Geri Dön

Multi-quadcopter salvo attack system with impact time and angle control guidance algorithm based on polynomial trajectory and artificial intelligence

Yapay zeka ve polinom fonksiyonlu yörünge temelli etki zamanı ve açısı kontrollü güdüm algoritmasıyla çoklu dört pervaneli helikopter salvo saldırı sistemi

PDF İndir

  1. Tez No: 864198
  2. Yazar: FURKAN GÖKTUĞ AKBALIK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. GÖKHAN İNALHAN, DR. ÖĞR. ÜYESİ BARIŞ BAŞPINAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 125

Özet

Salvo atak sistemleri, modern askeri stratejilerin bir parçası olarak öne çıkan güçlü ve koordineli bir saldırı stratejisini temsil eder. Bu sistemler, genellikle füzelerle donatılmış bir dizi silahın, hedefe eşzamanlı olarak ve koordineli bir şekilde ateşlenmesini içerir. Bu strateji, savunma sistemlerini aşma veya bir hedefe yönelik etkiyi maksimum düzeye çıkarma amacı taşır. Füze tabanlı salvo atak sistemleri, geniş bir yelpazede kullanılabilir. Hem kara hem de deniz tabanlı uygulamalarda etkili olabilirler. Bu sistemler, geniş bir menzile sahip olduklarından, düşman savunma sistemlerini aşmak ve stratejik hedeflere ulaşmak için idealdir. Ayrıca, geniş açık alanlarda operasyonel olma yetenekleri, düşmanın tahmin edilebilirliğini azaltarak avantaj sağlar. Bu tür salvo atak sistemleri, modern savaş alanlarında çok yönlü bir rol oynayabilir. Örneğin, düşman hava savunma sistemlerini geçerek stratejik noktalara ulaşabilir, karışık hava sahalarında operasyon yapabilir veya deniz tabanlı hedeflere karşı etkili bir şekilde kullanılabilir. Hem savunma hem de saldırı stratejilerinde önemli bir rol oynayan bu sistemler, askeri doktrinlerin evrimine paralel olarak sürekli olarak geliştirilmektedir. Dört pervaneli helikopterler, havacılık alanında önemli bir evrimin ürünü olarak ortaya çıkmış olan çok yönlü hava araçlarıdır. Bu helikopterler, dört adet pervane ile donatılmış olup, pervanelerin düzenine bağlı olarak geniş bir koreografik hareket yeteneklerine sahiptir. Her bir pervane bağımsız olarak kontrol edilebilir, bu da helikopterin karmaşık manevralar gerçekleştirmesine olanak tanır. Dört pervaneli yapısı, helikoptere yüksek manevra kabiliyeti kazandırır. Bu özellik, dar alanlarda ve karmaşık ortamlarda operasyonları daha etkili kılar. Helikopter, çeşitli manevraları başarılı bir şekilde gerçekleştirerek hem hızlı bir şekilde ilerleyebilir hem de çeşitli engelleri aşabilir. Ayrıca, dört pervaneli helikopterler genellikle dış etkilere karşı dayanıklıdır. Sert hava koşullarında ve zorlu ortamlarda güvenilir bir performans sergileyebilme yetenekleri, bu hava araçlarını farklı görevlerde kullanılabilir kılar. Savunma, güvenlik, arama kurtarma, ve keşif gibi çeşitli alanlarda etkili bir şekilde görev yapabilirler. Dikey kalkış ve iniş yetenekleri, helikopterin sınırlı alanlarda hızlı bir şekilde operasyon yapabilmesini sağlar. Ayrıca, belirli bir noktada sabit durabilme özelliği, uzun süreli gözetleme veya belirli bir bölge üzerinde durma gerektiren görevlerde avantaj sağlar. Bu özellikler, dört pervaneli helikopterleri acil durumlar, arama kurtarma operasyonları, güvenlik görevleri ve diğer birçok uygulama için ideal kılar. Kompakt boyutları, bu helikopterlerin taşınabilirliğini artırır ve çeşitli operasyon ortamlarına adapte olmalarını sağlar. Dört pervaneli helikopterler, çeşitli ve gelişmiş sensör sistemleri ile donatılmış olmalarının yanı sıra kolay kontrol edilebilirlikleri sayesinde, dar ve engel içeren alanlarda etkili bir kullanım sağlar. Bu özellikleri, salvo atak sistemlerinde füzelerin yerine dört pervaneli helikopterlerin kullanılmasının bir dizi avantajını ortaya çıkarır. Öncelikle, bu helikopterlerin sensörleri, düşman hedeflerini tespit etme ve izleme konusunda yüksek hassasiyet sağlar, bu da daha önceden belirlenmiş hedeflere yönelik saldırıların doğruluğunu artırır. Ayrıca, dar alanlarda manevra kabiliyetleri, füzelerin ulaşması zor olan yerlere ulaşma yeteneğiyle birleşerek, düşman savunma sistemlerini etkili bir şekilde aşmalarına olanak tanır. Bunun yanı sıra, dört pervaneli helikopterlerin hava araçları arasında daha düşük profillere sahip olmaları, düşman radar sistemlerinden kaçma konusunda avantaj sağlar ve görevlerini daha gizli bir şekilde gerçekleştirmelerini mümkün kılar. Bu faktörler, dört pervaneli helikopterlerin salvo atak sistemlerinde füzelerin yerine kullanılmasının, operasyonların etkinliğini ve başarısını artırabilecek stratejik avantajlar sunabileceğini göstermektedir. Bu tez çalışmasında, dört pervaneli helikopterlerin dar alanlarda ve düşük irtifada sergiledikleri manevra kabiliyetleri üzerinden bir salvo atak sistemi tasarlanmıştır. Sistem, her konumda bulunabilecek bir hedefe, hava araçlarının kesişmeyen ve tahmin edilemeyen yörüngelerle aynı anda ulaşmayı amaçlamaktadır. Bu sistem, üç adet hava aracı ile tasarlanmıştır. Tam anlamıyla dört pervaneli helikopterlerin matematiksel modelinin oluşturulma aşamalarını içermektedir. Bu modele göre yüksek manevra kabiliyetini sergileyebilecek agresif bir kontrolcü modeli tasarlanmıştır. Tasarlanan kontrolcü ile klasik ivme kontrolcülerinden daha az hata ile yörünge takibi yapılabildiği kanıtlanmıştır. Salvo atak sistemlerinde hedefin önceden tahmin edilemeyen bir şekilde etkisiz hale getirilmesi, en önemli hedeflerden biridir. Bu amaçla, üçüncü dereceden yörünge fonksiyonu oluşturulmuş ve bu fonksiyon, Vuruş Zamanı ve Vuruş Açısı Kontrolü Güdüm (ITACG) algoritması modeline uygun bir şekilde tasarlanmıştır. Bir sonraki aşamada, vuruş zamanı ve vuruş açısı karar mekanizmasını yapay zeka ile birleştirilerek daha otonom bir sistem gerçekleştirilmiştir. Bu algoritmanın yapay zeka ile daha otonom hale getirmek için bir adım gösterme amacı sunulmuştur. Çalışmanın ilk adımında, üçüncü dereceden yörünge tasarımı yapılmıştır. Bu yörünge ile hedefin ön göremeyeceği takip hatları çıkarılması hedeflenmiştir. Yörünge den hava aracının alacağı girdi sinyalleri çıkartılmıştır. Bunlar hız, ivme ve konum değerleridir. Bu veriler Euler açıları ile doğru koordinat sistemine taşınarak kontrolcüye uygun hale getirilmesi gösterilmiştir. Yörünge elde edilmesi, vuruş açısına, başlangıçta dört pervaneli helikopterin açısına ve vuruş zamanına bağlı olarak literatüre uygun türetilmiştir. Bunun için Vuruş Zamanı ve Vuruş Açısı Kontrolü Güdüm (ITACG) temel alınarak Yörünge Şekillendirme metodu uygulanmıştır. Çalışmanın sonraki adımında, hava aracının matematiksel modeli en genel teorik ifadelerden dört pervaneli helikoptere özgün hale getirildi. Bu matematiksel model, lineer olmayan bir denklemdir. Sisteme kontrolcü tasarlanması için lineer modele indirgenmelidir. Lineer model için sistemin denge noktası bulunup lineer model çıkarılmıştır. Lineer model, ayrık zamanda çalışacak biçimde ardışık kontrolör geliştirilmiştir. Bu kontrolcü, ileri beslemeli bir mimariye sahiptir. Ardışık kontrolör ile klasik ivme kontrolcüsünden daha az hata payına sahip bir yörünge takibi yapıldığı gösterilmiştir. Bu tezin üçüncü adımında, yörünge girdileri olan vuruş zamanı, vuruş açısı ve başlangıç açısı yapay zeka temelli bir karar verme algoritmasıyla üretilmektedir. Bu algoritmanın çıkarılması gösterilmiş ve yapay zekanın eğitimi için gerekli verilen türetilme adımları anlatılmıştır. Bu tezde, yapay zeka ile yörünge oluşturma girdilerinin otonom hale getirilmesinde bir adım olması amaçlanmıştır. Karar verme algoritmasıyla hava araçları her noktadan başlatılabilir ve hedefin bulunacağı her noktaya göre kesişmeyen yörüngeler türeterek hedefe yönlenebilmektedir. Ayrıca, hepsi hedefe aynı zamanda ulaşmaktadırlar. Tezin son kısmında, salvo atak dört pervaneli helikopter sisteminin kontrolör çıktıları karşılaştırılmıştır. Kontrolcü karsayıları gösterilmiş ve adım referansına cevabı incelenmiştir. Yapılan iyileştirmeler sergilenmiştir. Çıkartılan yörüngeler sunulmuş ve yörüngelerden elde edilen kontrolör girdileri gösterilmiştir. Yörünge türetlirken girdilerine bağlı olarak yapılarının değişimi karşılaştırılmıştır. Vuruş açılarına,başlangıç açılarına ve vuruş zamanına göe incelenmişlerdir. Karar mekanizması kullanılarak sistem üç boyutlu olarak simüle edilmiştir. Üç hava aracı ile simülasyon gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçları grafiklerle gösterilmiş ve referans ile dört pervaneli helikopterlerin yörünge takibindeki performansları sunulmuştur. Hedefin hava araçlarına karşı önlerinde, arkalarında ve aralarında olma durumlarına göre koşullarda test edilmiş ve hedefe yönlendirmeleri gösterilmiştir.

Özet (Çeviri)

Salvo attack systems are one of the most important of Contemporary military defence systems.It is a type of coordinated and efficient offensive with firing missiles simultaneously by different weapons.These systems are used in land and sea field. Large scaled range of the systems overcomes enemy defences and impact strategic targets effectively. Quadcopters are known with four-rotor design. So, they have a capability of control independently each rotor. This property provide them with adaptable aerial abilities suitable for confined and complex environments. They are well-suited with vertical take-off and landing,endurance and versatility properties for various missions such as defence, security, search and rescue and exploration.Integrating quadcopters into salvo attack systems present benefits, such as precise sensors, increased manoeuvrability in confined spaces and the capability to evade enemy radar. Therefore, these advantages provide tactical efficiency and operational achievement. In this thesis, a salvo attack system has been designed based on a presentation of the maneuvering capabilities of quadcopters in confined spaces and at low altitudes. The system aims to simultaneously reach a target located at any position using non-intersecting and unpredictable trajectories of aerial vehicles.The system is developed with three aerial vehicles. Moreover, it includes the steps of creating a mathematical model for quadcopters. According to this model, it has been designed that an aggressive controller is capable of high maneuverability. The designed controller allows for trajectory tracking with less error compared to traditional acceleration controllers. In salvo attack systems, a crucial objective is to inactive the target in an unpredictable manner.For this purpose, a third-degree trajectory function has been established, and this function has been designed in accordance with the Impact Time and Angle Control Guidance (ITACG) algorithm model.In the next stage, the impact time and angle decision mechanism have been combined with artificial intelligence to achieve a more autonomous system. The presentation aims to illustrate the step of making this algorithm more autonomous through the integration with artificial intelligence. The first step of the study involves the design of a third-degree trajectory. The objective is to derive tracking lines that the target cannot foresee with this trajectory. Input signals for the aircraft have been extracted from this trajectory, which includes velocity, acceleration, and position values. These data have been transformed into the correct coordinate system by using Euler angles to make them suitable for the controller. Obtaining the trajectory has been achieved by applying the appropriate literature-derived method based on the Impact Time and Angle Guidance Control (ITACG), considering the collision angle, initial angle of the quadcopter, and collision time. The trajectory shaping method has been implemented accordingly. In the subsequent step of the study, the mathematical model of the aircraft was tailored from the most general theoretical expressions to be specific to a quadcopter. This mathematical model is a nonlinear equation. To design a controller for the system, it needs to be reduced to a linear model. The equilibrium point of the system for the linear model was found, and the linear model was derived. A discrete-time controller was developed for the linear model to operate in a discrete-time manner. This controller has a feedforward architecture. It has been demonstrated that trajectory tracking with the sequential controller results in less error compared to the classical acceleration controller. In the third stage of this thesis, an artificial intelligence-based decision-making algorithm is utilized to produce trajectory inputs, encompassing impact time, impact angle, and initial angle. The demonstration of extracting this algorithm and the elucidation of the steps required for training artificial intelligence are presented. The goal of this thesis is to advance toward autonomy in generating trajectory inputs through artificial intelligence. With the decision-making algorithm, aircraft can be initiated from any point, and non-intersecting trajectories can be formulated based on the target's location, effectively guiding them toward the target. Additionally, all aircraft achieve impact at the target simultaneously. In the final section of the thesis, an analysis was conducted on the controller outputs of the salvo attack quadcopter system, highlighting the displayed controller coefficients and examining the system's response to a step reference. The improvements implemented in the system were showcased, and trajectories were presented, revealing the corresponding controller inputs. A comparative evaluation of the system's behavior during trajectory derivation based on inputs was conducted, considering impact angles, initial angles, and impact times. Employing a decision-making mechanism, a three-dimensional simulation of the system was executed with three aerial vehicles. The simulation results were visually depicted through graphs, presenting the performance of quadcopters in trajectory tracking compared to the reference. The system was subjected to tests under conditions where it positioned itself in front of, behind, and among target aircraft, illustrating its effectiveness in guiding towards the target.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    816192

    Fused filament fabrication via multi quadcopter collaboration

    Çoklu dron işbirliğinde ergiyik filament ile imalat

    MATİN GHAZİANİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ULAŞ YAMAN

    DOÇ. DR. ALİ EMRE TURGUT

  2. Tez No

    637413

    Designing and modelling of single motor multicopter control system

    Tek motorlu multicopter kontrol sisteminin tasarımı ve modellenmesi

    ONUR ACAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Uçak MühendisliğiGaziantep Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İBRAHİM GÖV

    DOÇ. DR. MEHMET HANİFİ DOĞRU

  3. Tez No

    787454

    Collaboration of a flying robot and a ground vehicle by haptic interaction

    Uçan robot ve yer robotunun fiziksel etkileşim yoluyla işbirliği

    AYŞEN SÜHEYLA BAĞBAŞI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Mekatronik MühendisliğiTED Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ KUTLUK BİLGE ARIKAN

    DOÇ. DR. ALİ EMRE TURGUT

  4. Tez No

    692630

    Model predictive controller implementation to a multicopter for stability augmentations

    Model önsezili kontrol ile çok rotorlu hava aracı'nın kararlılığının iyileştirilmesi

    CANTÜRK SANAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Makine MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SELAHATTİN ÇAĞLAR BAŞLAMIŞLI

  5. Tez No

    553332

    Modeling and attitude control of a quadcopter using model predictive controller

    Dört rotorlu bir hava aracı modellemesi ve model öngörülü kontrolör ile yönelim kontrolü

    CEMRE ESEMEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AFİFE LEYLA GÖREN

Geri Dön