DO-178c/DO-331 uyumlu model tabanlı tasarım yaklaşımı kullanılarak bulanık mantık tabanlı uçuş kontrol sistemi geliştirilmesi
Development of fuzzy logic based flight control system using DO-178c/DO-331 compliant model based design approach
Yazar: YUNUS ERTUĞRUL
Danışman: PROF. DR. CENK ULU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
Uçuş kontrol sistemleri hava araçlarının görevlerini sorunsuz ve sağlıklı icra edebilmesi açısından oldukça önemlidir. Bu yüzden bu sistemlerden üretilen ve hava aracı uçuş kontrol bilgisayarında koşacak emniyet-kritik yazılımın, amacına uygun fonksiyonu gerçekleştirebilmesi ve bu esnada herhangi başka bir sistemin çalışmasını olumsuz yönde etkilememesi gerekir. Amerikan Havacılık Dairesi (FAA), Avrupa Havacılık Emniyeti Ajansı (EASA) gibi uluslararası havacılık sertifikasyon otoriteleri bu iki temel kuralı kendi havacılık kurallarında tanımlamışlardır. Öyle ki bu otoriteler, havacılık yazılımlarında bu iki temel kuralı denetleyen DO-178C yazılım rehber dokümanını ve yazılım geliştirme süreçlerinde kullanılan model tabanlı tasarım yöntemini açıklayan DO-331 ekini referans almaktadırlar.
Bu çalışmada DO-178C/DO-331 model tabanlı tasarım yaklaşımıyla F-16 savaş uçağına üç eksende kararlılık ve kontrol artırıcı sistemlerden oluşan bulanık mantık uçuş kontrol sistemi geliştirilmiştir. Uçuş kontrol sistemi tasarımında bulanık paralel dağıtılmış kompanzasyon (PDK) yöntemi kullanılmış ve standartlara uygun bir bulanık PDK tabanlı uçuş kontrol sistemi literatürde ilk kez tasarlanmıştır. İlk olarak Yazılıma Atanan Sistem Gereksinimleri (YASG) belirlenmiş, sonrasında bu gereksinimlerden daha detay bilgilere sahip Üst Seviye Gereksinimler (ÜSG) oluşturulmuştur. İki gereksinim seti arasında çift yönlü izlenebilirlik bağlantıları Simulink Requirements Editor aracında kurulmuştur. Bu faaliyetten sonra Simulink ortamında ÜSG'ye göre Alt Seviye Gereksinimleri (ASG) temsil eden uçuş kontrol sistemi modeli geliştirilmiştir. F-16 doğrusal olmayan sistem modeli olarak Minnesota Üniversitesi'nin oluşturduğu model kullanılmıştır. Model ve ÜSG arasında izlenebilirlik bağlantıları eklenmiştir. Daha sonra uçuş kontrol sistemi modelinin ÜSG ile doğrulanması, Simulink Test aracılığıyla geliştirilen model benzetim testleri üzerinden gerçekleştirilmiştir. DO-331 rehber dokümanından gelen model benzetim aktivitesi henüz koda geçmeden model üzerinde benzetimler çalıştırarak olası hataların olup olmadığını test etmektedir. Bu testler esnasında model kapsama analizleri de yapılmıştır. Modelde benzetim sırasında test edilmeyen herhangi bir elemanın olup olmadığını denetleyen bu analiz sonucunda %100 başarım oranına erişilmiştir. Bu da geliştirilen uçuş kontrol sistemi modelinde herhangi eksik bir kapsama olmadığını göstermektedir. Model tabanlı tasarım yönteminin model üzerindeki son aktivitesi standartlara uyumluluk kontrolüdür. Simulink'in Model Advisor aracı ile uçuş kontrol sistemi modelinin DO-178C/DO-331 standartlarına uyumluluğu kontrol edilmiş ve herhangi bir hata ile karşılaşılmamıştır. Nihayetinde bu aktivite ile süreç sonlanmış ve zaman, maliyet, harcanan efor gibi kriterlerde diğer geleneksel doküman tabanlı süreçlere göre birçok avantajı bulunan DO-331 model tabanlı tasarım yaklaşımıyla F-16 savaş uçağına bulanık PDK tabanlı bir uçuş kontrol sistemi geliştirilmiştir.

Abstract:
The flight control system software, which is one of the most important systems of aircraft, must perform the desired functions and must not adversely affect other systems while performing these functions. International aviation certification authorities such as the Federal Aviation Administration (FAA) and European Union Aviation Safety Agency (EASA) have regulated these two technical aviation rules in their own aviation regulations. These authorities refer to the DO-178C software guidance document for compliance with these two fundamental rules, and the DO-331 standard, which is an appendix to this document and explains the Model Based Design methodology.
In this study, a fuzzy logic based flight control system consisting of three-axis stability and control augmentation systems (SAS and CAS) is developed for the F-16 fighter aircraft by using the DO-178C/DO-331 compliant model-based design approach. In the flight control system design, the fuzzy parallel distributed compensation (PDC) method is used and a fuzzy PDC based flight control system in compliance with the standards is designed for the first time in literature. First, the system requirements allocated to software (SRATS) are developed, then high-level requirements (HLR) with more detailed information are created from these requirements. Bidirectional traceability links between these two requirement sets are established in the Simulink Requirements Editor tool. After this activity, according to the HLR, a flight control system model representing the low-level requirements (LLR) is developed in the Simulink environment. The plant model provided by the University of Minnesota is used as the F-16 nonlinear system model. Traceability links between the model and HLR are added. Then, the verification of the flight control system model with the HLR is carried out through model simulation tests created in the Simulink Test Manager interface. The model simulation activity coming from the DO-331 guidance document tests whether there are any possible errors by running simulations on the model before the code development process. During these tests, model coverage analyses are also performed to check if there are any untested elements in the simulation model. As a result of these analyses, a success rate of 100% is reached. This result shows that there is no missing coverage in the developed flight control system model. The last activity of model-based design methodology in the model development phase is to check compliance with DO-178C/DO-331 standards. Compliance of the flight control system model with DO-178C/DO-331 standards is analyzed with the Simulink Model Advisor tool and no errors are found. Finally, the process is concluded with this activity, and the fuzzy PDC based flight control system is developed for the F-16 fighter aircraft using the DO-331 compliant model-based design approach, which has many advantages over other traditional document-based processes in terms of time, cost, and effort.