Geri Dön

Aerial link orchestration

Hava bağlantılarının düzenlenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 895407
  2. Yazar: BÜŞRA BAYRAM
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN SEÇİNTİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Computer Engineering and Computer Science and Control
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 65

Özet

İnsansız Hava Araçları (İHA'lar), yaygın olarak dronlar olarak bilinen bu araçlar, modern teknolojide önemli bir yer tutmaktadır. Askeri, sivil ve ticari alanlarda yaygın kullanımı ile günümüz teknolojilerine hızla entegre olmuştur. Askeri uygulamalarda İHA'lar, keşif ve gözetleme, hedef tespiti ve imha operasyonlarında kritik bir rol oynamaktadır. Sivil ve ticari alanlarda ise tarımda mahsul izleme, afet yönetiminde kurtarma operasyonları, altyapı denetimleri ve haritalama gibi çeşitli görevlerde kullanılmaktadır. Bu geniş kullanım yelpazesi , birçok görevin etkin bir şekilde yerine getirilmesi için sağlam iletişim sistemlerinin, kablosuz ve kapsama alanı geniş sistem mimarilerinin ve güçlü uzaktan algılama sistemlerinin entegrasyonunu gerektirmektedir. İHA'ların bu geniş kullanım alanları, düşük maliyetleri, yüksek manevra kabiliyetleri, uzaktan kumanda edilebilme yetenekleri ve çeşitli sensör ve kameralarla donatılabilmeleri sayesinde mümkün olmaktadır. Donanımlarının esnekliği, dronlarla kurulan test ortamlarının çeşitliliğine izin verirken, farklı modüllerin entegrasyonu bu çeşitliliğin uygulanmasını destekler. Böylece dron mimarilerine istenen devre ve sensörler eklenerek özel donanım tasarımına sahip, çeşitli teknolojileri destekleyici ve farklı görevleri yerine getirebilecek kapsamlı dron sistemleri oluşturulabilir. Ancak, bu görevlerin başarıyla gerçekleştirilebilmesi için İHA'ların güvenilir ve kesintisiz sürdürülebilen iletişim sistemlerine sahip olmaları gerekir. Güvenilir iletişim sistemleri, İHA'ların uzaktan kumanda edilmesini, uçuş sırasında toplanan verilerin gerçek zamanlı olarak iletilmesini ve İHA'nın durumunun sürekli izlenmesini sağlar. İletişim sistemlerinin sağlamlığı, özellikle uzun menzilli uçuşlar veya karmaşık görevler sırasında hayati öneme sahiptir. İHA'lar, yer kontrol istasyonları ile sürekli bir veri alışverişi içinde olmalı, komutları hızlı bir şekilde alıp uygulayabilmeli ve elde edilen verileri güvenilir bir şekilde iletebilmelidir. Bu, hem güvenlik hem de görev başarısı açısından kritik bir unsurdur ve çift yönlü ve kesintisiz yüksek kalitede bir iletişim mimarisi gerektirir. Drone haberleşme sistemlerinde, radyo tabanlı sistemlerden hücresel ve uydu tabanlı yaklaşımlara kadar birçok teknoloji literatürde mevcut olmakla beraber, gerek doğrudan görüş hattı gerektirmeleri, gerekse menzil ve kapsama alanı kısıtları, maliyet ve enerji tüketimleri ya da engellerden kaynaklı sinyal kırılması ve zayıflaması gibi nedenler, bu teknolojilerin aktif kullanımında çeşitli kısıtlamaları beraberinde getirmektedir. Bu noktada, Yazılım Tanımlı Radyo (SDR) teknolojisi devreye girmektedir. SDR'ler, radyo iletişiminin yazılım aracılığıyla tanımlanmasını ve yönetilmesini sağlar; bu da frekans, modülasyon ve diğer parametrelerin esnek bir şekilde ayarlanabilmesine olanak tanıyarak çevresel koşullara ve operasyonel gereksinimlere göre iletişim sistemlerinin dinamik olarak ayarlanabilmesini mümkün kılar. Böylece SDR'lerin kullanımı, radyo spektrumunun daha etkin bir şekilde kullanılmasına ve farklı iletişim ihtiyaçlarına hızlı bir şekilde yanıt verilmesine olanak tanır. Ancak SDR haberleşme sistemleri, bazı parametre ve dinamiklerden etkilenir. Bu etkileyici unsurlar, radyo tabanlı olmanın getirdiği anten konumu ve yönü gibi donanım kısıtlamaları olabileceği gibi gürültü, menzil, frekans ya da örnekleme değerleri gibi yazılım kısıtlamaları da olabilir. Bu kısıtlamaların üstesinden gelmek için yeni ve geliştirici teknolojilere ve uygulamalara ihtiyaç vardır. Dijital İkiz teknolojisi, fiziksel bir varlığın dijital bir kopyasını oluşturarak onun davranışlarını ve performansını simüle etmeye olanak tanır. İHA'ların Dijital İkizleri, uçuş operasyonlarının daha güvenli ve verimli bir şekilde planlanmasını, test edilmesini ve optimize edilmesini sağlar. Dijital İkizler, İHA'ların gerçek zamanlı olarak izlenmesinin mümkün olmadığı koşullarda , analiz edilmesini ve performanslarının iyileştirilmesini mümkün kılar. Uçuş öncesi simülasyonlar, potansiyel sorunların önceden tespit edilmelerine ve risklerin azaltılmalarına yardımcı olur. Bu izleme süreçleri, İHA'ların uçuş sırasında topladığı verilerin değerlendirilmesini ve bu verilere dayalı karar alma mekanizmalarının geliştirilmesini sağlar. Örneğin, hava koşullarındaki değişiklikler, batarya durumu veya yük değişiklikleri gibi parametreler izlenerek, uçuş stratejileri optimize edilebilir. Sonuç olarak, Dijital İkizlerin entegrasyonu, İHA'ların operasyonel verimliliğini artırırken, güvenlik standartlarını da yükseltmektedir. Bilindiği üzere, İHA'ların çalışma ortamları, gerçek dünya koşulları ve özellikle hava durumu gibi birçok etkileyici faktöre sahiptir ve bu faktörler, İHA'lar ile oluşturulan tüm sistem performanslarını etkiler. Dijital İkiz teknolojisi sayesinde, İHA'ların çeşitli senaryolarda nasıl performans göstereceği önceden simüle edilebilir, olası sorunlar tespit edilerek çözümler geliştirilebilir ve dış etkenlere karşı İHA'lar daha soyut ve korunaklı hale getirilebilir. İHA'ların modern teknolojideki önemi ve geniş kullanım alanları, güvenilir iletişim sistemlerine, SDR teknolojisine, Dijital İkiz entegrasyonuna ve türevlerine sahip olmalarını zorunlu kılmaktadır. Bu teknolojilerin kombinasyonu ve entegrasyonu, İHA'ların çeşitli görevlerde etkin bir şekilde kullanılabilmesini ve operasyonel verimliliğin artırılmasını sağlar. Bu bağlamda, bu tez çalışması, İHA'ların iletişim kalitesini ve operasyonel performansını artırmayı; SDR teknolojisinin esnekliğini kullanarak iletişim sistemlerini optimize etmeyi; ve Dijital İkiz teknolojisi ile operasyonları daha güvenli, dış dünya etkilerine daha duyarlı, korunaklı ve verimli hale getirmeyi hedeflemektedir. İHA'lar ile yerdeki SDR'lar arasında yüksek veri iletimini sağlamak için farklı modülasyon tekniklerini kullanarak optimum kodlama ve modülasyon değerlerini öneren bir yaklaşım sunuyoruz. Ayrıca, yaklaşımımız, İHA'nın uçuş parametrelerini SDR iletişimine eş zamanlı olarak MAVLink bağlantısı üzerinden aktararak zaman uyumu sorununu çözmeyi garanti eder ve 'train on day, test on another day' (bir gün eğit, diğer gün test et) yaklaşımını benimseyerek dijital ikiz modelinde optimize edilmiş iletişim parametrelerini belirler. Bu süreçte, İHA'nın farklı uçuş pozisyonları, titreşim düzeyleri, hız değerleri ve yükseklik gibi değişkenlerin ideal Paket Teslim Oranı (PDR) üzerindeki etkinliğini değerlendirir ve elde edilen verileri MCS (Modülasyon ve Kodlama Şeması) tablosunu güncellemek için kullanır. Dron ve yer kontrol düzlemi arasındaki tüm iletişim sistem mimarisi, GNU Radio kullanılarak oluşturulmuştur. İletişim sağlanması için hem alıcı hem de verici tarafında özel bloklar Python dilinde kodlanmış ve GNU Radio modülleri arasına eklenmiştir. GNU Radio, açık kaynak kodlu radyo haberleşmesinde kullanılan, radyo uygulamalarını yazılım tanımlı programlamaya olanak tanıyan ve kullanıcıya kolay kodlama ile kendi özel bloklarını oluşturma imkanı sunan bir yazılım geliştirme platformudur. GNU Radio kullanılarak geliştirilen SDR arasındaki iletim ve alım blokları sayesinde, yer istasyonu tarafında Raspberry Pi ve LimeSDR ile alıcı, İHA üzerinde ise Pixhawk FMU ile entegre edilen Raspberry Pi ve LimeSDR ile verici fonksiyonları başarıyla gerçekleştirilmiştir. Önerilen metodoloji, gerçek dünya senaryolarında özel olarak oluşturulan dron test yatağı üzerinde farklı uçuş senaryoları ve ortamlarında test edilerek sistemin bütünlüğü ve doğruluğu kanıtlanmıştır. Tüm testler, eş zamanlı olarak uçuş izleme uygulaması QGroundControl üzerinden izlenmiş ve manuel kontrol ile uçuş güvenliği sağlanmıştır. Bu çalışma, drone iletişim sistemlerinin performansını artırmayı; performansı etkileyen hava ve ortamsal parametreler ile drone uçuş parametrelerinden etkileyici parametreleri belirlemeyi; ve mevcut statik modülasyon ve kodlama şemasını güncelleyerek yüksek iletim oranı ile kesintisiz ve güçlü haberleşmeyi sağlayacak optimum parametreleri belirlemeyi amaçlamaktadır. SDR teknolojisinin esnekliği, İHA'ların çeşitli operasyonel koşullara hızlı adaptasyonunu mümkün kılarak, dijital ikiz teknolojisi ile önceden simülasyonlar yaparak operasyonel verimliliği optimize etmeyi hedefler. Önerilen yöntem ve sistem mimarisini gerçek dünya koşullarında test ederek sistemin uygulanabilirliğini ve performans değerlendirmesini kapsamlı bir şekilde sunmaktadır. Elde edilen sonuçlar ve iyileştirilmiş modülasyon ve kodlama şeması, dronlar ile oluşturulacak haberleşme mimarileri için rehber niteliği taşıyacak ve farklı ortamlarda çeşitli ihtiyaçlar doğrultusunda hangi değerlerin kullanılacağına dair önerilerde bulunacaktır.

Özet (Çeviri)

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have become indispensable tools due to their superior maneuverability and flexibility in a variety of activities such as mapping, infrastructure monitoring, and object tracking. Their applications are many, ranging from industrial and military surveillance to commercial delivery and other operations. Because of their hardware architectures, atmospheric factors such as wind and turbulence restrict the movement of UAVs, particularly drones. These conditions not only interfere with their responsiveness but also limit the operation of integrated systems and communication between the drone and the ground control station (GCS). It is critical in drone operations to maintain communication systems with the GCS and ensure the correct functioning of integrated systems, including managing the drone's movement parameters. These different uses, as well as the associated environmental circumstances, highlight the crucial requirement for UAVs to function dependably, as well as the importance of suitable regulations and adaptations. Drones and UAVs utilize a variety of communication methods in order to create a data link between the vehicle and GCS and sometimes between multiple aircraft (swarm technology). UAV communication systems can be utilized for data and image transmission from sensors and payloads to the control station, broadcasting telemetry systems, and command and control. Additionally, they provide bidirectional communication from air to ground and ground to air by allowing data and commands to be received at the ground station. The most common ways of drone communication employ radio-frequency (RF) signals in bands such as HF (high frequency) , satellites, cellulars, and other wireless infrastructures. However, radio technologies are the most widely used. RF datalinks can be analog or digital and have a longer range than Wi-Fi, although they are still limited to line-of-sight (LOS). The range of the UAV communications system is determined by the direction and size of the antenna, the strength of the transmitter, and the frequency, with lower frequencies allowing longer ranges but lower data rates. By addressing these technical difficulties, we develop new techniques to improve UAV communication quality and identify drone flight parameters that influence communication quality. Our goal is to create communication systems that are less impacted by these elements. Our research aims to overcome constraints in high-frequency transmission imposed by drone instability and antenna limitations. Our primary goal is to provide safe, continuous communication while greatly increasing the packet delivery ratio (PDR). We create resilient and adaptive UAV systems that can function well in a variety of dynamic operational scenarios by taking advantage of the inherent flexibility of Software Defined Radio (SDR) technology. This holistic approach encompasses proactive measures against signal interference, noise mitigation, and the management of flight-induced vibrations, harnessing SDR's configurability to meet the evolving demands of modern UAV operations effectively. Our approach involves: * Addressing Drone Flight Patterns and Aerial Conditions: We classify different aerial conditions affecting UAVs. *Enhancing the Modulation and Coding Scheme (MCS): We improve the MCS table to be aware of aerial and flight conditions. *Exhaustive Real-World Experimentation: Utilizing a“train on day, test on the next day”methodology on a real test bed. To increase drone PDR, we use Digital Twin architecture to detect influential parameters. Using the“train one day, test another day”method, we include real-world test flight log data from drones and SDR communication attributes into our digital twin model. This allows us to discover the best parameter values for getting a high PDR, which we then feed back into our system. Based on these results, we update the existing static MCS table to reflect the effect of the identified drone flying factors on communication performance. Our results validated methodologies have demonstrated significant improvements in PDR, achieving an average increase of 27\% across multiple drone platforms and environmental scenarios. These findings underscore the effectiveness of our approach in optimizing communication performance under real-world conditions. Furthermore, our research provides valuable insights into the intricate interactions between UAV flight dynamics and communication efficacy, guiding future advancements in UAV technology. In summary, our research underscores the critical importance of maintaining robust communication networks in dynamic UAV environments. By proposing and validating innovative methodologies, we lay the groundwork for enhanced UAV communication resilience and efficiency. Future endeavors will build upon these foundations, expanding system capabilities across broader operational scenarios and pushing the boundaries of UAV communication technology to new heights.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    826428

    TDM data link design and optimization between unmanned aerial vehicle and tactical guided munition

    İnsansız hava aracı ile taktı̇k güdümlü mühı̇mmat arasında TDM verı̇ bağı tasarımı ve optı̇mı̇zasyonu

    HASAN KARATAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN CANBOLAT

  2. Tez No

    864173

    Utilizing LoRa for control link in software-defined aerial networks

    Yazılım tanımlı hava ağlarında kontrol baglantısı için LoRa kullanımı

    ZEYNEP BETÜL ARSLANBENZER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN SEÇİNTİ

  3. Tez No

    364179

    İnsansız hava araçları için uzun menzilli veri linki tasarımı

    Design of long range data link for unmanned aerial vehicles

    İBRAHİM KARSU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. VASFİ EMRE ÖMÜRLÜ

  4. Tez No

    692621

    Gelecek nesil haberleşme sistemlerinde insansız hava araçları için kaynak yönetim teknikleri

    Resource management techniques for unmanned aerial vehicles in next generation communication systems

    UYGAR DEMİR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CENK TOKER

  5. Tez No

    676818

    Datalink layer protocol design for aerial adhoc networks

    Tasarsız İHA ağları için veri bağlantı katmanı protokolu tasarımı

    TALİP TOLGA SARI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN SEÇİNTİ

Geri Dön