Geri Dön

A practical implementation of navigation and obstacle avoidance for quadcopters

Dört pervaneli helikopterler için bir engelden kaçınma ve seyrüsefer uygulaması

PDF İndir

  1. Tez No: 767038
  2. Yazar: ONUR YILDIRIM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. OVSANNA SETA ESTRADA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 79

Özet

Batarya teknolojilerindeki ilerlemeler, güç ağırlık oranı yüksek fırçasız doğru akım motorlarının üretilebilmesi ve ilerleyen sensör teknolojileri sayesinde İnsansız Hava Araçları (İHA) günümüzde tarım, savunma sanayi, yangın söndürme, gözetleme, ilk yardım ve faydalı yük taşıma gibi birçok alanda kullanılmaktadır. İHA'ların en önemli özellikleri yüksek manevra kabiliyeti, küçük boyutları ve otonom olarak görev yapabilmeleri olarak sıralanabilir. İHA'lar sabit kanatlı ve döner kanatlı olarak iki ana kategoride incelenebilir. Sabit kanatlı İHA'lar uzun menzil ve yük taşıma kabiliyetleri nedeniyle tercih edilirken döner kanatlı İHA'lar dikey kalkış iniş yeteneği, havada asılı kalabilmesi ve boyutları nedeniyle tercih edilmektedir. Dört pervaneli helikopterler de döner kanatlı kategorisine giren İHA tiplerindendir. Birçok şirketin çeşitli uygulamalar için geliştirmiş olduğu ürünler günümüzde kolayca ulaşılabilmektedir. Ayrıca savunma sanayisinde gözetim, savunma ve saldırı görevleri için kullanımları yaygınlaşmıştır. Bu tarz araçlar uzaktan kontrollü şekilde veya otonom olarak kullanılabilmektedir. Uzaktan kontrol edilebilen sistemlerde operatör, Yer Kontrol İstasyonu (YKİ) üzerinden kablosuz şekilde veri alışverişi yardımıyla kontrolü gerçekleştirilebilmektedir. Fakat bu sistemlerde veri alışverişinde kesinti olması durumlarında bu araçların kaza ve kırımla karşılaşma olasılığı yüksek bir durumdur. Ayrıca bu araçların savunma sistemlerince sinyal karıştırma yöntemleriyle şaşırtılması da bu araçlar için tehlike arz eden durumlardandır. Bu yüzden bu tarz cihazların otonom karar verme, sensör gürültüleri ve bozuculara dayanıklı tasarımı önem arz etmektedir. Ayrıca dört pervaneli helikopter otonom görev sırasında bilinmeyen bir güzergahta uçuş yaparken önüne çıkan engellere çarpabilmekte ve görevini tamamlayamadan kırıma uğrayabilmektedir. Bu durumları önlemek amacıyla aracın çevresel farkındalığını arttırmak için ultrasonik engel sensorleri, iki boyutlu lidarlar ve kameralar kullanılabilmektedir. Bu sensörlerden gelen veriler seyrüsefer yazılımında işlenerek görev sırasında bir engelle karşılaşılması durumunda hava aracının durması, engelin etrafından dolaşması ya da kullanıcıyı bilgilendirip manuel kontrolü ele alması sağlanabilmektedir. Bu çalışmada bir dört pervaneli helikopter donanımı ve alt ve üst seviye yazılımı geliştirilmiştir. Öncelikle donanım olarak kullanılacak motor, sürücü pervane ve gövde seçimi yapılmıştır. Bu parçalar birleştirildikten sonra mikroişlemci seçilmiş ve gerekli olan ataletsel ölçüm birimi, manyetometre, barometre sensörleri ile donanım oluşturulmuştur. Bilgisayar ile haberleşme ve veri aktarımı için radyo alıcı verici ve bluetooth modül kullanılmıştır. Manuel kontrol için radyo kontrollü uzaktan kumanda kullanılmıştır. Uçuş kontrol yazılımında çeşitli uçuş modları bulunmaktadır. Bunlar, kumanda ile açı kontrollü manuel uçuş, kumanda ile açısal hız kontrollü manuel uçuş, kumanda ile dikey hız kontrolü ve açı kontrollü uçuş, kumanda ile GPS yatay ve dikey konum kontrollü uçuş, otonom kalkış, otonom eve dönüş, otonom acil iniş ve otonom hedef takibi olarak sıralanabilir. Yazılımda öncelikle mikroişlemci saat ve çevresel birim ayarları yapılmıştır. Daha sonrasında sensör sürücü yazılımları oluşturulmuştur. Kullanılan sensör türüne göre kalibrasyon algoritmaları eklenmiştir. Dönüölçer sensörü açısal hız bilgisi vermektedir. Hareketli durumda sensör yanıtı düzgün olarak alınabilmektedir ancak bu sensör sabit halde iken çıkışında hareket varmış gibi çıktı vermekte ve kalıcı durum hatasına sebep olmaktadır. Bu durum araç her uçuş öncesi iki saniye boyunca sensör verilerinin toplanıp kalibre edilmesi ile giderilmiştir. İvmeölçer sensörü doğrusal ivmeyi ölçmektedir. Bu sensör eksenleri arasında aynı uyarılara farklı cevaplar vermektedir. Bu durum her üç eksende yer çekimi ivmesini pozitif ve negatif olarak ölçerek elde edilen veriler sayesinde kalibrasyon uygulanarak çözülmesi önerilmiştir. Manyetometre sensörü manyetik alan ölçümü yapmaktadır. Bu sensör de ivmeölçer gibi eksen kaçıklığı problemi yaşamaktadır. Eksen kaçıklığı problemine yakında bulunan ferromanyetik nesneler ve akım taşıyan kablolar neden olmaktadır. Bu nedenle manyetometre sensörü kullanılacağı ortama montajlandıktan sonra kalibre edilmelidir. Kalibrasyon, sensörü tüm eksenleri etrafında her yönde çevirerek sensör verilerinin toplanması ve toplanan verilerin kalibrasyon algoritmasında kullanılması ile gerçekleştirilmiştir. Sensörlerden gelen veriler doğrudan yazılımda kullanılamamaktadır. Bu nedenle sensör füzyonu algoritmaları oluşturulmus ve veri doğruluğu iyileştirilerek hatalar azaltılmıştır. Konum verisi GPS ve ivmeölçer verilerinin füzyonu ile iyileştirmiş ve güncelleme hızı yükseltilmiştir. Dikey hız verisi barometre ve ivmeölçer füzyonu ile hızlandırılmış ve güvenilirliği arttırılmıştır. Dönüölçer ve ivmeölçer verileri füzyonu ile açı bilgisi hesaplanması iyileştirilmiştir. Dört pervaneli helikopterin kontrolü amacıyla PID kontrolcüler basamaklı olarak kullanılmıştır. Standart PID kontrolcü yapısı iyileştirilmiş ve sayısallaştırılarak yazılıma entegre edilmiştir. Tutum kontrolü için altı, pozisyon ve hız kontrolü için yedi olmak üzere toplamda on üç PID kontrolcü kullanılarak dört pervaneli helikopterin tutum ve pozisyon kontrolü gerçekleştirilmiştir. Üst seviye navigasyon yazılımında ise quatrotor ile yol planlama ve engelden kaçınma yöntemleri üzerine çalışmalar yapılmıştır. Yol planlama yöntemleri bir noktadan hedef noktaya ulaşabilecek yolların ve ziyaret edilmesi gereken noktaların planlanmasına verilen addır. Kapsayıcı yol planlayıcılar İHA'lar ile tarımsal ilaçlama için uygun yöntemlerdir. Bu yöntemler verilen yol aralığında (örn. İHA ile ilaçlamada ilaçlama bölgesi genişliği) belirli bir alanda ziyaret edilmemiş alanın kalmaması için yollar planlamak için kullanılırlar. Bu yöntemler genelde sarmal şeklinde belirli aralıkta yollar oluşturur ve bu yollar İHA'lar tarafından takip edilir. Buradaki en büyük sorun ise ortamın detaylı haritasının elde edilmesinin zor ve masraflı olmasıdır. Tarama alanının içerisinde bulunan engeller (ev, ağaç, direk vb.) İHA'lar için risk teşkil etmektedir. Bu tarz durumlarda engelden kaçınma ve lokal planlama yöntemleri sıklıkla kullanılmaktadır. İHA'larda lokal planlama ve engelden kaçınma yöntemleri ile engellerden belirli bir mesafede kaçınmak mümkün olmaktadır. Fakat bu görevi gerçekleştirmek için algılayıcılara ihtiyaç duymaktadırlar. Maliyetlerinin ve ağırlıklarının düşük olması sebebiyle iki boyutlu lidar algılayıcıları hava ve kara araçlarında sıklıkla kullanılmaktadır. Bu çalışmada engelden kaçınma ve yol takibi icrası için yol planlama çalışmalarından ilham alınarak yeni bir engelden kaçınma yöntemi önerilmiştir. Bu yeni önerilen yöntem, olasılıksal köpük yöntemi (PF) tabanlı çalışmaların lokal planlamaya uyarlanması ile gerçekleştirilmiştir. Yöntemin hız, efektiflik ve engelden kaçınma performansı diğer yöntemlerle karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmalarda ortalama planlanan yolların uzunluğu, hesaplama süresi ve örnekleme efektifliği açısından avantajlı olduğu kanıtlanmıştır. Bu bulgular ışığında Kapsayıcı yol planlayıcı kullanarak oluşturulan yolların üzerinde simülasyon ortamında engeller yerleştirilerek yöntemin sonuçları gözlemlenmiştir. Unreal fizik motoru üzerinde yapılan farklı engel yoğunluklarına sahip dört farklı ortamda yapılan testlerde yöntemin engelden kaçınma ve yolu takip etme davranışları incelenmiştir. Bu bilgiler ışığında önerilen AHPF yönteminin efektif, güvenli yol üretme ve yol takip görevlerinde kullanılabilecek potansiyeli olduğu kanıtlanmıştır. Hesaplama süresinin oldukça kısa olması da bu yöntemimin gömülü sistemler üzerinde çalışmasını mümkün kılmaktadır. Sonraki çalışmalarda bu engelden kaçınma yönteminin gömülü bir sistem üzerinde denenmesi planlanmaktadır.

Özet (Çeviri)

Robotics is a multidisciplinary science field which includes the design, production and usage of robots. Robotic systems consist of robots and other devices and systems used with robots. Nowadays, robots are primarily used in the military, agriculture, food packaging and production sector. The robots that are used in these sectors increase productivity and automate the process, as well as work in areas that can be harmful to humans. The ability to be used in many areas and the surveillance capability of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) increases its popularity, therefore increasing its usage in these sectors. UAVs can be defined as a type of aircraft with a thrust system, can be operated with a remote controller, and has a payload capacity. UAVs can be divided into two main categories: fixed-wing types and multi-rotor UAVs. Quadcopters can be described as multi-rotor UAVs with vertical takeoff capability. These UAVs use four actuators and navigate in a 3D coordinate system. These vehicles have six degrees of freedom which, three of them represents x,y and z axes and other three are rotation around these axes. The advancements in rare earth magnets made it possible to develop very lightweight but powerful BLDC motors. Advancements in battery technology enabled high power density batteries. With the help of MEMS technology, lightweight and fast sensors have become accessible, leading to quadcopters becoming a prevalent research topic. A Quadcopter consists of motors, ESCs, battery and autopilot hardware with sensors and a microcontroller to run flight control and navigation software. Flight control software runs on an embedded microcontroller and calculates the motor output by processing the sensor data and the reference input. In teleoperated systems, these inputs are generated by the operator via Ground Control Stations (GCS). In autonomous systems, high-level navigation software gives reference inputs to the flight controller, and flight control software gives sensor readings and quadcopter state to high-level navigation software. The software is designed in a way that operator can always take over the control of the aircraft in all flight modes in case of any failure or controller problem, ensuring the safety of the development platform. In this thesis, a quadcopter is built, and low-level and high-level software is developed. First, the necessary hardware, electronic modules and sensors for a quadcopter setup are determined. After building the development platform, sensor drivers and calibration software are developed for the NUCLEO-H7A3 development board. The gyroscope sensor is calibrated to get more accurate angular velocity readings. The accelerometer is calibrated and filtered to remove misalignment errors from the sensor data. The magnetometer sensor is calibrated to eliminate hard and soft iron effects. These calibration stages are crucial for the filtering algorithm. A robust quadcopter attitude estimation is achieved by fusing calibrated GPS, accelerometer, barometer and gyroscope readings. In order to control the quadcopter for attitude, position and velocity tracking, a cascaded PID controller structure is used. The attitude control of the quadcopter is achieved using six cascaded PID controllers, and the position control of the quadcopter is performed using seven cascaded PID controllers. In total, thirteen PID controllers are used in the flight control system. The controller performance is tested on the platform with different references. Online planning and replanning methods are commonly used in unknown or dynamic environments to ensure path safety. As high-level navigation and obstacle avoidance software, a novel local path replanning algorithm is proposed. The probabilistic Foam (PF) idea is adapted for reactive planning tasks. Probabilistic Foam infrastructure is selected for several reasons. Firstly, these types of planners are lightweight, and secondly, they ensure collision-free path generation. But they don't guarantee path length optimality. In this work, the latest achievement on the PF idea was further improved and adapted to local planning tasks. It is proved that this algorithm produces shorter paths and more lightweight than alternatives by conducting qualitative and quantitative tests. This algorithm is also tested as a local planner on coverage path tracking and 2D obstacle avoidance tasks designed for a quadcopter in a realistic simulation environment.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    879700

    Development of a mobile robot performing transport implementations in a manufacturing plant

    Bir üretim tesisinde taşıma uygulamalarını yerine getiren bir mobil robotun geliştirilmesi

    NESLİHAN DEMİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Makine MühendisliğiAydın Adnan Menderes Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. PINAR DEMİRCİOĞLU

    PROF. DR. İSMAİL BÖĞREKCİ

  2. Tez No

    397130

    Çoklu otonom insansız hava araçları için paralel programlama tabanlı yol planlaması

    Parallel programming based path planning for multi autonomous unmmaned vehicles

    ÖMER ÇETİN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolHava Harp Okulu Komutanlığı

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜRAY YILMAZ

  3. Tez No

    677397

    İstanbul Boğazı deniz trafiği için kuyruk teorisi uygulaması ve süreç optimizasyonu

    Queueing theory application and process optimization for Istanbul Strait sea traffic

    İSMAİL KARACA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Denizcilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma İşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZCAN ARSLAN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER SÖNER

  4. Tez No

    722191

    Akıllı hareketlilik ve engelsiz erişimde yön bulma teknolojileri: Bir veri modeli önerisi

    Wayfinding in smart mobility and barrier-free access: A data model proposal

    ÇİĞDEM AKDEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kentsel Tasarım Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HATİCE AYATAÇ

  5. Tez No

    394647

    Özelleştirme perspektifinden kılavuzluk ve römorkaj hizmetleri

    Pilotage and towage services issues from the privatization perspective

    HAMZA TAŞKESER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    DenizcilikZirve Üniversitesi

    Kamu Hukuku Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ALPTEKİN AKTALAY

Geri Dön