Dikey iniş için görsel referans işaretçileri destekli pozisyon kestirimi
Fiducial markers aided position estimation for vertical landing
Yazar: RECEP BEHLÜL ŞAHİN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHARREM MERCİMEK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Otonom iniş, İHA'lar için hayati bir adımdır ve doğru pozisyon bilgisine ihtiyaç duyar. GPS sinyalinin kullanılamadığı veya engellendiği durumlarda, iniş yeteneğini desteklemek için görü tabanlı çalışmalar önemli bir destek sağlayabilir. Bu çalışmada, İHA'ların dikey kalkış ve iniş sistemlerinde kullanılan işaretleyicilerle birlikte görü tabanlı bir pozisyon kestirim algoritması geliştirilmektedir. Geliştirilen yapı, çeşitli görsel işaretleyici türleriyle uyumlu bir şekilde çalışabilme yeteneğine sahiptir. Görüntülerden elde edilen işaretleyici köşe noktaları, şablon görüntülerle eşleştirilerek aracın konumu hesaplanmaktadır. Bu sayede, aracın yerel konumu tahmin edilebilmektedir. Elde edilmiş olan konum hesaplamaları için bir boyutlu Kalman filtresi kullanılmaktadır. Bu filtre, ölçüm hatalarını düzeltmek ve konum tahmininin belirsizliğini azaltmak amacıyla kullanılmaktadır. Geliştirilen algoritma, bir simülasyon ortamında detaylı bir şekilde test edilmiştir. Dört rotorlu bir hava aracının konumları, gerçek ölçümlerle karşılaştırılarak algoritmanın performansı analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, görü tabanlı konum tahmin algoritmasının kabul edilebilir bir doğruluk seviyesine sahip olduğunu göstermektedir. Görü tabanlı pozisyon kestirim algoritmasının geliştirilmesi, otonom iniş yeteneklerinin güvenilirliğini ve hassasiyetini artırabilir
ve GPS sinyalinin olmadığı veya sınırlı olduğu durumlarda İHA'ların başarılı bir şekilde iniş yapabilmesini sağlayabilir.
Bu çalışmada, İHA'ların dikey kalkış ve iniş sistemlerinde görsel işaretleyicilerin kullanımının ve Kalman filtresinin entegrasyonunun konumlandırma sorununda doğruluğu artırmak için önemli bir potansiyele sahip olduğunu tartışılmaktadır.

Abstract:
Autonomous landing is a critical step in UAVs and requires accurate position information. In cases where there is no GPS signal, or it is weak, vision-based position estimation studies can provide support for autonomous landing. In this study, a vision-based position estimation algorithm is developed with markers used in VTOL systems of UAVs. The developed framework is designed to be compatible with various types of visual markers. The algorithm utilizes corner points extracted from images and matches them with template images to calculate the vehicle's position. This allows for the estimation of the vehicle's local position. A one- dimensional Kalman Filter is applied to the calculated position to correct measurement errors and reduce the uncertainty of the position estimation. The developed algorithm is tested in a simulation environment. A quadrotor's positions are compared with real measurements to analyze the performance of the proposed vision-based position estimation algorithm. The results demonstrate an acceptable level of accuracy for the algorithm. The development of a vision-based position estimation algorithm can enhance the reliability and precision of autonomous landing capabilities and enable successful landings in situations where GPS signals are limited or unavailable.
The potential of using visual markers and integrating Kalman filtering to improve the accuracy of positioning in vertical takeoff and landing systems of the UAVs are discussed in this study.