Obstacle avoidance for fixed wing aircraftby using control barrier functions
Sabit kanatlı uçaklar için kontrol bariyer fonksiyonlarının kullanılması ile çarpmadan kaçış
- Tez No: 967282
- Danışmanlar: DOÇ. DR. EMRE KOYUNCU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 75
Özet
İnsansız Hava Araçları (İHA), günümüz teknolojisinin temel unsurlarından biri haline gelmiş olup operasyonel yetenekleri geleneksel askeri uygulamaların ötesine geçerek çevresel izleme, havadan haritalama ve lojistik gibi sivil ve ticari alanları da kapsamaktadır. Bu geniş İHA yelpazesi içerisinde sabit kanatlı İHAlar uzun mesafelerde yüksek dayanıklılık, hız ve verimlilik sağlama yetenekleriyle öne çıkmaktadır. Bu özellikler onları birçok kritik uygulama için uygun kılmaktadır. Ancak, bu aerodinamik verimlilik beraberinde önemli zorluklar da getirmektedir. Minimum dönüş yarıçapı, kanat yatış açısı ve stall hızı gibi doğasında var olan kinematik ve dinamik sınırlamalar nedeniyle sabit kanatlı İHA'lar son derece çevik çok rotorlu sistemlerin aksine havada asılı kalamamakta veya ani yön değişiklikleri yapamamaktadır. Bu durum, onları dinamik ve yoğun hava sahalarında meydana gelebilecek çarpışma tehditlerine karşı daha savunmasız hale getirmektedir. Yerleşim alanları ve statik altyapılarla birlikte İHA'ların hızla yayılması sofistike ve güvenilir çarpışmadan kaçınma sistemlerinin geliştirilmesini bir zorunluluk haline getirmektedir. Geleneksel çarpışmadan kaçınma yaklaşımları örneğin potansiyel alanlar ve basit geometrik yöntemler, genellikle yetersiz kalmaktadır. Bu yöntemler, genellikle dağınık ortamlarda yerel minimumlara sıkışıp kalma, kaynakları kısıtlı platformlarda gerçek zamanlı uygulamayı engelleyen hesaplama verimsizlikleri ve en önemlisi de matematiksel güvenlik gereksinimini sağlayamama gibi sorunlarla karşılaşmaktadır. Söz konusu sınırlamalar, otonom sabit kanatlı hava araçlarının yasal onay süreçlerini ve yaygın kullanımını engelleyen önemli birer faktör olarak öne çıkmaktadır. Bu boşluğu doldurmak için görev tamamlama yeteneğini korurken aynı zamanda güvenliğe yönelik dayanıklılığı sürdürebilen yeni bir yönteme ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tez, sabit kanatlı İHA'larda çarpışmadan kaçınma için yeni bir yöntemin uygulamasını sunarak yukarıda belirtilen zorlukları göz önüne almaktadır. Çalışmanın temel amacı: sabit kanatlı uçakların benzersiz kinematik ve dinamik kısıtlamalarına uyum sağlayan, çarpışmanın olmadığı operasyonları garanti eden gürbüz, gerçek zamanlı ve güvenilir bir sistemin uygulamasını yapmaktır. Bu çalışma, çok yönlü bir yaklaşımla, otonom sistemler ve kontrol alanına birkaç önemli katkı sağlamaktadır. Ana amaç Kontrol Bariyer Fonksiyonlarının (CBF) sabit kanatlı İHA'ların çarpmadan kaçış problemine uygulanmasıdır. CBF'ler sistemin durumunun gelecekte her zaman önceden tanımlanmış bir emniyetli bölge içinde kalmasını sağlayarak güvenlik kısıtlamalarını uygulamak için sistematik bir metodoloji sunar. Bu emniyet gereksinimi bir konveks optimizasyon problemi (Kuadratik Programlama, QP) olarak formüle edilerek CBF'nin yalnızca bir çarpışma tehdidi yakın olduğunda nominal bir kontrol girdisini minimum düzeyde değiştiren bir emniyet filtresi gibi çalışmasını sağlar. Bu zarif, katmanlı mimari, sistemin birincil görev hedeflerine (örneğin, yörünge takibi) odaklanmasına olanak tanırken emniyet filtresi hiçbir çarpma durumuna girilmeyeceğini garanti eder. Belirtilen amaç doğrultusundaki önemli katkı, Çarpışma Konisi Kontrol Bariyer Fonksiyonu (C3BF) olarak bilinen özel bir CBF'nin uygulanmasıdır. Bu yöntem, temel CBF teorisini çarpışma konilerinin sezgisel geometrik ilkeleriyle birleştirerek genişletmektedir. Bir çarpışma konisi iki nesne arasında kaçınılmaz bir çarpışmaya yol açacak göreceli hızların kümesini temsil eder. Bariyer fonksiyonunu bu geometrik yapıya göre formüle ederek C3BF, İHA'nın hem göreceli konum hem de hız uzayındaki çarpışma riskini değerlendirmesini sağlar. Bu çarpmadan kaçınmayı sağlayarak yalnızca reaktif yöntemlere kıyasla daha az kısıtlayıcı ve daha dinamik olarak uygulanabilir kaçınma manevralarına imkan sağlar. Bu nedenle C3BF, uçağın bir engele göreceli hızının her zaman güvensiz çarpışma konisinin dışında kalmasını sağlamak için matematiksel ve fziksel olarak sağlam bir temel sunar. Son olarak, bu tez C3BF tabanlı yöntemin gerçekçi bir 3D Dubins uçak modeli üzerinde kapsamlı bir uygulamasını sunmaktadır. Bu katkı, yörünge takibi için nominal bir kontrolcünün tasarımını ve sistemin kontrol-afin hareket denklemlerinin ayrıntılı türetilmesini içermektedir. Nominal kontrolcünün C3BF-QP güvenlik filtresi ile sorunsuz entegrasyonu eksiksiz ve doğrulanabilir bir kontrol sistemi oluşturmaktadır. Bu çalışmanın teknik temeli konum, yönelim (Euler açıları) ve hızdan oluşan 7 durumluk bir vektörle tanımlanan sabit kanatlı İHA'nın kinematik modeline dayanmaktadır. Boylamsal ivme, yuvarlama açısı oranı ve yunuslama açısı oranından oluşan kontrol girdileri, uçağın hareketini, özellikle de yalpa hareketinin yatışa cebirsel bağımlılığı gibi eksik-hareketli doğasına saygı duyacak şekilde etkilemek üzere tasarlanmıştır. Bu kontrol-afin temsil, CBF teorisinin uygulanması için uygundur. C3BF aday fonksiyonu, uçağın bir engele göreceli konumu ve hızı arasındaki ilişkiyi yakalamak için tanımlanmıştır. Kontrol girdilerinin güvenlik marjını nasıl doğrudan etkilediğini ifade etmek için Lie türevleri dikkatlice hesaplanmıştır. Bu fonksiyon CBF-QP'nin kısıtı olarak hizmet eder ve optimal güvenli kontrol komutlarını üretmek için her zaman adımında çözülür. Bu yaklaşım uçağın yörüngesinin amaçlanan rotasından minimum sapmayla emniyetsiz olan çarpışma bölgesinden sürekli olarak uzaklaştırılmasını sağlar. QP hesaplama verimliliğini ve çözümün varlığını garanti etmek için kullanılır, bu da onu kaynakları kısıtlı yerleşik işlemcilerde uygulama için uygun bir yöntem haline getirir. Bahsedilen uygulamalar için MATLAB'da simülasyonlar yapılmıştır. Sonuçlar birleşik nominal kontrolcü ve C3BF-QP filtresinin uçuş yolunun doğrudan üzerine yerleştirilmiş sabit bir küresel engelden etkili bir şekilde kaçınırken İHA'yı hedefine başarıyla yönlendirdiğini göstermektedir. Simülasyon verileri bariyer fonksiyonunun tüm kaçınma manevrası boyunca pozitif kaldığını böylece çarpmadan kaçınmanın sağlandığını matematiksel olarak doğrulamaktadır. Sonuç olarak bu tez sabit kanatlı İHA'larda çarpmadan kaçınma gibi zorlu bir probleme değinmektedir. C3BF tabanlı bir emniyet filtresi uygulanarak hem matematiksel açıdan doğrulanabilir hem de çarpışma probleminin geometrisine dayanan bir yöntem sağlanmaktadır. Bu çalışma emniyetli uçuşun sağlandığı otonom hava sistemlerinin geliştirilmesine yönelik önemli bir başlangıç olmakla birlikte gelecekteki çalışmalarda dinamik engeller, çoklu ajan etkileşimleri ve küresel yol planlayıcılarla entegrasyon gibi daha karmaşık senaryolara odaklanarak bu çerçevenin kapsamını genişletmeyi amaçlayacaktır. Bu çalışmaların sabit kanatlı İHA'ların hva sahalarında emniyetli ve sorunsuz bir şekilde entegrasyonunun önünü açması beklenmektedir.
Özet (Çeviri)
Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have emerged as an important part of modern technology with their operational capabilities beyond traditional military applications to encompass civic and commercial domains such as environmental monitoring, aerial mapping, and logistics. Within the diverse landscape of UAVs, fixed-wing aircraft possess a distinct advantage in their ability to achieve high endurance, speed, and efficiency over long distances. This makes them the platform of choice for a range of critical applications. However, this aerodynamic efficiency comes with a significant challenge; their inherent kinematic and dynamic limitations, which include a minimum turning radius, strict constraints on bank angle, and a defined stall speed. Unlike highly agile multirotor systems fixed-wing UAVs cannot hover or execute abrupt directional changes which makes them open to collision threats in dynamic or congested airspaces. The comon use of UAVs alongside manned aircraft and static infrastructure requires the development of verifiable collision avoidance systems. Conventional approaches such as potential fields and simple geometric methods often prove inadequate. They are frequently hindered by issues like susceptibility to local minima in cluttered environments, computational inefficiencies that preclude real-time application on resource-constrained platforms, and a fundamental inability to provide rigorous mathematical guarantees of safety. These limitations pose a significant barrier to the regulatory approval and widespread integration of autonomous fixed-wing aircraft into shared airspace. Addressing this gap requires a new paradigm that can effectively filter control inputs to ensure mission completion while maintaining an unwavering commitment to safety. This thesis directly focuses to the aforementioned challenges by presenting a novel control theoretic framework for fixed-wing UAV collision avoidance. The primary objective is to develop and validate a robust, real-time, and formally verifiable system that ensures collision free operation while considering the kinematic and dynamic constraints of fixed-wing aircraft. This work achieves its aim through a multi-faceted approach, culminating in several significant contributions to the field of autonomous systems and control. The first major aim is the application of Control Barrier Functions (CBFs) to the specific problem of fixed-wing UAVs. CBFs provide a systematic methodology to enforce safety constraints by ensuring that the system's state remains within a predefined safe set at all time. By formulating this safety requirement as a convex optimization problem which is a Quadratic Program (QP) the CBF acts as a safety filter that minimally modifies a nominal control input only when a collision threat exists. This elegant, layered architecture allows the system to prioritize its primary mission objectives (e.g., trajectory tracking) while the safety filter guarantees to prevent unsafe states. The key application is the implementation of a specialized CBF known as the Collision Cone Control Barrier Function (C3BF) in literature. This framework extends the fundamental CBF theory by integrating the intuitive geometric principles of collision cones. A collision cone represents the set of relative velocities that would inevitably lead to a collision between two objects. By formulating the barrier function in terms of this geometric construction, the C3BF enables the UAV to evaluate collision risk in both its relative position and velocity space. This provides a predictive capability that allows for preemptive evasive action leading to less conservative and more dynamically feasible avoidance maneuvers compared to purely reactive methods. The C3BF, therefore, provides a clear and mathematically rigorous basis for ensuring the aircraft's relative velocity with respect to an obstacle always lies outside the unsafe collision cone. Finally, this thesis presents a comprehensive implementation of the C3BF based framework on a realistic 3D Dubins aircraft model. This contribution includes the design of a nominal bank to turn controller for trajectory tracking and the detailed derivation of the system's control affine equations of motion. The seamless integration of the nominal controller with the C3BF-QP safety filter forms a complete and verifiable control system. The subsequent simulation based validation provides empirical evidence of the framework's effectiveness. The main application of this work rests upon a kinematic model of a fixed-wing UAV, defined by a 7-state vector including position, orientation (Euler angles), and speed. The control inputs, consisting of longitudinal acceleration, roll rate, and pitch rate, are designed to influence the aircraft's motion in a manner that respects its underactuated nature, particularly the algebraic dependence of yaw on roll. This control-affine form is well suited for the application of CBF theory.
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
- A practical implementation of navigation and obstacle avoidance for quadcopters
Dört pervaneli helikopterler için bir engelden kaçınma ve seyrüsefer uygulaması
ONUR YILDIRIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OVSANNA SETA ESTRADA
- Doyum noktalarında çalışan 4-boyutlu uçak otopilotu için engelden kaçma performans ölçüleri
Performance measure for obstacle avoidance of a 4-dimensional aircraft autopilot with anti-windup feature
KEMAL ÇAĞLAR COŞKUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. COŞKU KASNAKOĞLU
- Coordination and cooperation of multi UAV systems
Çoklu İHA sistemlerinin koordinasyonu ve işbirliği
MUSTAFA GÖKÇE
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEskişehir Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TANSU FİLİK
- Çoklu otonom insansız deniz araçları için rota planlanması ve engelden sakınma
Path planning and obstacle avoidance for multiple autonomous unmanned surface vehicles
FUAT BEŞER
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TÜLAY YILDIRIM