Dört rotorlu bir insansız hava aracının görüntü işleme tabanlı otomatik kontrolü
Vision-based automatic control of a quadrotor unmanned aerial vehicle
Yazar: GÜRSEL DENİZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HARUN ÇELİK
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle

Özet:
Bu tez çalışmasında, tasarlanan bir insansız hava aracının (İHA'nın) üzerinde bulunan kameradan alınan görüntüler kullanılarak otonom kontrol ve denetleyici yaklaşımı sayesinde hedef nesne tespit ve takibi gerçekleştirilmiştir. Görüntü edinimi ve özellik çıkarımı, hava aracı ile aynı yunuslama ve yuvarlanma açılarıyla hareket ettiği varsayılan monoküler kamera sayesinde elde edilmiştir. Önerdiğimiz yöntem kullanıcı tarafından belirlenen hedef nesne ile İHA arasındaki mesafeyi sabit tutarken aynı zamanda hedefin görüntü düzleminin merkezinde kalarak takip edilmesini sağlamaktadır. Görüntü dinamiklerine dayalı özellikler hedefe paralel sanal görüntüleme düzlemi oluşturulduktan sonra elde edilmiştir. İlerleme ve açısal hareketin üzerindeki hata sinyallerinin etkilerini azaltmak için görüntü hata vektörü önerilmiştir. Görüntü düzlemindeki özniteliklerden yararlanılarak yönelim ve irtifa kontrolü için PID kontrolcüler tasarlanmıştır. Görüntü tabanlı kontrol yaklaşımı ile kontrol edilen sistem için geliştirilen hareket modeli SITL (Software in the Loop) simülatörü kullanılarak Gazebo simülasyon ortamında test edilmiştir. Tasarlanan hava aracının ve geliştirilen hareket modelinin gerçek ortam şartlarında maruz kaldığı etkileri gözlemlemek ve performansa dayalı sonuçlar elde edebilmek için aynı zamanda gerçek ortam test parkuru da oluşturularak deneyler gerçekleştirilmiştir. Simülasyon ve gerçek ortam test sonuçları yörünge kontrolü, özellik çıkarımı ve takip performansı açısından önerilen çözümün geçerliliğini ve etkinliğini göstermektedir. Önerilen kontrol yapısı, küresel konumlandırma sistemlerinin kullanılamadığı veya kullanımının sınırlı olduğu ortamlarda otonom navigasyon uygulamalarına olanak sağlayacaktır.

Abstract:
In this thesis study, target object detection and tracking have been achieved using images obtained from a camera mounted on a designed unmanned aerial vehicle (UAV) through autonomous control and controller approach. Image acquisition and feature extraction were obtained using a monocular camera, assumed to move with the same pitch and roll angles as the aircraft. The proposed method ensures tracking of the target object while maintaining a constant distance between the user-defined target object and the UAV, while keeping the target centered in the image plane. Features based on image dynamics were obtained after creating a virtual imaging plane parallel to the target. An image error vector was proposed to reduce the effects of errors in progress and angular movement. PID controllers were designed for orientation and altitude control using features in the image plane. The developed motion model for the system controlled by the image-based control approach was tested in the Gazebo simulation environment using the SITL (Software in the Loop) simulator. In order to observe the effects on the designed aircraft and the developed motion model under real environment conditions and obtain performance-based results, experiments were also conducted by creating a real environment test track. Simulation and real environment test results demonstrate the validity and effectiveness of the proposed solution in terms of trajectory control, feature extraction, and tracking performance. The proposed control structure will enable autonomous navigation applications in environments where global positioning systems are not available or their use is limited.