İnsansız hava aracı sistemlerinde hata tespit yaklaşımları
Fault detection methods for unmanned airvehicles
Yazar: MERVE DEMİRCAN
Danışman: PROF. DR. COŞKU KASNAKOĞLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
İnsansız hava araçlarının günümüzdeki kullanım alanının hızla artmasıyla birlikte özellikle kontrol yüzeylerinde oluşabilecek problemlein erken tespiti için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bu hata tespitleri, insansız hava araçları (İHA) için sistem güvenliği, dayanıklılık ve güvenilirliğin sağlanmasında önemli bir rol oynar. Bu tez, insansız hava araçlarında irtifa dümeni, yön dümeni ve kanatçık gibi kontrol yüzeylerinin kilitlenmesi, sisteme rastgele giriş değerlerinin verilmesi ve benzeri gibi farklı hata senaryoları için doğrusal olmayan sistemler için Genişletilmiş Kalman Filtresi ve Kokusuz Kalman Filtresi yöntemlerinin uygulanmasını göstermektedir. Sensör sonuçları ile tahmin sonuçları arasında karşılaştırma yapıp ilgili durumların tahminini sunmaktadır. İlk olarak,dinamik ve kinematik denklemlerin yardımıyla hava aracı sisteminin doğrusal olmayan durum uzay sistemi formüle edilmiştir. İnsansız hava aracının ayrodinamik parametreleri rüzgar tüneli deneyleri, uçuş testleri ve parametre benzetim yöntemleri gibi yöntemlerle belirlenmiş, gerekli varsayımlar yapılmış ve sistem matematiksel ortamdan çıkarılıp Simulink ortamında modellenmiştir. Ardından, filtreleri uygulamak için irtifa dümeni, yön dümeni ve kanatçık gibi farklı kontrol yüzeyleri için belirli sürelerde sistemde oluşan farklı hata senaryoları oluşturulmuş ve sistem modeline uygulanmıştır. Sonrasında hatalı kontrol yüzeyinin etkilediği yunuslama, yuvarlanma ve sapma hareketlerinden ilgili hareket durumları incelenmiş ve hata tespitleri gözlemlenmiştir. Son olarak, ölçüm ve filtre tahminleri yorumlanmıştır. Sistem MATLAB ve Simulink ortamında modellenmiştir. Yöntemlerin performansları simülasyon sonuçları kullanılarak yorumlanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Kalman filtresi, İnsansız hava araçları, EKF, UKF, Doğrusal olmayan sistemler, Modelleme, Matlab, Simulink, Elektronik uçuş kontrol sistemleri, Aktüatör hata tespiti, Durum uzay modelleri

Abstract:
Various methods have been developed for the early detection of problems that may occur especially on the control surfaces with the rapid increase in the usage area of unmanned aerial vehicles. These fault detection methods play an important role in ensuring system security, durability and reliability for unmanned aerial vehicles (UAVs). This thesis demonstrates the application of Extended Kalman Filter and Unscented Kalman Filter methods for nonlinear systems for different fault scenarios such as locking of control surfaces such as rudder, elevator and aileron of unmanned aerial vehicles or random input values to the system and etc. It compares the sensor results with the estimation results and presents the estimation of the relevant situations. Firstly, the nonlinear state space system of the aircraft system is formulated with the help of dynamic and kinematic equations. Aerodynamic parameters of unmanned aircraft are determined by methods such as wind tunnel experiments, flight tests and parameter comparison methods, necessary assumptions were made and the system is taken from mathematical environment and modeled in Simulink environment. Then, different error scenarios are created for different control surfaces such as rudder, elevator and aileron in order to apply the filters and applied to the system model. Afterwards, the related motion cases are examined from the pitch, roll and yaw movements affected by the faulty control surface and the error determinations are observed. Finally, measurement and filter estimations are interpreted. The system is modeled in MATLAB and Simulink environment. The performances of the methods are interpreted using simulation results.
Keywords: Kalman filter, Unmanned Air Vehicles, EKF, UKF, Nonlinear systems, Modeling, Simulation, Matlab, Simulink, Flight control systems, Actuator fault detection, State space modeling