Geri Dön

Performance comparison of guidance algorithmsfor aerial vehicles: a software-in-the-loop based approach

Hava araçları için güdüm algoritmalarınınkarşılaştırılması : yazılım çevrim sistemi tabanlı yaklaşım

PDF İndir

  1. Tez No: 948061
  2. Yazar: ALPER MAKARAÇ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA DOĞAN
  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: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 107

Özet

Bu çalışma, günümüz savaş alanlarında maliyet etkin ve hassas güdüm yeteneğine sahip silah sistemlerinin giderek artan stratejik ve taktik öneminden hareketle, mini seyir füzelerinde kullanılan güdüm algoritmalarının detaylı ve karşılaştırmalı olarak incelenmesini amaçlamaktadır. Modern çatışma ortamlarının dinamik doğası, hassas hedefleme kabiliyetine sahip mühimmat sistemlerinin etkinliğini artırmakta ve operasyonel başarıda belirleyici rol oynamaktadır. Mini seyir füzeleri, kompakt boyutları ve düşük maliyetleri sayesinde askeri lojistik açısından kolay taşınabilir ve hızlı konuşlanabilir özellikler göstermektedir. Baykar Kemankeş-1 ve ASUW Spear3 gibi platformlarla somutlaştırılabilen bu sistemler, gerek kara gerekse deniz hedeflerine karşı hassas angajman yetenekleri nedeniyle geniş kullanım alanlarına sahip olmuş ve günümüz operasyonel ihtiyaçlarını büyük ölçüde karşılamıştır. Bu tür füzeler, özellikle hassas vuruş gerektiren nokta hedefleri üzerinde yüksek isabet oranlarıyla etkinlik sergilerken, aynı zamanda hareketli ve manevra kabiliyeti yüksek hedefleri angaje etme yetenekleriyle modern savaş alanlarında vazgeçilmez hale gelmiştir. Özellikle düşman unsurlarının hızlı, karmaşık ve öngörülemeyen hareketleri karşısında, bu sistemlerin yüksek manevra kabiliyeti, hızlı hedef algılama ve güdüm hassasiyeti gibi özellikleri kritik öneme sahiptir. Seyir füzelerinin genel olarak öne çıkan kabiliyetleri arasında uzun süre havada kalabilme, keşif ve gözetleme görevleri gerçekleştirebilme ve hedefe yüksek hassasiyette taarruz yapabilme gibi yetenekler bulunmaktadır. Bu özellikler, mini seyir füzelerinin keşif, gözetleme ve saldırı gibi çok yönlü operasyonel görevlerde etkin biçimde kullanılmasını sağlamaktadır. Ancak, bu üstün yeteneklerin sahadaki etkinliğinin doğru biçimde değerlendirilmesi ciddi zorluklar içermektedir. Özellikle hedeflerin durağan olmadığı, sabit olmayan hızlarda ve yönlerde karmaşık hareket ettiği gerçek savaş koşullarında, mini seyir füzelerinin performanslarının test edilmesi oldukça zorlu, maliyetli ve operasyonel açıdan risk taşıyan süreçler içermektedir. Gerçek koşullara yakın fiziksel testlerin yüksek maliyetleri ve riskleri, sistemlerin geliştirilmesi ve test edilmesinde önemli engeller oluşturmaktadır. Bu nedenle, mini seyir füzelerinin etkinliğini gerçekçi bir biçimde değerlendirebilmek için gerçek operasyon koşullarını simüle eden, maliyet açısından avantajlı, güvenli ve kontrollü simülasyon ortamlarının geliştirilmesi ve bu ortamlar üzerinde kapsamlı performans analizlerinin yürütülmesi büyük önem arz etmektedir. Bu bağlamda, simülasyon tabanlı test ortamları sayesinde algoritmaların performansı, farklı senaryolarda ayrıntılı ve sistematik bir şekilde değerlendirilerek, gerçek saha koşullarına uygunlukları güvenle test edilebilir ve geliştirilebilir hale gelmektedir. Bu tez kapsamında, farklı yazılım araçları ve çeşitli projeler titizlikle entegre edilerek yüksek doğruluk ve gerçekçiliğe sahip bir Yazılım Çevrim Sistemi (Software-In-The-Loop, SITL) ortamı oluşturulmuştur. Yazılım Çevrim Sistemi, yazılım geliştirme süreçlerinde algoritmaların ve kontrol sistemlerinin gerçek donanım kullanılmadan önce simülasyon ortamında kapsamlı olarak test edilmesini sağlayan ileri düzey bir yöntemdir. Bu yaklaşım, gerçek donanım testlerinin getireceği yüksek maliyetleri önemli ölçüde azaltmakta, aynı zamanda tasarım ve geliştirme süreçlerini hızlandırarak verimliliği artırmaktadır. SITL ortamları sayesinde, gerçek dünya koşullarında karşılaşılabilecek senaryolar önceden simüle edilebilir, algoritmaların ve sistemlerin performansları detaylı biçimde değerlendirilebilir ve potansiyel hatalar erken safhada tespit edilerek giderilebilir. Aerodinamik parametrelerin hızlı, doğru ve etkin bir biçimde belirlenmesi amacıyla Missile Datcom yazılımı tercih edilmiştir. Missile Datcom, füze tasarım süreçlerinde kritik öneme sahip aerodinamik katsayıları güvenilir bir biçimde hesaplama yeteneğine sahip olup, tasarımın erken aşamalarında mühendislik kararlarını destekleyici nitelikte veriler sağlamaktadır. Bu yazılım sayesinde aerodinamik katsayılar hızlıca elde edilerek, tasarım sürecinde zaman kazanılmış ve iteratif iyileştirme süreçleri daha etkin hale getirilmiştir. Missile Datcom'dan elde edilen aerodinamik veriler, simülasyon ortamının doğruluğunu artırarak, gerçek uçuş koşullarına yakın analizlerin gerçekleştirilmesine olanak tanımıştır. Füzenin dinamik davranışlarının mümkün olduğunca gerçeğe uygun olarak modellenmesi için JSBSim uçuş dinamiği modelleme yazılımı kullanılmıştır. JSBSim, kapsamlı ve ayrıntılı uçuş dinamikleri simülasyonu gerçekleştirebilen açık kaynaklı bir yazılım olup, uçuş performansını etkileyen tüm fiziksel unsurların modellenmesine olanak sağlamaktadır. JSBSim, sağladığı esnek altyapı sayesinde füzenin tüm uçuş karakteristiklerini ve davranışlarını yüksek doğrulukla temsil edebilmekte, farklı uçuş koşulları altında detaylı ve gerçekçi senaryolar oluşturabilmektedir. Bu sayede, füzenin operasyonel performansı farklı uçuş senaryoları altında detaylı biçimde test edilmiştir. Otopilot sisteminin entegrasyonu için ise SITL desteği sağlayan açık kaynaklı Ardupilot platformu seçilmiştir. Ardupilot, geniş kullanım alanı ve esnek modüler yapısı sayesinde farklı güdüm algoritmalarının hızlı ve güvenilir biçimde sisteme entegre edilmesini mümkün kılar. Ardupilot'un sahip olduğu açık mimari, farklı algoritmaların hızlıca devreye alınmasına ve kapsamlı testlerin yapılmasına imkan tanımaktadır. Ayrıca Ardupilot'un sağladığı güçlü kontrol ve simülasyon özellikleri sayesinde, farklı senaryoların otomatik olarak yürütülmesi ve sonuçların değerlendirilmesi kolaylaşmıştır. Simülasyon süreçlerinin görsel olarak izlenmesi ve sonuçların analiz edilmesi için Unreal Engine tabanlı Antoinette Project kullanılmıştır. Antoinette Project, gerçek zamanlı, üç boyutlu ve yüksek çözünürlüklü görsel simülasyonlar gerçekleştirebilen güçlü bir platformdur. Bu platform sayesinde kullanıcılar, test senaryolarını ve füze davranışlarını gerçek zamanlı olarak detaylı biçimde izleyebilmekte, füze ve hedef hareketlerini net olarak analiz edebilmekte ve elde edilen sonuçların yorumlanmasını kolaylaştırmaktadır. Böylelikle görsel analizlerle desteklenen simülasyonlar sayesinde test edilen algoritmaların performansları daha etkin şekilde değerlendirilmiş, geliştirilen sistemlerin doğruluğu ve etkinliği artırılmıştır. Gerçekleştirilen çalışmada, farklı hareket dinamiklerine ve çeşitli senaryolara sahip hedef araçlar ayrıntılı biçimde test edilmiştir. Bu testler kapsamında, hedeflerin hem sabit hızda hareket ettiği durumlar hem de sabit ivme ile hareket ettiği senaryolar oluşturulmuş, hedeflerin hareket güzergahları ve yönleri dünya koordinat sistemi üzerinde net ve ölçülebilir hale getirilmiştir. Bu sayede hedeflerin hareketlerinin hassas biçimde izlenebilmesi ve analiz edilmesi mümkün kılınmıştır. Çalışmanın temelini oluşturan algoritma olan Orantısal Navigasyon Güdüm Algoritması (Proportional Navigation Guidance - PNG), füzenin hedefe doğru yaklaşırken sahip olduğu görüş açısının değişim oranına göre gerekli manevra komutlarını belirleyen klasik, güvenilir ve yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Bu algoritma basitliği ve etkinliği nedeniyle birçok güdümlü mühimmat sisteminde tercih edilmektedir. Klasik PNG algoritmasının belirli durumlarda karşılaştığı sınırlamaları aşmak ve performansını artırmak üzere çeşitli geliştirilmiş algoritmalar incelenmiştir. Bu bağlamda Augmented PNG (APNG) algoritması geliştirilmiş olup, bu yöntem hedefin ivmesini ve hareketindeki ani değişimleri de hesaba katarak füzenin hedef takibini daha hassas ve etkin hale getirmektedir. APNG algoritması özellikle manevra yeteneği yüksek ve ani yön değişikliği yapabilen hedeflere karşı üstün bir takip performansı sunmaktadır. Bir diğer geliştirilen algoritma olan Modified PNG (MPNG), güdüm komutlarına yanal sapma terimini dahil ederek füzenin başlangıçta hedefin tam doğrultusuna değil, hafifçe yan tarafına yönelmesini sağlar. Bu sayede füze, terminal safhada hedefe daha kontrollü ve hassas bir vuruş gerçekleştirebilmekte, özellikle hızlı ve dinamik hareket eden hedeflere karşı etkinliğini koruyabilmektedir. True PNG (TPNG) algoritması ise, hedefin gerçek hareket yönü ve hız bilgilerini daha detaylı ve etkin biçimde kullanarak klasik ve diğer modifiye PNG yöntemlerine göre daha yüksek bir doğruluk ve hassasiyet sunmaktadır. Bu algoritma sayesinde hedefin sürekli değişen konum ve hızına daha hızlı adapte olunmakta ve bu durum hedef takibinin daha verimli ve isabetli olmasını sağlamaktadır. Oluşturulan senaryolar çerçevesinde her algoritmanın performansı ayrıntılı olarak değerlendirilmiş ve birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Performans kriterleri olarak algoritmaların hedefe ulaşma süresi, hedefi vurma hassasiyeti, sapma mesafesi, enerji kullanımı ve ani manevra durumlarında gösterdiği tepki hızı ve etkinliği ele alınmıştır. Elde edilen sonuçlar sayesinde algoritmaların farklı operasyonel koşullar altındaki üstünlükleri ve eksiklikleri açıkça ortaya konmuş, hangi algoritmanın hangi senaryoda daha etkili olduğu belirlenmiştir. Bu analizler sayesinde, operasyonel gereksinimlere en uygun algoritmanın seçilmesi ve gelecekteki füze tasarım süreçlerine yol göstermesi açısından değerli veriler sağlanmıştır. Bu çalışma sayesinde, mini seyir füzelerinin farklı operasyonel koşullar altındaki güdüm algoritmalarının etkinliği konusunda değerli veriler elde edilerek, gelecekte geliştirilecek sistemlere yönelik önemli bir altyapı sağlanmıştır.

Özet (Çeviri)

This study aims to comparatively examine the guidance algorithms used for mini cruise missiles, based on the increasing importance of cost-effective and precision guidance weapon systems in today's battlefields. Mini cruise missiles have a wide range of use due to their low cost, rapid deployment capabilities and precision engagement capacities, exemplified by platforms such as Baykar Kemankeş-1 and ASUW Spear3. While such missiles are particularly effective in missions requiring high precision against point targets, they are also of critical importance in the modern battlefield with their ability to engage moving targets. Cruise missiles generally stand out with their ability to stay in the air for long periods, to conduct reconnaissance and surveillance, and to attack targets with high precision. However, in cases where targets are not fixed and move at variable speeds and directions, realistically evaluating the performance of these vehicles requires complex, costly and risky testing processes. Therefore, it is of great importance to create realistic simulation environments and perform performance analysis in these environments. Within the scope of this thesis, a realistic Software-In-The-Loop (SITL) environment was created by integrating different software tools and projects. SITL is a method that allows the developed software to be tested in a simulation environment like real hardware before using real hardware, thus reducing development costs and accelerating the design process. Missile Datcom software was preferred for fast and effective determination of aerodynamic parameters; this software plays a critical role in the design phase by providing missile aerodynamic coefficients quickly and accurately. JSBSim flight dynamics modeling software was used for realistic modeling of missile dynamics. JSBSim enables the creation of realistic flight scenarios with its ability to model flight dynamics in a detailed and flexible manner. The open source Ardupilot platform, which provides SITL support, was used as the autopilot system. Ardupilot enables fast and reliable integration of different guidance algorithms thanks to its flexible architecture. For the visualization of the simulation, Unreal Engine-based Antoinette Project was used, allowing users to visually follow the test scenarios in real time and in detail. In the study, target vehicles were tested on different motion dynamics and scenarios. In this context, constant speed and constant acceleration motion scenarios of the targets were created, and the direction of motion was determined on the earth's axis. The basic algorithm used, Proportional Navigation Guidance (PNG), is a classic and reliable method that produces the necessary maneuver commands by taking into account the change in the approach angle of the missile to the target. The Augmented PNG (APNG) algorithm, which was developed to increase the effectiveness of this algorithm, provides more precise tracking by taking into account the acceleration of the target and sudden changes in its motion. The Modified PNG (MPNG) algorithm, by adding the lateral deviation term to the guidance algorithm, allows the missile to initially turn slightly to the side of the target rather than in its direction, allowing it to maintain its precision strike capability in the terminal phase. True PNG (TPNG), on the other hand, provides higher accuracy guidance capability by using the target's real motion direction and speed information more effectively. Through the scenarios created, each algorithm's performance criteria such as sensitivity, target acquisition time, energy efficiency and adaptation capabilities to different target movement conditions were analyzed and compared in detail. Thanks to this study, valuable data was obtained on the effectiveness of the guidance algorithms of mini cruise missiles under different operational conditions, providing an important infrastructure for systems to be developed in the future.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    201747

    Development and comparison of autopilot and guidance algorithms for missiles

    Füzeler için otopilot ve güdüm algoritmaları geliştirilmesi ve karşılaştırılması

    ÇAĞDAŞ EVCİMEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET KEMAL LEBLEBİCİOĞLU

  2. Tez No

    896655

    Makine öğrenmesinde değişken seçim yöntemlerinin karşılaştırılması: Ev enerjisi tüketim tahmini

    Comparison of variable selection in machine learning methods: Household energy consumption estimation

    NURİ BERK URAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    İstatistikHacettepe Üniversitesi

    İstatistik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MERAL ÇETİN

  3. Tez No

    224030

    Towards the enhancement of biped locomotion and control techniques

    İki bacaklı robotun yürüme ve kontrol tekniklerinin zenginleştirilmesi

    BAŞAK YÜKSEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü

    PROF. DR. KEMAL LEBLEBİCİOĞLU

  4. Tez No

    890341

    Teşhir tipi soğutucularda enerji performansının artırılmasına yönelik deneysel analizler

    Experimental analyses for improving energy performance of refrigerated display cabinet

    SÜLEYMAN ERTEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    EnerjiKarabük Üniversitesi

    Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET ÖZKAYMAK

  5. Tez No

    672540

    Hematolojik hastalıkların teşhisinde yapay zeka tekniklerinin performans karşılaştırması

    Performance comparison of artificial intelligence techniques in the diagnosis of hematological diseases

    TUBA KARAGÜL YILDIZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSakarya Üniversitesi

    Bilgisayar ve Bilişim Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NİLÜFER YURTAY

    DOÇ. DR. BİRGÜL ÖNEÇ

Geri Dön