Döner kanatlı insansız hava araçlarının hareketli platforma otonom iniş sistemi tasarımı
Autonomous landing system design of rotary wing unmanned aerial vehicles on a moving platform
Yazar: CEMAL IŞILAK
Danışman: PROF. DR. HAKAN OKTAL
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Havacılık Elektrik ve Elektroniği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Otonom araçlar = Autonomous vehicles ; Otonom sistemler = Autonomous systems

Özet:
İnsansız Hava Araçları (İHA), teknoloji ve mühendislik alanlarında büyük bir
dönüşüm gerçekleştirmiş ve çeşitli sivil, askeri ve endüstriyel uygulamalarda geniş bir
kullanım alanı bulmuştur. Özellikle keşif, gözlem, kargo taşımacılığı ve arama-kurtarma
operasyonlarında etkin bir şekilde kullanılmaktadır. Ancak, İHA'ların etkin kullanımını
artırmak ve daha zorlu görevleri yerine getirebilmeleri için, otonom iniş ve kalkış
kabiliyetlerinin geliştirilmesi büyük bir önem taşımaktadır. Bu çalışmada, İHA'ların
hareketli bir platforma otonom olarak iniş yapabilmesi için geliştirilen sistem, konum
bilgileri, Kalman filtresi ve görüntüye dayalı nesne tespiti yöntemleri ile desteklenmiştir.
Bu tez çalışmasında, İHA'nın hareketli bir platforma otonom iniş yapabilmesi için
benzetim ortamında geliştirilen sistem, İHA'nın kendi konum bilgilerinin yanı sıra
hareketli platformun konum, hız ve yönelim verilerinden de faydalanmaktadır. İniş
pistinin tespiti için özel olarak eğitilmiş YOLO V8 nesne tespit modeli ile pistin konum
bilgileri elde edilmiş ve bu sayede yüksek hassasiyetli iniş gerçekleştirilmiştir. Sistemin
performansını ölçmek ve geliştirmek amacıyla dört yenilikçi senaryo oluşturularak,
İHA'nın değişken irtifa ve bölgelerde yapılan çeşitli ölçümler sonucunda hareketli
platforma başarılı bir şekilde otonom iniş yapabildiğini göstermektedir. Benzetimlerde,
değişken hız ve yöne sahip yan rüzgâr ve sis nedeni ile kısıtlı görüş etkileri de incelenerek
sistemin performansı test edilmiştir. Ayrıca, birden fazla iniş pistinin bulunduğu
senaryoda, İHA başlangıç anında kendine en yakın olan kara aracını başarıyla iniş hedefi
olarak seçmiştir. Hareketli platform tarafından sağlanan GPS konumu, iniş sisteminin
etkinlik alanını genişletmektedir. Platformun GPS konumu ve İHA üzerindeki Atalet
Ölçüm Ünitesinden alınan yönelme açısıyla entegre edilen Kalman filtresi kullanılarak
platformun hareket yönünde bir buluşma noktası belirlenmekte ve bu sayede daha verimli
bir yörünge elde edilmektedir. Literatürdeki benzer çalışmalara kıyasla hedefe daha kısa
bir rota üzerinden ulaşılabilmesi ve irtifa değişikliklerini içeren yeni bir yaklaşma ve iniş
yörüngesi geliştirilmesi çalışmanın özgünlüğü olarak ortaya çıkmaktadır. Geliştirilen
sistem, çeşitli İHA ve kara aracı platformlarıyla entegrasyon imkânı sunarak farklı görev
gereksinimlerine uygun çözümler sunabilmektedir.

Abstract:
Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have created a significant transformation in
technology and engineering, finding extensive use in various civil, military, and industrial
applications. They are particularly effective in tasks such as reconnaissance, observation,
cargo transportation, and search and rescue operations. However, to enhance the effective
use of UAVs and enable them to perform more challenging tasks, the development of
autonomous landing and takeoff capabilities is crucial. This study presents a system
developed for UAVs to autonomously land on a moving platform, supported by position
information, Kalman filtering, and image-based object detection methods.
In this study, the system developed for UAVs to autonomously land on a moving
platform in a simulation environment utilizes not only the UAV's own position data but
also the position, speed, and orientation data of the moving platform. The position
information of the landing pad was obtained using a specially trained YOLO V8, enabling
high-precision landing. Four innovative scenarios were created to measure and improve
the system's performance. These scenarios demonstrate that the UAV can autonomously
land on a moving platform after various measurements in different altitudes and regions.
The system's performance under side winds with variable speed and direction, as well as
under limited visibility conditions due to fog, has been tested through simulations.
Additionally, in a scenario with multiple landing pads, the UAV successfully selected the
nearest ground vehicle as its landing target at the beginning of the operation. The effective
area of the landing system is expanded by the GPS location provided by the moving
platform. A Kalman filter, integrated with the GPS position of the platform and the
orientation angle taken from the Inertial Measurement Unit on the UAV, has been used.
A meeting point in the direction of movement of the platform is determined with Kalman
filter, and thus a more efficient trajectory is obtained. Compared to similar studies in the
literature, the novelty of this work lies in developing a new approach for approach and
landing trajectories that involve altitude changes and achieve the target via a shorter route.
The developed system offers integration possibilities with various UAV and ground
vehicle platforms, providing solutions suitable for different mission requirements.