Savaş uçakları için dört boyutlu bir uçuş yönetim sisteminin tasarımı
4-dimensioned flight management system design for the fighter aircrafts
- Tez No: 953475
- Danışmanlar: PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Uçak Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 95
Özet
Havacılık ve uzay teknolojisindeki ilerlemeler hava muharebelerinin dinamiklerini sürekli olarak değiştirmektedir. Özellikle 5. nesil olarak adlandırılan günümüzün gelişmiş savaş uçakları, hava-hava ve hava-yer görevlerinin tek platformda yapılmasını sağlayan gelişmiş araçlardır. Bu araçlar, çeşitli sensör üniteleri, görev üniteleri ve farklı özelliklerde radarlardan oluşan gelişmiş aviyonik sistemlerle donatılmıştır. İnsansız hava araçlarıyla tümleşik görev kabiliyeti, akıllı mühimmatların kokpitten yönetimine imkan tanıyan sistemlerle birlikte birer uçan bilgisayar haline gelen bu çok rollü hava araçları, oldukça kabiliyetli güç çarpanlarıdır. Ancak bu gelişmiş, kompleks sistemler pilota oldukça yüksek miktarda veri beslemektedir. Savaş uçağı pilotları hava aracını sürerken bir yandan da görev ile ilgili birçok sistemi de yönetmek zorundadır. Bu kompleks muharebe ortamı pilotun iş yükünü ciddi miktarda artırmakta, pilotun farkındalığını düşürmekte ve en önemlisi de görev başarımını zorlaştırmaktadır. Bu tez çalışması, modern savaş uçakları için pilotun iş yükünü azaltacak ve pilotun farkındalığını artıracak 4 boyutlu bir uçuş yönetim sisteminin tasarımını ve simülasyon sonuçlarını göstermeyi hedeflemektedir. Tez çalışmasının birinci bölümünde yapılan çalışmanın amacı, literatürdeki 4 boyutlu uçuş yönetim sistemlerinin ve savaş uçaklarında kullanılan uçuş yönetim sistemlerinin kabiliyetlerinin incelenmesi ile başlamaktadır. Literatürdeki eksikliğin tanımlanması ve bu çalışmanın hedefi olan hipotez açıklanmaktadır. Tez çalışmasının ikinci bölümünde açık kaynaklı parametreler ile oluşturulmuş F-16 savaş uçağı benzetim modeli anlatılmaktadır. Bu model, çalışma kapsamında tasarımı hedeflenen uçuş yönetim algoritmasının savaş uçağı dinamiklerine sahip bir sistem ile gösteriminin yapılması amacıyla kullanılmıştır. Tez çalışmasının üçüncü bölümünde hava aracı benzetim modelinin otonom navigasyon yapabilmesi için tasarlanan navigasyon, otopilot ve kararlılık artırma sistemlerinin tasarım mimarisi anlatılmaktadır. Kontrolcü tasarımında klasik PID kontrolcüler kullanılmıştır. Tez çalışmasının dördüncü bölümünde tezin ana konusu olan 4 boyutlu uçuş yönetim sisteminin rota yönetim algoritmasının kabiliyetleri, planlama algoritması kapsamında yapılan dikey ve yatay planlama hesaplamaları, zaman ve yakıt planlamaları, yürütme algoritması kapsamında yapılan navigasyon hesaplamaları anlatılmıştır. Tez çalışmasının beşinci bölümünde F-16 savaş uçağı benzetim modelinin örnek bir uçuş rotası kullanılarak, 4 boyutlu uçuş kontrol sistemiyle otonom navigasyon sonuçları gösterilmiştir. Örnek rota uçuş rotası için planlama ve yürütme algoritmalarının çıktıları vurgulanmıştır. Sonuç olarak bu tez, 4 boyutlu bir navigasyon sisteminin savaş uçaklarına nasıl uyarlanacağını göstermiştir. Savaş uçakları için 4 boyutlu bir uçuş yönetim algoritması konsepti tasarlanmış, UYS simülasyon modeli geliştirilmiş ve farklı durumlar için simülasyon sonuçları verilmiştir. Önerilen sistem, bir uçuş rotasının 4 boyutlu olarak planlanmasını ve otonom olarak icrasını sağlamaktadır. Sonuçlar incelendiğinde, bu algoritmanın savaş uçaklarında pilotun iş yükünü azaltacağı, pilotun farkındalığını artıracağı ve böylece görev başarımının artacağı sonucuna varılmaktadır.
Özet (Çeviri)
The new generation of fighter jets, called the 5th generation, began a new era in the military aviation industry. In particular, multirole jets are capable of performing both air-to-air and air-to-ground missions. These complex and expensive aircrafts carry huge avionics such as different types of radars and sensor suits. The system supplies vast amounts of information to the pilots. A fighter jet pilot must fly aircraft through the route, perform task in the mission, return to the base safely. Most of all, need to evaluate various sensor information on the way for the success of the mission. This sophisticated and stressful environment is a challenge for pilots. The goal of this study was to describe the design and simulation of four-dimensional flight management system (FMS) for fighter jets. Current fighter jets have a basic flight management system (FMS) that is just capable of navigating an aircraft between waypoints in the lateral direction. Our FMS manages the flight route of an aircraft in four dimensions: longitudinal, lateral, vertical, and time. Algorithm performs distance, fuel, time, and speed calculations by menas of performance database of the aircraft in considering mission tasks. Beside this, generates optimization of the current route to overcome undesired situations, such as meteorological conditions, geographical height, and threats, when necessary. The idea behind the new-generation FMS is to reduce the workload of the pilot in terms of navigation, support for the decisions and allow pilot to focus on subtasks more to increase the success of the mission and return to the base safely. A six-DOF nonlinear F-16 fighter jet model was developed using open-source parameters such as aerodynamic parameters, size, mass, and inertia. The aerodynamic database has validity between 0.3 Mach and 0.6 Mach. The Cascade controller strategies are required for navigation purposes. Our F-16 model is unstable. Therefore, in the inner loop, the stability augmentation system (SAS) is designed for the roll, pitch, and yaw axes of the aircraft to enhance stability. SAS is a PID-based state feedback controller that damps unstable aircraft rate dynamics. In the middle loop, various cascade autopilots are designed for the roll, pitch, and yaw axes of the aircraft to control attitudes. In lateral axis, the P controller was used for the Roll Attitude hold autopilot. In outer loop, P controller is designed to control the aircraft cross-track (XTK), which is the deviation of the aircraft from the defined route. P based track angle controller is designed to maintain the aircraft's track angle through the desired route. XTK controller and track angel controllers are working parallel as outer loop of the roll autopilot. In the longitudinal axis, In the pitch axis, a PI controller is used for the gamma hold autopilot. P controller altitude hold autopilot is used as the outer loop of the gamma hold controller. P controller is designed for the speed autopilot of the aircraft to keep the air speed constant. VNAV (vertical navigator) is a P base controller that supplies altitude deviation to altitude hold autopilot and target speed to speed hold autopilot. Our FMS consists of four parts which are planning, execution, editing and evaluation, respectively. In the planning stage, the distance between waypoints and the desired track of the leg calculations related to the selected route are generated. For this purpose, flat calculations and great circle calculations are used. The proposed FMS uses planning procedures. Time calculations were performed using the reference cruise speed information. The estimated time of arrival, estimated leg time, and total route time were the main time variables meaningful to the pilot. An offline performance database was used to calculate the approximate climb, cruise, and descent performance of the aircraft for fuel calculations. The required fuel, estimated on-board fuel, and consumed fuel calculations are crucial for pilots. In the execution part, the XTK and the desired track parameters are generated to navigate autopilots to follow the desired route. In addition, speed and fuel calculations were performed repeatedly in the case of deviation from the planned route and planned speed. In editing mode, the pilot may change the route completely between the active and standby routes. He is also able to add, change, and delete any waypoints on the current route. Planning was necessary after each editing. After automatic planning, the pilot was informed about the changes in the time and fuel of the new route. In the evaluation section, meteorology, geography, and thread in the route information were evaluated. An optimization algorithm offers route updates to overcome unsafe situations during flight, considering the fuel consumption and flight time. For alternative route generation graph method is used. In this method, connection between corners of the restricted area is connected to each other for the purpose of generating leg. If corner points are able to reach each other without touching restricted area, they are acceoted as leg. From initial point to final point corner legs are connected to each other to contruct alternate routes. The shortest route is offered to pilot as alternatee route. The six-DOF F-16 aircraft nonlinear model is trimmable between 0.3 – 0.6 Mach. A three-axis SAS was developed to control the aircraft's attitude in the roll, pitch, and yaw axes. The designed altitude autopilot allows controlling the altitude of the aircraft to reach the selected value without any overshoot and undershoot, and holds the value within less than 100 ft of steady-state error. The designed heading-hold autopilot allows the control heading of the aircraft to reach a selected value without any overshoot and undershoot and hold the value within less than 0.2 degrees of steady-state error. The designed speed-hold autopilot allows the speed of the aircraft to reach a selected value without any overshoot and undershoot and holds the value within less than 5 knots of steady-state error. The FMS plans the route distance under one-foot error using the great circle algorithm. Fly-by and fly-over transitions were successfully achieved for wide and narrow turn angles. The time calculation deviations between planning and replanning were less than 2 minutes for 2 hours of flight simulations for each waypoint. Fuel calculation deviations are maximum %3 for 2 hours of flight simulations for each waypoint. XTK controller holds an XTK of less than 50 feet in the lateral directionral. The desired Track controller holds the track less than 0.4 degrees. Route optimization works successfully and offers non-dangerous route waypoints by considering fuel and time. When return-to-home function is enabled, automatic path is generated to emergency airfield. If aircraft route pass through any restricted area, optimisation algorithm generates and optimum route and offers to pilot. In conclusion, this study offers a new four-dimensioned flight management design approach that involves planning, execution, editing, and evaluation to reduce pilot workload on critical missions to manage aircraft navigation through the performance database. The automatic planning and optimization feature of the FMS increases pilot awareness without and consolidates the safety of the flight and the success of the mission.
Benzer Tezler
- Swarm fighter aircraft control with deep reinforcement learning approach
Derin pekiştirmeli öğrenme ile sürü savaş uçaklarının kontrolü
METİN SARI
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN
- Implementation of propulsion system integration losses to a supersonic military aircraft conceptual design
İtki sistemi entegrasyonu kaynaklı kayıpların süpersonik askeri uçak kavramsal tasarımına uygulanması
EMRE KARASELVİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELİKE NİKBAY
- A refined methodology tor model-based FPGA hardware design: An example of quadrotor dynamical model implementation
Model tabanlı FPGA donanımı tasarımında iyileştirilmiş bir yöntem sistemi: Bir dört rotorlu için dinamik model gerçekleme örneği
SEZER MEMİŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN YENİÇERİ
- Target UAV conceptual design optimization using multi-objective genetic algorithm
Çok amaçlı genetik algoritma kullanılarak hedef iha kavramsal tasarım optimizasyonu
ERDEM ŞİMŞEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ÖZKOL
- Evolutionary reinforcement learning based autonomous maneuver decision in one-to-one short-range air combat
Bire bir kısa menzilli hava muharebesinde evrimsel pekiştirmeli öğrenme tabanlı otonom manevra karar sistemi
YASİN BAYKAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BARIŞ BAŞPINAR