DÖRT ROTORLU BİR İNSANSIZ HAVA ARACININ İRTİFA KESTİRİMİ

Benzer belgeler
SEYRÜSEFER VE YARDIMCILARI

GPS/INS Destekli Havai Nirengi

TÜBİTAK BIT-MNOE

1. Giriş. 2. Dört Rotorlu Hava Aracı Dinamiği 3. Kontrolör Tasarımı 4. Deneyler ve Sonuçları. 5. Sonuç

Aviyonik Sistemler ve Entegrasyon Yetenekleri.

LAPİS Havacılık ve Elektrikli Araç Teknolojileri Ltd.Şti.

İHA SİSTEMLERİNDE PROFESYONEL ÇÖZÜM ORTAĞINIZ. BURKUT İNSANSIZ HAVA ARACI (İHA-2)

TurkUAV Tarim Havadan Görüntüleme ve Ölçüm Sistemi

Savunma ve Otomotiv Sanayi Perspektifinden Çift Kullanımlı (Dual Use) Teknolojiler Çalıştayı

UYDU JEODEZISI: ÖLÇME YÖNTEM VE TEKNIKLERI

MÜHENDİSLİK ÖLÇMELERİ UYGULAMASI (HRT4362) 8. Yarıyıl

5 İki Boyutlu Algılayıcılar

MÜHENDİSLİK ÖLÇMELERİ UYGULAMASI (HRT4362) 8. Yarıyıl

Drone ve Kara Tehditlerine Karşı Retinar Radar Sistemi

TurkUAV Tarim Havadan Görüntüleme ve Ölçüm Sistemi

GPS ile Hassas Tarım Uygulamaları

ARAZİ ÇALIŞMASI -1 DERSİ ELEKTRONİK ALETLERİN KONTROL VE KALİBRASYONU UYGULAMALARI

LAZER SENSÖRLERLE BİR ROBOTUN DOĞAL FREKANSLARININ VE STATİK ÇÖKMELERİNİN ÖLÇÜMÜ

Avukat Nazlı Can. DİĞER KURSLAR 1997 PITZER KOLEJİ, Claremont, Los Angeles, Kaliforniya, A.B.D KING'S KOLEJİ, Bornmouth, İngiltere

2015/2016 Bahar Yarıyılı Bitirme Çalışması Konuları. (Doç.Dr. M. Kemal GÜLLÜ)

BATI AKDENİZ KALKINMA AJANSI (BAKA) ELEKTRONİK HABERLEŞME, UZAY VE HAVACILIK SEKTÖRÜNDE AR-GE DESTEKLERİ

Şekil 8.1: Cismin yatay ve dikey ivmesi

Uzaktan Komutalı Silah Sistemleri.

Koordinat Dönüşümleri (V )

Sektör Envanter Sistemi

Mühendislikte Sayısal Çözüm Yöntemleri NÜMERİK ANALİZ. Prof. Dr. İbrahim UZUN

ARAZİ ÇALIŞMASI -1 DERSİ ELEKTRONİK ALETLERİN KONTROL VE KALİBRASYONU UYGULAMALARI

MADDESEL NOKTANIN EĞRİSEL HAREKETİ

Seyrüsefer (AEE405) Ders Detayları

Ürün Portföyü Ve Olası Uygulamaları. Ağustos 2014

1.1. BİR İNSANSIZ SUALTI GÖZLEM ARACININ (SAGA) AKUSTİK ve GÖRÜNTÜLEME-TEMELLİ YER TESPİTİ ve SİSTEM TANILAMASI

Yeni Nesil Şahingözü Keşif Gözetleme Sistemleri.

BIL684 Nöron Ağları Dönem Projesi

SHA 606 Kimyasal Reaksiyon Akışları-II (3 0 3)

Çözümleri TRAFİK ÖLÇÜM SİSTEMLERİ. İSBAK A.Ş., İstanbul Büyükşehir Belediyesi iştirakidir.

Uzaktan Komutalı Silah Sistemleri.

roketsan SAVUNMA SANAYİİNDE FİZİK MÜHENDİSLİĞİ VE EĞİTİMİNDEN BEKLENTİLER Roketsan Roket Sanayii ve Ticaret A.Ş.

HARİTA DAİRESİ BAŞKANLIĞI. İSTANBUL TKBM HİZMET İÇİ EĞİTİM Temel Jeodezi ve GNSS

(Mekanik Sistemlerde PID Kontrol Uygulaması - 1) SÜSPANSİYON SİSTEMLERİNİN PID İLE KONTROLÜ. DENEY SORUMLUSU Arş.Gör. Sertaç SAVAŞ

TurkUAV Thermo Havadan Görüntüleme ve Ölçüm Sistemi

YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mekatronik Mühendisliği. Bitirme Projeleri / Bahar Dönemi

Fotogrametride işlem adımları

2011 Third International Conference on Intelligent Human-Machine Systems and Cybernetics

BARKOK Kapalı Alanlarda Konum Belirleme Faaliyet Raporu Dr. Murat EREN, Alt ÇG Sözcüsü 22 Mayıs 2014 Ankara

JEODEZİK VERİLERİN İSTATİSTİK ANALİZİ (Ölçüler Yöntemleri) Prof. Dr. Mualla YALÇINKAYA

GNSS Teknikleri. Lisans Ders Notları. Aydın ÜSTÜN. Kocaeli Üniversitesi Harita Mühendisliği.

ERCİYES ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ SİVİL HAVACILIK ANABİLİM DALI YENİ DERS ÖNERİSİ/ DERS GÜNCELLEME

2015/2016 Bahar Yarıyılı Bitirme Çalışması Konuları. (Doç.Dr. M. Kemal GÜLLÜ)

ARAZİ ÖLÇMELERİ. Koordinat sistemleri. Kartezyen koordinat sistemi

İleri Diferansiyel Denklemler

İKİ BOYUTLU ÇUBUK SİSTEMLER İÇİN YAPI ANALİZ PROGRAM YAZMA SİSTEMATİĞİ

HAVA ARACI EĞİTİMLERİ

Rıdvan Özdemir, Mustafa Kaya, Monier Elfarra, Mehmet Önder Efe Türk Hava Kurumu Üniversitesi, Ankara

Lazer-obje (hedef) etkileşimi-yüzey eğim ve pürüzlülüğü

Bilkent Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü. Bilgisayar Mühendisliği

KST Lab. Shake Table Deney Föyü

Düşey Yönlü Deformasyon Belirleme Çalışmalarında Tekrarlanabilirliklerin İncelenmesi

ATALETSEL ÖLÇÜM TEST HİZMETLERİ INERTIAL SENSOR TESTS AND 5.CALIBRATION SERVICES

AFET Yönetiminde İleri Teknoloji Kullanımı GÜZ ÇALIŞTAYI Kasım 2013, ANKARA, TÜRKİYE PANEL-1 11:30-13:00

Yrd. Doç. Dr. A. Burak İNNER

TUSAGA-AKTİF CORS İSTASYONLARININ YER DEĞİŞİKLİĞİNİN AĞ BAZLI RTK ÖLÇÜMLERİNE ETKİSİ. Sermet Öğütcü, İbrahim Kalaycı Necmettin Erbakan Üniversitesi

Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri II Dersi

Tablo 1 Deney esnasında kullanacağımız numunelere ait elastisite modülleri tablosu

Lapis Havacılık ve Elektrikli Araç Teknolojileri Limited Şirketi, alanlarında uzman kişiler tarafından 2015 yılında kurulmuştur.

TUJK 2017 BİLİMSEL TOPLANTISI SABİT GNSS İSTASYONLARI UYGULAMALRI CORS İLE ORMANLIK ARAZİLERDE YAPILAN GNSS ÖLÇMELERİNDE RTK KULLANIMI

elde ederiz

AFET VE ACİL DURUMLARDA EMNİYET HAVACILIK

Ege Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Kontrol Sistemleri II Dersi

HAVA FOTOĞRAFLARININ YÖNELTİLMESİNDE GPS/IMU İLE DOĞRUDAN COĞRAFİ KONUMLANDIRMA DOĞRULUĞUNUN ARAŞTIRILMASI

ARAZİ ÖLÇMELERİ. Koordinat sistemleri. Kartezyen koordinat sistemi

olmak üzere 4 ayrı kütükte toplanan günlük GPS ölçüleri, baz vektörlerinin hesabı için bilgisayara aktarılmıştır (Ersoy.97).

KATI CİSİMLERİN BAĞIL İVME ANALİZİ:

Dikey İniş Kalkış Yapabilen Sabit Kanatlı İnsansız Hava Aracı Çalışmaları

SEYİR.

Geniş Alan Gözetleme Sistemlerinin Afet Durumunda Kullanımı ESEN SİSTEM ENTEGRASYON KASIM 2013

Genel Bilgiler FLI MAP. Koridor Tipi Çalışmalar. Geniş Alan Çalışmaları

Mühendislik Mekaniği Statik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

İNSANSIZ HAVA ARACI PERVANELERİNİN TASARIM, ANALİZ VE TEST YETENEKLERİNİN GELİŞTİRİLMESİ

Sayısal Yöntemler (COMPE 350) Ders Detayları

Şekil 6.1 Basit sarkaç

ATIŞ, TEST VE DEĞERLENDİRME MERKEZİ Konya-Karapınar-TÜRKİYE

T.C. ABANT İZZET BAYSAL ÜNİVERSİTESİ REKTÖRLÜĞÜ Genel Sekreterlik

ANADOLU ÜNİVERSİTESİ HAVACILIK VE UZAY BİLİMLERİ FAKÜLTESİ. Prof. Dr. Mustafa Cavcar 8 Mayıs 2013

Yetenekler Ve Mühendislik/Danışmanlık Hizmetleri. Ağustos 2014

Ateş Destek C 4 I Sistemleri.

Dik İzdüşüm Teorisi. Prof. Dr. Muammer Nalbant. Muammer Nalbant

TASLAK CNS SİSTEMLERİ MÂNİA KRİTERLERİ YÖNETMELİĞİ. BİRİNCİ BÖLÜM Amaç, Kapsam, Hukuki Dayanak, Tanımlar ve Kısaltmalar

Direnç(330Ω), bobin(1mh), sığa(100nf), fonksiyon generatör, multimetre, breadboard, osiloskop. Teorik Bilgi

JEODEZİ. Şekil1: Yerin şekli YERİN ŞEKLİ JEOİD

Dikey ve Yatay Uçuş Kabiliyete Sahip İnsansız Hava Aracı (Tilt-rotor İHA)

Simulink Kullanılarak ROS Tabanlı Gezgin Robot Kontrol Benzetimi

Akreditasyon Sertifikası Eki (Sayfa 1/20) Akreditasyon Kapsamı

Uyarlanır Sistemler and Sinyal İşleme (EE 424) Ders Detayları

Prof. Dr. Yavuz YAMAN, Prof. Dr. Serkan ÖZGEN, Doç. Dr. Melin ŞAHİN Y. Doç. Dr. Güçlü SEBER, Evren SAKARYA, Levent ÜNLÜSOY, E.

MAK 4026 SES ve GÜRÜLTÜ KONTROLÜ. 10. Hafta Şartlandırılmış Akustik Odalardaki Ölçümler

Sistem Dinamiği. Bölüm 9- Frekans Domeninde Sistem Analizi. Doç.Dr. Erhan AKDOĞAN

HAVADAN LAZER TARAMA ve SAYISAL GÖRÜNTÜ VERİLERİNDEN BİNA TESPİTİ VE ÇATILARIN 3 BOYUTLU MODELLENMESİ

DENEY 1. İncelenmesi. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi

Android Telefonlarla Yol Bozukluklarının Takibi: Kitle Kaynaklı Alternatif Çözüm

DB MARS Bilişim Teknolojileri ve Savunma Sanayi Ticaret Limited Şirketi

Transkript:

VI. ULUSAL HAVACILIK VE UZAY KONFERANSI 28-30 Eylül 2016, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli DÖRT ROTORLU BİR İNSANSIZ HAVA ARACININ İRTİFA KESTİRİMİ İlkay Gümüşboğa 1 Anadolu Üniversitesi Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi, Eskişehir ÖZET Bu çalışma kapsamında dört rotorlu bir insansız hava aracı için Kalman filtresi tabanlı bir irtifa kestirimi algoritması tasarlanmış ve bu algoritma laboratuvar ortamında yapılan gerçek uçuş testleri sonucu elde edilen veriler ile test edilmiştir. Tasarlanan bu algoritmada hava aracı üzerine yerleştirilen AÖB den (Ataletsel Ölçüm Birimi) alınan ivme bilgisi ve yine hava aracının alt kısmına yerleştirilen ultrasonik mesafe sensöründen alınan veriler kullanılarak irtifa kestirimi yapılmıştır. Havacılık seyrüsefer araştırmalarında karşılaşılan en büyük problemlerden biri tasarlanan algoritmanın bir hava aracı üzerinde test edildiğinde, gerçek seyrüsefer bilgisinin bilinememesinden dolayı, elde edilen sonuçların başarımının denetlenememesidir. Yapılan bu çalışmada, laboratuvar ortamında kurulan bir test düzeneği kullanılarak kameralar ile gözlem esasına dayanan 3-boyutlu hareket yakalama sistemi kullanılmıştır. Bu sistem vasıtası ile hava aracının tüm uçuş süresince izlediği rota çok yüksek bir hassasiyet ile haritalandırılmıştır. Elde edilen bu veri ile gerçek durumları bilinen hava aracı için tasarlanan kestirim algoritması neticesi elde edilen sonuçların başarımı test edilmiştir. GİRİŞ İnsansız hava araçları (İHA) günümüzde keşif, gözetleme, bilimsel araştırma ve askeri saldırı amaçları ile yaygın şekilde kullanılmaktadır. Yakın bir gelecekte havacılık otoriteleri tarafından, mevzuatın sivil kullanıma da uygun hale getirilmesi beklenmektedir. Dolayısı ile sayısı artacak bu insansız hava araçlarının güvenli bir şekilde görevlerini icra edebilmeleri için yüksek hassasiyetli seyrüsefer bilgisi üretip otonom kabiliyetler kazanması gerekir. Günümüzde konum belirlemenin en bilinen yöntemi Küresel Konumlandırma Sistemi (Global Positioning System - GPS) kullanımıdır. Ancak GPS tek başına havacılık uygulamaları için güvenilir değildir. Volpe Ulusal Ulaştırma Sistemleri Merkezi (Volpe Center) (*) 2001 yılında yayınladığı bir raporda GPS in insan hayatı, çevre ve ekonomi için tehdit oluşturabileceği unsurların varlığını tanımlamıştır [John A., 2001]. Ayrıca bu raporda GPS in hataya açık (vulnerable) olmasının sebepleri de tanımlanmıştır. Dolayısı ile yüksek güvenilirlikli bir seyrüsefer çözümüne ulaşmak için tek başına GPS verisi kullanmak mümkün değildir. Bahsi geçen bu problemi çözmek için kullanılan en yaygın yöntem GPS verileri ile Ataletsel Navigasyon Sistemi (Inertial Navigation System - INS) verilerinin birleştirilmesidir. Bu yapıda, kısa süreli kesinliğe (short term accuracy) sahip, yüksek çıkış oranı (output rate) olan (ortalama 200 Hz) INS verisi ile uzun süreli kesinliğe (long term accuracy) sahip fakat düşük çıkış oranı olan (ortalama 10 Hz) GPS verisi birleştirilerek sürekli, yüksek bant genişliğine sahip ve bütünleşik bir seyrüsefer çözümü elde edilir [Siouris G., 1993; Groves P., 2008]. (*) Volpe Ulusal Ulaştırma Sistemleri Merkezi, Amerika Birleşik Devletleri Ulaştırma Departmanına bağlı, ulaştırma ve lojistik konularında çalışan bir uzmanlık merkezidir. 1 Araştırma görevlisi, Havacılık Elektrik ve Elektroniği Böl., E-posta: ilkaygumusboga@anadolu.edu.tr

PROBLEM TANIMI Bu çalışmada, laboratuvar ortamında yapılan gerçek uçuş testleri sonucu elde edilen AÖB sistemi üzerinden z-eksenli (düşey eksen) ivme verisi ve hava aracının altına yerleştirilerek hava aracının yerden yüksekliğini ölçen ultrasonik mesafe ölçer verisi kullanılarak hava aracının irtifa bilgisi Kalman filtresi kullanılarak kestirilmiştir. Böyle bir problem tanımı için iki durum değişkeninin kestirimi söz konusudur. Bunlar; z-ekseninde pozisyon durumu ve yine z-ekseninde hız durumudur ve Denklem (1) de gösterilmişlerdir. x = [x konum, x hız ] T (1) Deneysel olarak yapılan bu çalışma için kullanılan hava aracı ve üzerinden veri elde edilen ölçüm sistemleri konumları ile birlikte Şekil 1 de gösterilmiştir. AÖB Ultrasonik Sensör Şekil 1: Dört Rotorlu Hava Aracı (Qball Sistemi) Kullanılacak hava aracının z-ekseninde yapacağı hareket için kullanılacak hareket modeli Denklem (2) de gösterilmiştir. Burada F, durum-geçiş matrisi; G, kontrol girdisi modeli; a k z-eksenli ivme ve t ise ölçüm aralığı (yenileme süresi) olarak tanımlanmıştır. x k = Fx k 1 + Ga k F = [ 1 t 0 1 ] (2) t 2 G = [ 2 ] t DENEY DÜZENEĞİ VE UÇUŞ TESTİ Anadolu Üniversitesi Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi nde kurulan Kontrol ve Aviyonik Laboratuvarı (KAL) bünyesinde dört rotorlu bir insansız hava aracı deney düzeneği olan QBall-X4 sistemi mevcuttur. Bu deney düzeneği, bilgisayar üzerinde kurulu bir görev kontrol yazılımı ile çalışan ve bir kablosuz ağ haberleşmesi sistemi ile kontrol istasyonuna bağlı bir sistemdir. Sistemin birlikte çalıştığı görev kontrol yazılımı MATLAB / Simulink yazılımı ile birlikte çalışabilir yapıdadır. QBall-X4 sistemi ve alt bileşenleri Şekil 2 de temsil edilmiştir. 2

Şekil 2: Qball-X4 Sistem Bileşenleri Q-ball sistemi iç ortamda çalışan bir deney düzeneğidir. GPS sinyallerinin düşük güçlü sinyaller olmasından ötürü iç ortama bu sinyallerin sağlıklı ulaşabilmesi mümkün değildir. Bu sebepten ötürü Q-ball deney düzeneği iç ortamda kendi konumlandırmasını ortama yerleştirilen sabit altı adet kamera verisini kullanarak yapmaktadır. Laboratuvarın belirli yerlerine sabitlenmiş kameralar, bir kalibrasyon prosedürünün ardından hava aracı sisteminin kontrol istasyonuna, belirli bir referans koordinat çerçevesine göre konum bilgisi üretmektedir. Kameralar aldıkları görüntü üzerinde filtrelemeler yaparak dört rotorlu hava aracı üzerine belirli bir konfigürasyonda yerleştirilen kızılötesi yansıtıcıları tespit etmektedir. Her bir kamerada tespit edilen bu kızılötesi yansıtıcıların iki boyutlu resim karesinden üç boyutlu hacme bir projeksiyonu oluşturulur. Böylece hava aracının laboratuvar ortamı içerisindeki konumu tespit edilir [Quanser]. Bilgisayar bağlantılı olan Qball sistemi uzaktan kumanda vasıtası ile yükselme hareketi, sonrasında belirli bir irtifada uçuş ve sonrasında da alçalma hareketi şeklinde uçurulup elde edilen AÖB ve ultrasonik sensör verileri kullanılarak Kalman filtresi ile irtifa kestirimi yapılmıştır. Uçuş testi süresince aynı zamanda referans konum bilgisinin alınacağı kamera sisteminden elde edilen veriler de kaydedilmiştir. Bu çalışmada bahsi geçen deney süresince yapılan gerçek zamanlı uçuş testi süreci Şekil 3 de resmedilmiştir. 3

Şekil 3: Uçuş Testi Süreci DENEYSEL SONUÇLAR Gerçekleştirilen uçuş testi neticesinde elde edilen z-ekseni için ivme verisi ve ultrasonik mesafe ölçer verisi Kalman filtresinin girdilerini oluşturacak şekilde irtifa kestirimi yapılmıştır. Öngörü (prediction) ve düzeltme (correction) şeklinde iki fazda çalışan Kalman filtresi algoritmasında hareket modeli çıktısı olarak ölçülen gürültülü ivme değeri kullanılarak Denklem (2) de tanımlanan şekilde durumlar ile ilgili öngörü fazı işletilmiştir. Daha sonra ultrasonik mesafe sensöründen alınan veri ölçüm verisi şeklinde kullanılarak ilk fazda elde edilen öngörü bilgisi düzeltilmiştir. Uçuş testi süresince elde edilen gürültülü AÖB verileri kullanılarak [Groves P., 2008] de detayları tanımlanan eksen dönüşümleri (AÖB verisi gövde eksen takımından ataletsel eksen takımına dönüştürülmüştür) ve seyrüsefer denklemleri kullanılarak z-eksenindeki konum ve hız bilgileri elde edilmiştir. Aynı zamanda hava aracının yatay düzlem ile arasındaki mesafeyi ölçen ultrasonik sensör verileri de kaydedilmiştir. Bu iki gürültülü veri Kalman filtresi ile birleştirilip daha düşük kesinsizliğe sahip, yumuşak (smoot) bir irtifa bilgisi elde edilmiştir. Şekil 4 te AÖB den elde edilen z-ekseni konum bilgisi, ultrasonik mesafe sensör bilgisi ve kestirilmiş konum bilgisi aynı grafikte gösterilmiştir. Burada açık şekilde görüleceği üzere AÖB den elde edilen veriler ile elde edilen z- ekseni konum bilgisi zamanla gerçek değerden uzaklaşmaktadır. Bu durum AÖB sisteminin dezavantajlarından en önemlisi olan rastgele yürüme (random walk) hatasıdır. Kestirim başarısının gösterilmesi için gerçek konum bilgisi ile kestirilmiş konum bilgilerinin arasındaki farkın zamana göre değişimi Şekil 5 te gösterilmiştir. Şekil 4: Uçuş Testi Verileri ve Kestirim Sonucu SONUÇ Yapılan bu çalışma ile gürültülü sensör verilerinin birleştirilmesi sonucu seyrüsefer bilgisinin kesinsizliğinin azaltılması işlemi olarak özetlenebilecek irtifa kestirim algoritması tasarlanmış ve laboratuvar ortamında gerçek sistem üzerinde test edilmiştir. Hava araçlarında gerçek seyrüsefer bilgisinin belirlenmesi çok zor teknikler gerektirdiği için genellikle tasarlanan seyrüsefer algoritmalarının başarım testleri özellikle akademik alanda yapılamamaktadır. Bu çalışma için laboratuvarda kullanılan test düzeneği tasarlanan algoritmanın başarımının test edilmesini mümkün kılmıştır. 4

Şekil 5: z-ekseni Kestirim Hatası Grafiği Kaynaklar Groves, Paul D., 2008. Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation Systems, Artech House, Boston. John A. Volpe National Transportation Systems Center, 2001. Vulnerability Assesment of the Transportation Infrastructure Relying on the Global Positioning System, August 29. Quanser Innovative Educate. Quanser QBall-X4 User Manual. Doküman Numarası 888. Siouris, G. M., 1993. Aerospace Avionics Systems, New York : Academic Press. 5