlar ile içerisindeki standard bir kontrol sistemi ile güdüm edilirken, güdüm edilen dost hava aracı lineer olmayan model öngörülü kontrol yöntemi ile güdüm edilmiştir. Lineer olmayan model öngörülü kontrol methodu hava aracına olan mesafesi gibi çeşitli parametreler üzerinden oluşturulan maliyet fonksiyonu ve kısıtlar ile karşı rakibin gelecek adımlarının oyun teorisi üzerinden model öngörülü kontrol methodu ile optimizasyon hesaplaması sonucunda güdüm edilerek bir tasarım oluşturulmuştur. Lineer olmayan optimizasyon algoritmalarının gömülü elektronik işlemcilerindeki hesaplama kısıtlamasından ötürü bir ileri aşama olarak konveks olmayan maliyet fonksiyonu ve kısıtlamaların konveksleştirilerek konveks optimizasyon problemine dönüştürülmesine karar verilmiştir. Konveks optimizasyon algoritmalarının işlemcilerde hesaplamaları mili saniyelere düştüğünden dolayı sunulan çözümün ileri de gerçeklenmesine zemin hazırlamıştır. Böylelikle güdüm edilen hava aracının anlık olarak üzerindeki gömülü sistem üzerinden otonom şekilde güdüm edilerek takip edilmesine imkan sağlanmıştır. Yapılan araştırmalarda, geçmişte ve şuan da bu konuda yapılan çalışmalar da görülmektedir ki henüz bu tarz amaçla güdüm edilmek istenen sistemlerin çevrimiçi çalışmasına imkan sağlayacak bir sonuç görülmemiştir.
Özet (Çeviri)
This thesis proposes game theoretically model predictive control based guidance approach for pursuit-evasion problem of uav's. The main idea is that guided swarm uavs pursue towards to adversary uav which evade to survive as long as possible. Game theretical approach of pursuit-evasion is based on designing the cost functions for each pursuer to converge adversary evader. Proposed approach is examined as decentralized. Therefore, each pursuer can be able to handle its mission independently without being affected by the other pursuer. Main contribution is the formulation of swarm pursuit-evasion problem as the game theoretical which can enable to develop optimization-based algorithms that bring superior strategies to pursuers for one-to-one, two-to-one scenarios during the air combat. This work proposes an algorithm to enhance applicability of the game theoretic non-convex model predictive control problems on real-systems that have nonlinear controland state constraints. Proposed algorithm provide model predictive control based guidance system which orientate the pursuers according to the evaders dynamics and positions. Nonlinear constraints are convexified along the finite-horizon time without loss of generalityin successive linearizations. After discretization of dynamics, sub-optimal convex problem can be applied in model predictiveconcept for time-critical scenarios such as collaborative pursuit-evasion of aerial vehicles.
Benzer Tezler
- Piyasa kuramı üzerinden Türkiye'de konut üretiminin ele alınması
Tackling housing production in Turkey through market theory
BERKAY OSKAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
MimarlıkYıldız Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CANDAN ÇITAK
- Modeling of the marine diesel engines with comparative machine learning methodologies
Gemi dizel motorların karşılaştırmalı makine öğrenmesi yöntemleri ile modellenmesi
MEHMET İLTER ÖZMEN
Doktora
İngilizce
2024
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL
- Cooperative adaptive cruise control algorithms for vehicular platoons based on distributed model predictive control
Araç konvoy sistemleri için dağıtılmış model öngörülü kontrole dayalı işbirlikçi uyarlamalı seyir kontrol algoritmaları
TUĞBA TAPLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET AKAR
- Design, implementation and analysis of wireless model based predictive networked control system over cooperative wireless network
İşbirlikli kablosuz ağ bağlantılı modele dayalı öngörülü kontrol sistemi
MEHMET ALPHAN ULUSOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR GÜRBÜZ
YRD. DOÇ. DR. AHMET ONAT
- A human driver model for autonomous lane changing in highways: Predictive fuzzy Markov game driving strategy
Başlık çevirisi yok
SERDAR COŞKUN