İnsansız hava araçlarının topolojik mesafe tabanlı sürü halinde hareket etmesi
Topological distance based flocking with unmanned aerial vehicles
Yazar: YÜCEL YILMAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ FATİH GÖKÇE
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Hareketli robotlar = Mobile robots ; Sürü psikolojisi = Herding behaviour ; Sürü robotiği = Swarm robotics ; Üç boyutlu simulasyon = Three dimensional simulation ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle

Özet:
Bu tezde, insansız hava araçlarının sürü halinde hareket etme davranışları Robot İşletim Sistemi (ROS) üzerinde kurulu bir simülatör ortamında topolojik mesafe tabanlı olarak geliştirilmiştir. Topolojik mesafe modeli, literatürde sığırcık kuşlarının grup halinde uçuşlarının incelenmesiyle ortaya konulmuş olup; bu modelde sürüdeki bireyler uçuşlarını, belli bir metrik mesafe içerisinde bulunan değişken sayıdaki komşularını değil sadece kendilerine en yakın belli sayıdaki komşularını (topolojik mesafe) baz alarak gerçekleştirmektedir.
Tez kapsamında öncelikle, X konfigürasyonunda dört rotorlu bir insansız hava aracı için PID tabanlı hem düşük seviye hem de yüksek seviye uçuş kontrolcüleri geliştirilmiştir. Bu kontrolcüler sayesinde, hava aracının hem manüel hem de otonom kontrolü sağlanmıştır. Otonom kontrolünde hava aracı, yükseklik ve pozisyonunu koruyabilmekte, verilen bir yönde ve hızda uçabilmekte, verilen bir rotayı izleyebilmektedir. Bu kontrolcüler ile bir sürüdeki birçok hava aracının ayrı ayrı eş zamanlı otonom kontrolünün sağlanması için gerekli altyapı oluşturulmuştur. Sürüdeki araçların birbirlerini algılayabilmeleri için gerekli sensör mekanizması da simülatör ortamında geliştirilerek hava araçlarının kendilerine belli bir metrik veya topolojik uzaklıktaki diğer hava araçlarının pozisyon, hız ve yön verilerini almaları sağlanmıştır. Geliştirilen uçuş kontrolcüler ve sensör mekanizması kullanılarak topolojik ve metrik yaklaşımlarla sürü halinde hareket davranışı gerçekleştirilmiştir. Bu davranışların, robotlar arası mesafeye, metrik ve topolojik mesafeye, sürüdeki birey sayısına göre başarımları deneysel olarak incelenmiş; aynı zamanda yöntemler birbirleriyle de deneysel olarak kıyaslanmıştır.

Abstract:
In this thesis, flocking behavior of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) is developed based on topological distance in a simulator environment built on Robot Operating System (ROS). In the literature, the topological distance model has been introduced by analizing the flocks of starlings. In this model, individuals in the flock fly depending on the fixed number of nearest neighbors (topological distance), not relying on variable number of neighbors within a certain metric distance.
Within the scope of thesis, at first, both low-level and high-level PID-based flight controllers were developed for a quadrotor UAV in the X-configuration. Thanks to these controllers, both manual and autonomous control of the UAV are achieved. In autonomous control, the quadrotor can maintain its altitude and position, fly in a given direction and velocity, and track waypoints of a given route. With this controller, the required infrastructure has been developed for the simultaneous individual autonomous control of multiple UAVs in a flock. By also developing the sensor mechanism necessary for the quadrotors in a flock to detect each other in the simulator environment, the UAVs are enabled to receive the position, velocity and heading of other UAVs at a certain metric or topological distance from them. Via the developed flight controllers and sensor mechanism, flocking behavior is realized with topological and metric approaches. The performances of these behaviors were experimentally investigated with respect to the distance between the robots, the metric and topological distances, and the number of individuals in flock. At the same time, the methods were compared with each other experimentally.