anadolu üniversitesi`nde otonom arama ve kurtarma amaçlı

TMMOB Makina Mühendisleri Odası
VIII. Ulusal Uçak, Havacılık ve Uzay Mühendisliği Kurultayı
22-23 Mayıs 2015 / ESKİŞEHİR
ANADOLU ÜNİVERSİTESİ’NDE OTONOM ARAMA VE KURTARMA AMAÇLI
DENEYSEL İHA SİSTEMİ GELİŞTİRME ÇALIŞMALARI
Tamer SAVAŞ 1, Tansu FİLİK 2
1
Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi, Pilotaj Bölümü, Anadolu Üniversitesi, 26470
Eskişehir, TÜRKİYE
Tel: 222 335 05 80 E-Posta: [email protected]
2
Mühendislik Fakültesi, Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü, Anadolu Üniversitesi, 26470
Eskişehir, TÜRKİYE
Tel: 222 335 05 80 E-Posta: [email protected]
Özet- Günümüzde İnsansız Hava Aracı (İHA)
sistemleri özellikle askeri uygulamalarda istihbarat,
izleme ve keşif amaçlı olarak yaygın olarak
kullanılmaktadırlar. Bu sistemlerin daha küçük
boyutlularının
kullanımının
özellikle
sivil
uygulamalarda yaygınlaşacağı, öneminin ve kullanım
alanının artacağı öngörülmektedir.
Bu çalışma kapsamında, alanda en geniş katılımlı
derneği olan Uluslararası İnsansız Araç Sistemleri
Derneğinin (AUVSI) her yıl en iyi ekiplerin yarıştığı
uluslararası insansız hava sistemleri (SUAS)
yarışmasına Anadolu Üniversitesi adına katılım
sağlayan BORAN sistemi tanıtılmaktadır [1,2].
Yarışma prestijli ve zorlu bir sistem mühendisliği
yarışması olarak kabul görmektedir. Yarışmada
otonom uçuş, otonom hedef tespit, konumlandırma ve
sınıflandırma vb. gibi birincil ve ikincil görevler
bulunmaktadır.
Bu çalışma kapsamında yarışma için geliştirilen
sistemin anlık görev alabilme, otonom uçuş, hedef
arama/konumlandırma, görüntü işleme/tanıma, yüksek
çözünürlüklü verileri anlık iletme, hedefleri
anlamlandırma gibi yetenekleri mevcuttur. Geliştirilen
sistemin (faydalı yükün) alt bileşenlerinin, özgün
görüntü
işleme
algoritmalarının
tasarlanması,
geliştirilmesi ve hava platformuna entegrasyon
aşamaları bu çalışmada özetlenmektedir.
Anahtar Kelimeler: İHA,İHA Sistemleri, ISR, SUAS
Otonom Uçuş
1.
GİRİŞ
Son yıllarda insansız hava araç (İHA) sistemlerinin
yaygınlaşması ile İHA'ların otonom ve otonom
olmayan (uzaktan pilot kontrollü) uygulamamada
kullanımı
artmaktadır.
Bilindiği
gibi
askeri
standartlardaki insansız hava araçlarının (İHA)
kabiliyetleri de (uçuş süresi, irtifa, işlem gücü, donanımlar)
hızla iyileştirilmektedir. Sivil amaçlı küçük, ucuz ve kolay
erişilebilir İHA’ların uçuş süresi, irtifası ve hızı diğer
askeri sistemlere göre düşük olmaktadır. Ayrıca bu
sistemlerin taşıyabileceği faydalı yük miktarı da oldukça
az olduğundan, bu İHA'lar benzeri uygulamalar için ciddi
kısıtlamaları bünyesinde barındırmaktadır. Öte yandan,
sivil İHA'lerin hızla yaygınlaşacağı ve İHA tabanlı çeşitli
sivil uygulamaların gelişeceği öngörülmektedir [3].
Bundan dolayı ucuz, erişime açık ve küçük İHA’ların
kabiliyetlerinin arttırılması ve kullanılabilirliği üzerine
çalışmalar yapılması gerekmektedir.
İHA sistemlerinin yukarıda bahsi geçen birçok sivil alanda
uygulanması beraberinde yetişmiş insan gücünün
gereksinimini ortaya çıkarmaktadır. Bu anlamda üniversite
lisans düzeyindeki öğrencileri bu alanda teşvik eden,
ülkemizde ve yurt dışında “Future Flight Design-FFD”,
Tasarla-Yap-Uçur (Design-Build-Fly DBF) yarışmaları
gibi uluslararası birçok yarışma düzenlenmektedir.
AUVSI derneğinin her yıl lisans öğrencilerin için
düzenlediği AUVSI SUAS (Student Unmanned Aerial
Systems) yarışması da bunlardan bir tanesidir. SUAS
yarışması insansız sistem teknolojileri alanında ilginin
artmasını ve teşvik edilmesini amaçlamaktadır. Yarışma
öğrencilerin sistem mühendisliği yaklaşımıyla zaman
kısıtlı görevlerin otonom operasyonlar altında analiz,
tasarım, üretimi ve uygulamaları gibi sistem
kabiliyetlerinin geliştirilmesini hedeflemektedir [1, 2].
Şekil 2’de 2014 yılında gerçekleşen AUVSI SUAS
yarışmasından bir kare görülmektedir. Her sene katılan
ekip sayısı ve kalitesi artmaktadır, yeni görevler
eklenmekte belirli bir disiplinde ekiplerin tasarımlarını
geliştirip
sistem
mühendisliği
standartlarında
belgelendirmeleri gerekmektedir.
Bu çalışma kapsamında mevzu geçen yarışmaya katılım
için geliştirilen özgün sistem ve bileşenleri sunulmaktadır.
Buna göre tasarlanan sistem; hava aracı platformu,
İHA’nın görevini icra etmesini sağlayan yer istasyonu,
gerekli kumanda ve kontrol veri linki sistemi ile diğer
alt sistemlerden oluşmaktadır [4,5,6,7] (Şekil 1). Diğer
alt sistemlere faydalı yük, başlatma ve kurtarma
(Launch and Recovery-LRE) sistemi, Hava Trafik
Kontrol haberleşme sistemleri vb. örnek verilebilir.
büyük bir başarı ede edilmiştir [9]. Şekil 3’de yarışmanın
düzenlendiği alan görülmektedir.
Şekil 3.AUVSI SUAS Yarışma Alanı
Şekil 1. İHA Sistem Yapısı [6,7]
İHA sistemleri emniyeti tehlikeye atan, yüksek riskli
ve odaklanma kaybına neden olacak kadar uzun süreli
görevlerde, insan faktörünü en aza indirmesi ve ayrıca
maliyet etkin bir çözüm sunması nedeniyle askeri, sivil
ve ticari uygulamalarda kullanılmaktadır.
Arama kurtarma, atmosfer araştırması, okyanus
gözlemleri, kasırga oluşumu ve araştırması, jeolojik
araştırmalar, hava durumu tahmini, yangınla mücadele,
deprem ve volkan gözleme, geniş bant iletişimi, cep
telefonu iletişimi, yol trafiği izleme ve kontrol, orman
yangını tespiti, çevre durumu izleme ve arazi
haritalama
İHA
sistemlerinin
sivil
alanda
uygulamalarına örnek olarak verilebilir [8].
Şekil 2. 2014 AUVSI-SUAS Yarışması [11]
2.
YARIŞMA VE SİSTEM BİLGİLERİ
2013 yılında ilk defa Anadolu BORAN (Şekil 4) olarak
katıldığımız AUVSI SUAS yarışmasında, aralarında
Amerika, Kanada, İsrail, Hindistan ve Türkiye'nin
bulunduğu 46 ekip içinde genel klasmanda 23.sırada,
döner kanat kategorisinde ise 2.sırada tamamlayarak
Şekil 4.Anadolu BORAN İHA Sistemi
2.1 Yarışma Bilgileri
AUVSI derneği robotik ve insansız sistemler alanında
teknolojilerin gelişmesini ve bu alana olan ilginin
artırılmasını hedefleyen, kar amacı gütmeyen,60 ülkeden
2700’den fazla şirketi temsil eden dünyanın en geniş
organizasyonlarından biridir [1]. AUVSI derneği
7.500’den fazla üyesiyle bu alanda ilgi duyan sanayi
kuruluşlarını, resmi kurumları ve akademiyi çeşitli
konferans, sempozyum, seminer ve çalıştay gibi
organizasyonlarda buluşturmayı amaçlamaktadır.
AUVSI derneği ayrıca insansız sistemler ve robotik
alanında çeşitli öğrenci yarışmaları düzenleyerek (Akıllı
Yer Araçları Yarışması, Uluslararası Robobot Yarışması,
Uluslararası Hava Robotik Yarışması vb.) [10] bu alanda
faaliyet gösteren savunma sanayi şirketleri ile öğrencileri
bir araya getirmeyi hedeflemektedir.
2002’den beri her yıl düzenlenmekte olan SUAS
performans bazlı bir yarışmadır. Yarışma süreci zorlu ve
aynı zamanda öğreticidir. Yarışma başvuru sürecinden
uçuşun emniyetli inişine kadar birçok aşamadan oluşmakta
ve her aşamada puan alınmaktadır.
Yarışması bir hava platformu kullanılarak otonom uçuş,
sinyal işleme ve görüntü alma/kıymetlendirme vb. gibi
farklı alanlardaki görevlerin yerine getirilmesine
dayanmaktadır. Bu görevlerde havadan ağır olacak şekilde,
otonom
uçabilen
tüm
insansız
hava
araçları
kullanılabilmektedir (Şekil 5).
Şekil 6. 2014 AUVSI SUAS Uçuş Hazırlık Değerlendirilmesi
Bu aşamalara kadar gerekenleri zamanında ve eksiksiz
yerine getiren ekipler son ve en önemli aşama olan Uçuş
Görev Uygulaması kısmına geçerler. Bu kısım Birincil ve
İkincil Görevler olmak üzere ikiye ayrılmaktadır:


Şekil 5. 2014 AUVSI SUAS Yarışmasında Kullanılan Sabit
ve Döner Kanat Platformlu Hava Araçları
Yarışma öncesinde ve süresince yapılması gereken
gereklilikler mevcuttur.Bu gereklilikleri zamanında ve
eksiksiz yapmak önemlidir.2014 AUVSI SUAS
yarışmasına kayıt olan 48 takımdan ancak 27’si uçuş
görevini yerine getirebilmiştir.[11] Yarışmada puan
alınan üç önemli aşama aşağıdaki gibidir:



Teknik Sistem Bildirisi (Technical Journal
Paper )
Uçuş Hazırlık Değerlendirilmesi (Flight
Readiness Review -FRR)
Uçuş Görev Uygulaması (Flight Mission
Demonstration)
Birincil Görevler:
o Otonom Uçuş Görevi
o Arama Alanı Görevi
İkincil Görevler:
o Otonom Tespit, Konumlandırma Ve
Sınıflandırma Görevi
o İstihbarat Görevi
o Eksen Dışı Hedef Görevi
o Acil Hedef Görevi
o Uzaktan Bilgi Merkezine Erişim Görevi
o Kızılötesi Arama Görevi-Birincil
o Kızılötesi Arama Görevi-ikincil
o Havadan Bırakma Görevi
o Birlikte Çalışabilirlik Görevi
o Anlamlandırma, Tespit Etme Ve
Kaçınma Görevi
Her iki aşamada da hava araçları uçuşa yasak alanlar
haricinde belirtilen alan dâhilinde, kontrollü uçuşunu
gerçekleştirmesi gerekmektedir. Ayrıca ikincil görevlere
başlamak
için
birincil
görevleri
tamamlamak
gerekmektedir. Şekil 7’de 2014 yılında AUVSI SUAS
yarışmasının haritası gösterilmektedir.
Teknik Sistem Bildirisi yarışmaya katılan ekiplerin
İHA sistemleri ile ilgili detaylı bilgi edinildiği,
görevlerin
emniyetli
bir
biçimde
nasıl
gerçekleştirildiğini test sonuçlarıyla kanıtlanan
dokümandır.
İkinci aşama ise öğrencilerin kendi İHA sistemlerini ve
görevleri emniyetli bir şekilde başarmak için
hedefledikleri planları hakemler karşısında sözlü
sunum yaptıkları bir aşamadır (Şekil 6). Burada ekipler
yarışmaya hazır olduklarını sözlü, görsel ve uygulamalı
olarak hakemlere kanıtlamaktadırlar.
Şekil 7. AUVSI SUAS 2014 Yarışma Haritası
SUAS 2014 yarışma haritasında gösterilen renk, şekil
ve alanlar şunları ifade etmektedir:







Kırmızı Hat: Uçuşa Yasak Alan
Mavi Hat: Yol noktası dizisi
Yeşil Hat: Hedef Arama Alanı
Sarı Pinler: Hakem İstasyonu alanı
Beyaz Üçgen :Pit Alanı Tentesi
Kırmızı Yıldız: Uçuşa Başlama Tentesi
Mavi Çember: Eksen dışı Hedef
Görevlerin asgari ( threshold ) ve azami (objective)
kriterleri mevcuttur. Ekipler bu kriterleri emniyetli bir
şekilde
tamamlama
durumlarına
göre
puan
almaktadırlar (Tablo 1) . Örneğin Otonom görev için el
kontrollü kalkış yapmak asgari kriterken, otonom
kalkış gerçekleştirilmesi azami kıstas olup kalkış
parametresinden daha fazla puan alınmaktadır.
PARAMETRELER
ASGARİ
AZAMİ
Kalkış
El ile kontrollü
kalkış
Otonom
kontrollü kalkış
Uçuş
El ile Kontrollü
Uçuş
Otonom
kontrollü uçuş
Yol noktası
dizininde ±50 ft.
ve planlanan
uçuş rotasında
±100 ft.
doğrulukta uçuşu
gerçekleştirilmesi
Oto pilot
kontrolü ile yol
noktası dizininde
±50 ft. ve
planlanan uçuş
rotasında ±100
ft. doğrulukta
uçuşu
gerçekleştirilmesi
Yol Noktası Takibi
Uçuşa Yasak Bölge
Gösterimi
İniş
Şekil 8. Anadolu BORAN İHA Sistem Yapısı
Anadolu BORAN döner kanat platformlu, 6 rotorlu
(hexarotor), üzerinde faydalı yük bileşenlerine sahip bir
hava aracıdır. Platform Anadolu Üniversitesinin imkânları
ile SUAS ekibi tarafından üretilmiştir.
Hava platformunun anlık olarak konum bilgisini ve yerden
yüksekliğini yer kontrol istasyonuna iletmesi, ayrıca
yarışmanın büyük bir kısmını oluşturan hedef tespiti için
üzerinde bir ya da daha fazla kamera ve görüntü işleyici
donanım bulunmaktadır. Ek olarak anlık olarak
görüntünün yer bilgisayarlarından izlenmesi için RF
haberleşme ile video aktarımı yapılmıştır. Bu bilgiler yerde
üç farklı ekran üzerinde takip edilerek kumanda kontrol
işlemleri yapılmıştır (Şekil 9).
Anlık Veri Takibi
Ekranı
Uçuşa yasak
bölge
gösterimi/uçağın
anlık pozisyonu
ve hız
bilgilerinin
hakemlere
gösterilmesi
El ile kontrollü
iniş yapılması
Görüntü
Kıymetlendirme
Ekranı
Oto-pilot Sistemi
Ara yüz Ekranı
Otonom
kontrollü iniş
yapılması
Şekil 9.Anadolu BORAN Yer Kontrol İstasyonu
Tablo 1.Otonom Uçuş Görevi Parametreleri
2.2 Anadolu BORAN İHA Sistem Bilgileri
İHA sistemleri, birçok alt sistemden oluşan sistemler
bütünüdür. Hava aracı platformu, kumanda ve kontrol
sistemi, haberleşme sistemi ve faydalı yük bu alt
sistemlerden bazılarıdır. Anadolu BORAN aracının
sistem yapısı şekildeki gibidir (Şekil 8).
Yarışmada icra edilecek görevlere göre tasarlanan ve
uygulanan faydalı yük şu alt elemanlardan oluşmaktadır.

Görüntü Kıymetlendirme Sistemi
o Kameralar
o Görüntü işleme Bilgisayarı
o Havadan Yere Görüntü Aktarma Sistemi
o Antenler ve diğer aksesuarlar




Haberleşme Sistemi
o Telemetri Sistemi
o Anten Alıcısı ve diğer aksesuarlar
Gimbal Sistemi
o Gimbal
o Servo ve diğer aksesuarlar
Otopilot Sistemi
o Otopilot
o GPS modülü
o Hız sensörü ve diğer aksesuarlar.
Hava Aracı Platform Sistemi
o Motor
o Pervane
o Batarya
o ESC ve diğer aksesuarlar
Bu sistemlerinin hava aracına yerleşimi ise Şekil 10‘da
gösterilmiştir.
Şekil 11. Hedef Gösterimi ve Havadan Görüntüsü
3.SONUÇLAR
AUVSI derneği her yıl robotik ve insansız sistemler ile
ilgili SUAS yarışmasını düzenleyerek bu alanda çalışan
firmaları, kuruluşları ve öğrencileri bir araya getirmeyi
amaçlamaktadır.
Bu çalışmada Anadolu Üniversitesi’nde geliştirilen
Anadolu BORAN sistem ile AUVSI SUAS yarışmasına
katılımı anlatılmıştır. Sistem mühendisliği yarışması olarak
kabul gören bu yarışmada mühendislik ve havacılık
bilimleri ile disiplinler arası bir çalışma yürütülmüştür.
Anadolu Boran ekibi bu yarışmayla edindiği tecrübeler le
birlikte özgün platformlar ve sistemler geliştirmeyi
amaçlayarak çalışmalarına devam etmektedir.
4. REFERANSLAR
Şekil 10. Anadolu BORAN Sistem Yerleşimi
Emniyetli bir uçuşun gerçekleştirilmesi için hava ve
yer sistemlerinin kesintisiz iletişim halinde olması
önemlidir. Ayrıca herhangi bir veri kaybı söz konusu
olduğunda hava aracının kalkış noktasına gelmesi
yarışmanın gereklilikleri arasındadır.
İkincil görevler arasında uçağın anlık görüntüsü,
hedeflerin karakteristik özellikleri (renk, şekil, arka
plan rengi, rotasyon vb.) ve birlikte çalışabilirlik
görevlerinde, veri haberleşmesinin istenen frekans
değerlerinde ve kesintisiz yapılması istenmektedir.
Görevler oldukça zordur, özellikle otonom uçuş ve
Şekil 11’de örnek olarak gösterilen hedeflerin
belirlenen limitler içerisinde tespit edilmesi mükemmel
bir tasarım gerektirmektedir. Yarışma kapsamında
otonom uçuş gerçekleştirilmiş, tanımlanan yol
noktaları (waypointler ) verilen limitler içerisinde takip
edilmiştir. Bunun dışında hava platformu ile yer
kontrol istasyonu arasında anlık olarak veri aktarımı
yapılmıştır.
[1] http://www.auvsi.org/joinauvsi [Erişim 23.03.2015]
[2] AUVSI Seafarer Chapter,SUAS Yarışması 2015
Kuralları,Revizyon 1.1,Mar.2015
[3] Sarris, Z. and S. Atlas (2001). Survey of UAV applications in
civil markets. IEEE Mediterranean Conference on Control and
Automation.
[4] J.Gertler, “U.S Unmanned Aerial Systems” Congressional
Research Service, 2012
[5] “Unmanned Systems Roadmap 2007-2032” ,DoD, Birinci
Baskı, 2007
[6] S.G.Gupta,M.M.Ghonge,P.M.Jawandhiya, “Review of
Unmanned Aircraft System (UAS)” International Journal of
Advanced Research in Computer Engineering & Technology
(IJARCET),cilt 2,No.4 Nis.2013 s. 1646-1647
[7] Unmanned Aircraft Systems (UAS),ICAO Cir 328
AN/190,2011,s.8
[8] Türkiye İnsansız Hava Aracı Sistemleri Yol Haritası (20112030),Savunma Sanayi Müsteşarlığı, Ankara, 2011, s.35-38
[9]
http://suas.anadolu.edu.tr/tr/suas.html
[Erişim
24.03.2015]
[10]http://www.auvsifoundation.org/foundation/competitio
ns/ [Erişim 24.03.2015]
[11]
http://www.auvsi-seafarer.org/news-events/2014competition.aspx [Erişim 30.03.2015]
5. ÖZGEÇMİŞLER
Tamer SAVAŞ
2010 yılında Anadolu Üniversitesi Elektrik ve Elektronik
Mühendisliği Bölümünden, 2011 yılında Anadolu
Üniversitesi Havacılık Elektrik ve Elektroniği
Bölümünden mezun oldu. 2011-2013 yılları arasında
Savunma Sanayi alanında Elektronik Tasarım
Mühendisi olarak çalıştı. 2013 yılından itibaren
Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesinde Araştırma
Görevlisi olarak çalışmakta aynı zamanda yüksek
lisans eğitimine Pilotaj Bölümünde devam etmektedir.
Uçuş Benzetimi ve Uçuş Benzetim Ortamlarının
Gerçekleştirilmesi, konularında çalışmaktadır.
Dr. Tansu FİLİK
Lisans
derecesini
2002
yılında
Anadolu
Üniversitesinde, doktora derecesini de 2010 yılında
Orta Doğu Teknik Üniversitesinde Elektrik ve
Elektronik Mühendisliği alanında almıştır. 2002 ve
2010 yılları arasından ODTÜ Sensör Dizi İşleme
(SAM) grubunda savunma sanayi destekli proje
çalışmalarında yer almıştır. 2010 yılından 2012 yılına
kadar Aselsan, REHİS grubunda AR-GE mühendisi
olarak elektronik destek ve haberleşme uygulamaları
için algoritma geliştirme çalışmalarında bulunmuştur.
Şu anda Anadolu Üniversitesi Elektrik Elektronik
mühendisliği bölümünde öğretim üyesi olarak
çalışmalarına devam etmektedir. Araştırma alanları dizi
sinyal işleme, istatistiksel sinyal işleme üzerinedir.