Yeni nesil hava araçlarının rijit formasyon uçuşları
Rigid formation flight for next generation aerial vehicles
Yazar: SALİH SARIÇAM
Danışman: PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL BAYEZİT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
Pilot taşımayan hava araçlarına İHA adı verilir. İHA kontrolü, otomatik pilot ile veya
bir alıcı ve verici yardımıyla yerde bir pilot ile gerçekleştirilebilir. Son yıllarda,
İHA'lar, arama, kurtarma, film yapımı, kirlilik, petrol veya gaz izlemesi, tarım, hobi,
gazetecilik gibi sivil alanlarda, ve keşif, saldırı ve savunma gibi askeri alanlarda
önemli bir yapıtaşı haline gelmiştir.

Doğaya bakıldığında bir çok hayvanın sürüler halinde gezdiği görülür. Bu sürüler
incelendiğinde, sürülerin belirli bir formasyon halinde ilerledikleri görülmektedir. Bu
formasyonların özellikleri, çeşitli koşullar altında değişmektedir ve bu
formasyonların hayvanlara çeşitli avantajlar sağladığı görülmüştür. Kimi balıkların
tehlike durumuna göre sürü boyutlarını ayarlamaları, güvercinlerin sürüler halinde
hareket ederken yön bulma konusunda daha başarılı olmaları buna gösterilebilecek
örneklerdendir. Doğada görülen bu formasyonlar, İHA'larda da merkezsiz bir
formasyon oluşturulabilmesi ve oluşturulan formasyonun korunabilmesi üzerine
yapılan çalışmalara ilham kaynağı olmuştur.

Bu tezde, üç eksende hareket eden otonom hava araçlarından oluşan sürülerin,
geometrik formasyonunu korumasını hedefleyen bir merkezsizleştirilmiş kohesiv
hareket kontrol problemi tartışılıyor. Geometrik formasyon, araçlar arası mesafe
olarak tanımlanmıştır. Sunulan kontrol sistemi, araçların bir başlangıç konumundan
bitiş konumuna hareketi sürecinde, araçlara çarpışma gibi sorunlar yaşatmadan sürü
formasyonunu korumayı hedefliyor. Bu sistemi tasarlayabilmek için Yumuşak Geçiş
(Smooth Switching) ve Sanal Hedef Takibi (Virtual Target Tracking) gibi tekniklerin
kullanılmasının yanı sıra, çizge teorisinden de faydalanılıp, ve sürümüz rijit ve
devamlı kavramları ile tanımlayabileceğimiz bir çizge ile temsil edilmiştir. Bunun
sonucunda elde edilen dağıtık kontrol sisteminin nokta hava araçların ve döner
kanatlı otonom araçların üzerinde uygulanması ele alınmış, ve ortaya çıkan sistem
simülasyonlar aracılığıyla doğrulanmıştır.

Abstract:
Aircrafts that do not carry a pilot are called UAVs. The UAV control can be
performed with an autopilot or with a pilot on the ground with the aid of a transmitter
and receiver. In recent years, UAVs have become an important building block in
civilian areas such as exploration, rescue, filmmaking, pollution, oil or gas
monitoring, agriculture, hobby, journalism, and military fields such as
reconnaissance, assault and defense.

When we look at nature, we can see that many animal species move in swarms.
When we examine these swarms, it can be seen that the swarms move in specific
formations. Properties of these formation changes under different circumstances, and
it is seen that these formations grant the animals some advantages. Some examples to
that is; some fish species adjusting their swarm size depending on the danger level,
and pigeons being more succesful at navigating when they move in swarms. These
formations that we see in the nature is a source of inspiration for creating and
maintaining formations of UAV's.

In this thesis, we discuss a decentralized cohesive motion control problem which
aims to preserve the geometric formation of herds of autonomous aircraft moving on
three axes. We define the geometric formation as the distance between the vehicles.
Our control system aims to protect the flock formation without causing problems
such as collision of vehicles during the movement of vehicles from a starting position
to an end position. In addition to use techniques such as smooth switching and virtual
target tracking to design this system, we have benefited from graph theory and we
represented our herd with a graph that we can define with rigid and persistence
concepts. As a result of this, we discussed the extension of the distributed control
system in fixed wing autonomous vehicles and quadrotor models to practical wing
kinetic and dynamic models and the system that was produced as endproduct is
confirmed by our simulations.