3 boyutlu arazi üzerinde çoklu otonom insansız hava aracı rota planlaması
Autonomous multi unmanned aerial vehicles path planning on 3 dimensional terrain
Yazar: NURİ ÖZALP
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR KORAY ŞAHİNGÖZ
Hava Harp Okulu Komutanlığı / Havacılık ve Uzay Teknolojileri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Genetik = Genetics ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
İnsansız Hava Aracı (İHA), içinde insan olmayan, uzaktan kumanda ile yönlendirilen veya otonom olarak kendisini yönlendiren, motorlu itki gücü olan, faydalı yükleri ana gövdesine yüklenip çıkarılabilen hava platformlarıdır. İHA sistemleri 2000?li yılların başından itibaren hızla yayılmış, sistemlerin sayısı ve çeşitleri artarken paralelde kabiliyetleri de oldukça gelişmiştir. İHA uygulamaları, sadece askeri hava harekâtlarına katkı sağlamakla kalmamış, bununla birlikte askeri alana yeni bir anlayış getirmiştir. İHA, uçan platforma ilave olarak, motor, görev sistemleri, yakıt, seyrüsefer ve haberleşme sistemleri gibi gerekli donanımları içerir. İHA sistemi, kontrol istasyonu, faydalı yük, hava aracı, seyrüsefer sistemi ve haberleşme sistemi gibi alt sistemlerden oluşur. Bundan dolayı sadece platforma değil platformun daha verimli kullanılabilmesi için bu araçlara da ihtiyaç vardır.
Otonom İHA ve Çoklu-İşbirlikçi İHA projelerinin uygulamaları askeri ve sivil birçok alanı kapsamaktadır. Askeri alanda istihbarat, gözetleme ve keşif görevleri vardır. Otonom ve Çoklu-İşbirlikçi İHA?lar ile tehlike arz eden bölgelerin devamlı gözetlenmesi, üzerindeki kamera ile hedefleri tanıma özelliği kazandırılması, üzerindeki faydalı yüklerle tehlikeli hedefleri bölgeden uzaklaştırılması ve hareketli hedeflerin takibinin yapılması askeri alandaki kullanım amaçlarıdır. Sivil alanda ise deprem ve sel gibi doğal afetlerden sonra hasar tespitlerinde, orman yangınlarında, kıyı şeridi izleme, uluslararası sınır devriyesi, uyuşturucu trafiği izlemesinde, yol trafiği izleme ve kontrolünde, arazi haritalamasında, atmosfer araştırmasında, hava durumu tahmini gibi senaryolarda Otonom ve Çoklu-İşbirlikçi İHA?ların kullanımı amaçlanmaktadır.
Bu çalışma kapsamında otonomi konusunda öncelik arz eden tekli ve çoklu İHA?lar için tehditli ve engelli ortamlarda güvenli rota planlama konusu üzerine yoğunlaşılmıştır. Genetik Algoritma (GA) kullanılarak İHA?lara ait kinematik kısıtları ve arazi şartlarını göz önünde bulundurarak en uygun rotanın planlanması üzerinde çalışılmıştır. Kullanılan arazi NASA?ya ait gerçek 3 boyutlu uydu görüntülerinden oluşmaktadır. Bu sayede yükseklik verisine erişim sağlanmış ve böylece arazi üzerindeki dağların tespiti yapılmıştır. Gerçek coğrafik koordinat sistemi kullanılarak ve dünyanın geometrik şekli göz önünde bulundurularak yüksek hassasiyetli hesaplamalar yapılmıştır. GA ile global rota planlaması yapılırken noktalar arasındaki geçişlerde yerel rota planlaması üzerinde durulmuştur. Uçağın kinematik özellikleri (maksimum yükselme açısı, dönme açısı vb.) göz önünde bulundurularak aradaki engellere çarpmadan ve tespit edilen tehditli bölgelere girmeden yerel rota planlama yapılmıştır. Tehdit arz eden bölge yarıçapı r olan radar olarak tanımlanır. İki nokta arasında radar tespiti trigonometri yardımıyla yapılır. Dağların tespiti iki nokta arasındaki enlem ve boylam bilgilerini kullanarak aradaki bütün koordinatlar taratılmasıyla yapılır. Maksimum yükseklik tespit edilerek uçağın başlangıç yüksekliği ile karşılaştırılınca uçağın hedef noktaya doğrudan veya yükselerek seyri planlanmıştır. Yükselerek seyir eğer dağı geçmek için yeterli olmuyorsa, uçağın kendi etrafında maksimum dönme yarıçapını dönerek yükselmesi sağlanır, bu sayede engele çarpmadan hedef noktasına güvenli bir şekilde seyri planlanır.
Çoklu rota planlama GA?nın çoklu kromozom yapısı sayesinde gerçeklenmiştir. Çoklu kromozom yapısı içerisinde her bir kromozomun ilk geni pist alanını temsil etmektedir. Böylece her bir İHA için maksimum ve minimum gezmesi gereken nokta sayısı ve dolaşma mesafesi gibi kısıtlar göz önünde bulundurularak çoklu İHA?lar için rota planlaması yapılmıştır.
Bu çalışmada çoklu otonom İHA?ların kullanımına ait avantajların sayısal verilere dayanarak gösterimi yapılmıştır. Bu çalışmada bir İHA yerine birden çok İHA kullanımı daha fazla araziyi daha sık olarak kontrol etme imkânı sağlamıştır. Bir İHA?nın verilen görevi yerine getirmesi için gerekli süre ve maliyetin, birden çok İHA ile görevin tamamlanması için gerekli süre ve maliyete kıyasla daha fazla olduğu ispatlanmıştır. Büyük fakat maliyeti yüksek bir İHA yerine mini fakat düşük maliyetli birden çok İHA ile daha verimli sonuçlar alındığı ve donanıma harcanan maliyetin çoklu İHA kullanımı ile azaldığı görülmüştür.

Abstract:
UAVs are aerial platforms with no human on board, that are guided either under remote control or autonomously by themselves, have motor-driven propulsion, and can climb and carry payloads in a payload area. UAV systems have quickly become widespread since the early 2000?s, and as the number and types of the systems increased, capabilities became highly developed as well. UAV applications not only contributed to military air operations, but also brought new insight to the military area. In addition to the flying platform, UAVs include necessary hardware such as engine, mission systems, fuel, navigation and communication systems. The UAV system is comprised of subsystems such as control station, payload, air vehicle, navigation and communication systems. As a result, in addition to the air platform, these subsystems are also needed in order to utilize the platform more efficiently. 
Project applications of the autonomous UAV and multi collaborative UAV cover numerous military and civilian areas. In the military field, they have intelligence, surveillance and reconnaissance missions. The main gals for utilization of multi collaborative UAV?s in the military field are; continuously monitoring risky places, recognizing targets with the use of cameras, removing hazardous targets from the area with the use of payloads and following mobile targets. In the civilian field, it is aimed to use autonomous and multi collaborative UAV?s for scenarios such as assessment of damage after natural disasters like earthquakes and floods, forest fires, shoreline monitoring, international border patrols, monitoring drug trafficking, monitoring and controlling road traffic, terrain mapping, atmospheric research and for weather forecasts.
Secure route planning in environments with obstacles and threats, which is of first priority for single UAV and multi UAVs, is the main focus of this study. Planning the optimum route by using genetic algorithms by considering kinematic constraints and terrain conditions is investigated. The terrain used in this study consists of real 3D satellite images of NASA. Thus, access to altitude data is achieved and mountains over the terrain are detected. Real geographic coordinate system is used and the geometric shape of the earth is considered for high precision calculations. While global route planning is made by the GA, local route planning is considered for transitions between waypoints. The local route planning is achieved by considering kinematic features of the aircraft, such as maximum elevation angle and rotation angle, avoiding collision with obstacles and passage through regions with threats. The region with threat is defined as the radar with a radius of r. The radar detection between two waypoints is achieved by the use of trigonometry. The detection of the mountains is achieved by searching the coordinates of all points by using the latitude and longitude between two waypoints. The direct or the ascending route of the aircraft to the target is planned by comparing the initial altitude with the maximum altitude. If the ascending route is not enough to pass over, the rise of the aircraft by rotating the maximum rotation angle around its own axis is provided and so the secure transition to the target waypoint is planned.
Multiple route planning is achieved through the multiple chromosome structure in the GA. In the multiple chromosome structure, the first gene of each chromosome represents the runway area. Thus, planning for the multi UAVs is achieved by considering the constraints such as maximum and minimum number of waypoints passed and the total flight distance. 
In this study, advantages of using multi autonomous UAVs are presented on the basis of the numeric data. In this study, using multi UAVs instead of single UAV provides the checking of an increased amount of terrain more often. In this study, it is proved that the required time and cost for completing the mission with a single UAV is much higher than the required time and cost for completing the mission with multi UAVs. It has been seen that, using small and low cost multi UAVs instead of a bigger and high cost single UAV provided more efficient results and the cost of the hardware decreased as well by using multi UAVs.