Görsel servo kontrol yöntemi ile bir insansız hava aracının kontrol edilmesi
Control of an unmanned aerial vehicle using visual servo control
Yazar: ZEHRA CEREN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ERDİNÇ ALTUĞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering
Dizin: Bilgisayarla görme = Computer vision ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle

Özet:
İlk İHA A. M. Low tarafından 1916 yılında geliştirilmiştir. Takip eden yıllarda çok fazla miktarda uçak üretilmiş ve bunlar II. Dünya savaşında trenleri koruma amaçlıyla uçaksavar ve saldırı görevlerinde kullanılmıştır. 1980li ve 1990lı yıllarda olgunlaşan ve küçültülen bu araçlar günümüzde büyük önem kazanmıştır. Bunun en önemli nedeni insansız hava araçlarının uçaklara nazaran çok daha ucuz olması, ayrıca riskli görevler sırasında yetişmiş mürettebat kaybını sıfıra indirmesi ve insanlı iken imkânsız olan manevraların gerçekleştirilebilmesidir. Genel olarak keşif ve gözlem amacıyla kullanılmakta bunun yanı sıra vahşi doğada, yıkılan ve çöken bina içlerinde, açık denizde batan gemilerde kaybolan insanları aramak ve kurtarmak gibi pek çok amaca da hizmet etmektedir.Bütün bu görevleri insansız olarak gerçekleştiren insansız hava araçları bu başarılarını otonom uçuşlarını sağlayan kontrolcülerine borçludur. İnsansız hava araçları uçuş esnasındaki yönelimlerini halihazırda küresel konumlandırma sistemini (GPS) ve/veya ataletli seyrüsefer sistemini (INS) kullanarak sağlamaktadırlar. GPS, INS gibi seyrüsefer sistemlerinin kullanılamaz olduğu şartlarda veya normal şartlarda bunlara ek olarak görüntü sistemleri kullanılabilir. Keşif gözlem amaçlı insansız hava araçlarında zaten diğer amaçlar için kullanılmak üzere bulunan kameranın bu amaç için kullanılması oldukça yararlı olacaktır.Görsel servolama yönteminde araçta bulunan kamera hedeflenen göreve göre aracı kontrol etmek için kullanılır. Yöntem bilgisayar görüsü, robotik, kontrol ve gerçek zamanlı sistemler konularını içeren çok disiplinli bir yaklaşımdır. Bir robotun konum veya hız kontrolünün bilgisayar görüsü kullanarak sağlanmasıyla; düşük maliyet, yüksek dayanıklılık ve düşük hassasiyette robotlar kullanılarak yüksek kalitede sistemler elde edilebilir. Böylece görsel servolama yöntemi maliyeti düşürüp, dayanıklılığı artırarak sistemin daha maliyet etkin bir şekilde işleyişini sağlar. Günümüzde hızlı çalışan, uygun fiyatlı görüntü sistemlerin mevcudiyeti bu yaklaşım hakkında gittikçe büyüyen bir ilgi uyandırmaktadır.Görsel bilgi başta arama-kurtarma, keşif-gözlem, hava haritacılığı ve denetimi gibi pek çok uygulamada görsel sezgilere dayanarak adeta hava aracının gözleri gibi davranmaktadır. Uçuş kontrolü için görüntünün kullanılması fikri nesne tespiti ve takibi, konum tahmini, ataletli seyrüsefer, GPS ve doğrusal olmayan sistemler gibi konularda geniş bir yelpaze sunar. Otonom bir helikopter ise keşif, gözlem gibi görevlere fazlasıyla uygundur. Dört rotorlu mini-helikopter ise düşük hızlarda uçabilme, havada askıda kalma, yanal uçuş, kapalı veya dar alanlarda güvenli uçuş gibi manevra yetenekleri ile bu amaç için oldukça üstün bir yapıdadır.Bu tez çalışmasında amaç görüntü güdümlü bir uçan robot tasarlamaktır. Bu amaçla dört rotorlu bir mini insansız hava aracının üzerine yerleştirilmiş bir kamera ile yerdeki hedefini takibi ve hedef üzerinde açısal konumunun kontrol edilmesi sağlanmıştır. Görsel servolama kontrol yapısı iç döngüde quadrotorun hızını kontrol eden düşük seviyeli servo kontrol döngüsüne sahiptir. Dış döngü ise görsel kontrolcü kullanarak hata vektörünü kontrol eden bir döngüdür.Bu çalışmada dış döngüyü oluşturan görsel kontrolcü iki farklı yöntemle tasarlanmıştır. Birinci yöntem görüntü esaslı görsel servo kontrol, ikinci yöntem ise hibrit görsel servo kontrol yöntemidir. Tasarlanan kapalı çevrim sistemlerinde dış döngünün yapısından bağımsız olarak iç döngü aynı kalmıştır. Matlab'de benzetimi yapılan kontrolcü sistemleri test düzeneği kurularak deneylerle de sınanmış ve quadrotor hava aracının kontrolü sağlanmıştır.

Abstract:
The earliest unmanned aerial vehicle was A. M. Low's "Aerial Target" of 1916. In the following years more UAVs were developed; these were used both to train antiaircraft gunners and to fly attack missions during World War II. With the maturing and miniaturization of applicable technologies as seen in the 1980s and 1990s, today interest in UAVs grew within the higher echelons. UAVs were seen to offer the possibility of cheaper, more capable fighting machines that could be used without risk to aircrews. As a tool for search and rescue, UAVs can help find humans lost in the wilderness, trapped in collapsed buildings, or adrift at sea.UAVs which perform all of these tasks, owe their performance to the controllers for autonomous flying. Various UAV systems use GPS signals and/or IMU to navigate in air. Visual systems can be advantageous when there is no GPS signal available or when IMU get out of order. The visual sensors are already available on various unmanned aerial vehicle (UAV) platforms to obtain remote visual information. This visual information can also be used for the control loop instead of more complex alternatives such as GPS or inertial navigation systems.Visual servoing is an approach to the control of robots based on visual perception, involving the use of cameras to control the position of the robot relative to the environment as required by the task. This multi-disciplinary approach spans computer vision, robotics, control, and real-time systems. By using machine vision to close a robot?s position loop, high accuracy automated systems can be created using low-cost, high-resolution, low accuracy robots. Thus visual servoing approach, lowers cost, increases flexibility and automates processes that could not be cost effectively automated before. Today the availability of fast cost-effective vision systems has created a growing interest in this topic.Vision allows such robots to serve as intelligent eyes-in-the-sky suitable for numerous applications including law enforcement, search and rescue, aerial mapping and inspection, and movie making. Vision for flight control encompasses a broad spamming of vision-based object detection and tracking, optical position estimation, inertial navigation, GPS, and non-linear system modeling. An autonomous helicopter is highly suitable for tasks like inspection, surveillance and monitoring. The ability of the helicopter to fly at low speeds, hover, fly laterally and perform maneuvers in narrow spaces makes it an ideal platform for such tasks.The goal of this thesis is to build vision-guided autonomous flying robots. For this purpose, a four rotor mini flying vehicle with an on-board camera has been stabilized on the ground target by visual information through the control loop. The control architecture of an image based visual servoing system normally consists of two loops: a low level servo loop to control the four rotor helicopter velocity and an outer one to control the error between the current feature and the desired feature using an image-based controller.In this study the outer loop controller was designed by using two different approach. These approaches are called image based visual servo control method and hybrid visual servo control method. The inner loop keeps the same structure in both methods. Various simulations were developed on MATLAB, in which the quadrotor aerial vehicle has been visual-servo controlled. In order to show the effectiveness of the algorithms, an experimental setup was designed and experiments were performed on a model UAV which suggest successful performance.