İnsansız Hibrid Bir Hava Aracının (Hiha) Otonom

UHAT-2015 / III. Ulusal Havacılık Teknolojisi ve Uygulamaları Kongresi
23-24 Ekim 2015 Konak – İZMİR
İnsansız Hibrid Bir Hava Aracının (Hiha) Otonom Performansının En İyilenmesi
An Unmanned Hybrid Aerial Vehicle (Hiha) Best Suited To The Automatic
Performance
1
2
Metin UZUN , Tuğrul OKTAY , Mehmet KONAR
3
ABSTRACT:
In this study pre-design, dynamic modeling and flight modes of an unmanned aerial vehicle (UAV) having
both helicopter mode and fixed-wing aircraft mode is investigated. ZANKA-IV air vehicle which will be
manufactured in Erciyes University Faculty of Aeronautics and Astronautics Model Aircraft Laboratory will
have both passive and active morphing properties. Moreover, this HUAV (Hybrid Unmanned Aerial Vehicle)
will be automatically flown by PID based autopilot system. In this study sizes of morphing mechanisms and
autonomous system will be first time evaluated simultaneously in order to maximize autonomous
performance. During simultaneous design a stochastic optimization method will be benefited. Therefore,
optimum solution will be obtained fast. Furthermore, as a result of this approach autonomous control of
HUAV will be considerably more efficient. In this study a cost function consisting of settling time, rise time
and overshoot is chosen as a performance criteria. As a result of simultaneous design an 8% improvement in
autonomous performance is obtained. Moreover, for pitch angle trajectory tracking success is found.
Key Words: Hybrid UAVs, Autonomous Flight, Performance, Maximization
ÖZET:
Bu çalışmada hem helikopter moduna sahip hem de sabit kanatlı uçak moduna sahip insansız bir hava
aracının (İHA) ön tasarımı, dinamik modellemesi ve uçuş modları öncelikle ele alınacaktır. Erciyes
Üniversitesi Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi Model Uçak Atölyesinde üretilmesi planlanan ZANKA-IV
hava aracı pasif ve aktif başkalaşım mekanizmalarına sahip olacaktır. Ayrıca bu HİHA (Hibrid İnsansız Hava
Aracı) PID bazlı bir otopilot sistemi ile otomatik olarak uçurulacaktır. Bu çalışmada başkalaşım
mekanizmalarının ve otonom sistemin büyüklükleri ilk defa bir Hibrid İHA için eş zamanlı olarak otonom
performansı maksimize edecek şekilde belirlenecektir. Eş zamanlı tasarım sırasında rassal bir optimizasyon
yönteminden faydalanılacaktır. Bu da optimum çözüme hızlı bir şekilde ulaşılmasını sağlayacaktır. Ayrıca bu
tasarım yaklaşımı sayesinde HİHA otonom kontrolü kayda değer miktarda daha verimli hale getirecektir. Bu
çalışmada performans kriteri olarak oturma zamanı, yükselme zamanı ve aşımdan oluşan bir maliyet
fonksiyonu seçilmiştir. Eş zamanlı tasarım sonucu 8% bir iyileşme otonom performansta görülmüştür. Ayrıca
yunuslama açısı için yörünge izleme başarısı gösterilmiştir.
Anahtar Kelime:Hibrid İHA’lar, Otonom Uçuş, Performans, Maksimizasyo
Arş. Gör., Erciyes Üniversitesi, Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi, [email protected].
Yrd. Doç. Dr., Erciyes Üniversitesi, Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi, [email protected].
3
Öğr. Gör., Erciyes Üniversitesi, Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi, [email protected].
1
2
87
UHAT-2015 / III. Ulusal Havacılık Teknolojisi ve Uygulamaları Kongresi
23-24 Ekim 2015 Konak – İZMİR
1. GİRİŞ:
Son yıllardaki teknolojik gelişmeler, insansız hava araçlarını (İHA’lar) popülerliği giderek artan bir akademik
araştırma konusu ve mühendislik uygulama sahası haline getirmiştir [1-4]. İHA’lar askeri uygulamalar,
havadan mayın tespiti, dijital haritalama, elektronik harp, radar doygunluk ve karıştırma, kurtarma,
meteoroloji, havadan fotoğraf ve video çekimi, trafik gözetleme, küçük paket taşıma, bilimsel araştırmalar,
kaçak yapılaşma v.b. birçok durumun gözlem ve analizini, hızlı ve güvenli bir şekilde gerçekleştirmektedir
(bknz. Erdemir, 1998; Güney ve Onay, 2004; Dikmen ve ark., 2010; Onay ve ark., 2013). Kullanım alanlarına
göre elektrikli ve sıvı yakıtlı olan bu araçların boyları bir böcek kadar küçük olabileceği gibi, binlerce
kilograma çıkabilecek kadar büyük olabilmektedir. İHA sistemlerinin sınıflandırılmasında farklı kriterler
kullanılmaktadır. İHA’lar uçuş menzili, havada kalış süresi ve irtifalarına göre Özel Görevli İHA’lar, HALE
(yüksek irtifa, uzun uçuş süreli stratejik İHA), MALE (orta irtifa, uzun uçuş süreli İHA), EN-TUAV (uzun süre
havada kalan Taktik İHA, TİHA), LR-TUAV (uzun menzil TİHA), MR-TUAV (orta menzil TİHA), SR-TUAV (kısa
menzil TİHA), CR-TUAV (yakın menzil TİHA), MUAV (mini İHA), MAV (mikro İHA) ve VTOL UAV şeklinde
sınıflandırılabilir (Bento). Bu projede elektrikli, hem pasif hem de aktif başkalaşım özelliği bulunan bir CRVTOL İHA tasarlanacak ve üretilecektir. İsrail Ordusu’nda görev yapan IAI Heron (wiki) (bknz. Şekil 1)
dünyada engelişmiş HİHA olarak karşımıza çıkmaktadır. Ancak bu HİHA herhangi bir başkalaşım özelliğine
sahip değildir. Bu sebeple optimum performansla çalışması mümkün değildir. Daha düşük seviyede HİHA
üzerine çalışmalar da az sayıda da Türkiye’de gerçekleştirilmiştir (bknz. Ozdemir ve ark., 2014).
a.
b.
Şekil 1. IAI Mini Panther (a) ve IAI Panther (b)
Askıda kalma sırasında VTOL hava araçlarının verimliliği verimli rotor alanının küçük olması münasebeti ile
helikopterlere göre daha azdır. Hâlbuki seyir uçuşu sırasında geçen zaman askıda kalmada geçen zamandan
çok daha az olduğundan dolayı, VTOL hava araçları daha iyi seyir uçuşu performansından dolayı kompozit
verimliliği helikopterlerden daha iyidir (bknz. Ozdemir ve ark., 2014; Smith ve Belina , 1974). Ayrıca VTOL
hava araçları helikopterlere göre çok daha fazla faydalı yük taşıma kabiliyetine sahiptir. Helikopterler seviye
uçuşu sırasında rotorların düşük enerji dönüşüm verimliliğinden dolayı ve de rotor uçlarında yüksek seyir
hızlarından kaynaklı süpersonik sürat limitlerinden dolayı performans limitasyonlarına maruzdur. VTOL hava
araçları helikopterlerde olduğu gibi düz uçuşta performans limitasyonlarına maruz kalmazlar.VTOL İHA’lar
insansız helikopterin düşey kalkış ve iniş özelliklerini bulundurmasının yanında, konvansiyonel sabit kanatlı
İHA’ların yüksek seyir hızı özelliğini de barındırmaktadır. Böylece, VTOL İHA’lar standart iniş ve kalkış için
uygun olmayan tehlikeli ortamlarda dahi kalkış ve iniş işlemlerini gerçekleştirebilir. Aynı zamanda, çok kısa
88
UHAT-2015 / III. Ulusal Havacılık Teknolojisi ve Uygulamaları Kongresi
23-24 Ekim 2015 Konak – İZMİR
bir zaman aralığı içerisinde hedef çalışma sahasına ulaşabilir. Bütün bu özellikler VTOL İHA’ların standart
insansız helikopterlere ve konvansiyonel İHA’lara göre daha geniş bir görev aralığında yüksek performansla
çalışmasına müsaade eder.
2. HİHA Dinamiği ve Durum-Uzay Modeli:
Denklemler (1) ve (2) sırasıyla bir HİHA’nın boylamasına ve yanal durum-uzay modelleri parametrik olarak
sunulmuştur. Bu denklemler farklı HİHA geometrileri içinde uygundur. Matrislerdeki parametrelerin
bulunması için öncelikle Nelson, 2007 ve farklı kaynaklardan yararlanılabilir.
Al
xl
Xu
Xw
0
g
 u  
Zu
Zw
u0
0
w 
 q   M  M Z M  M Z M  M u
0
w w
w
w w
q
w 0
  u


  
0
0
1
0
h  
    sin(0 )
cos(0 )
0
u0 cos(0 )
0
Bl
xl
u 
 
0 w 
  
0  q   M

 T
0  
  
0 h  
X
Z
Ze
T
 M w Z
T
0
0

 ul
  
Me  M w Ze   T 
  e 
0


0
X e
T
(1)
Ala
Y

xla

u0

   
I
 p   L*  xz N*
I xx
 r  
 
   Nv*  I xz L*v
I zz
  
 

0

0

Yp
(1 
u0
I xz
Lp 
*
I xx
Np 
*
I xz
I zz
Bla
Np
Lr 
*
Nr 
*
Lp
*
*
Yr
)
u0
I xz
I xx
I xz
I zz
*
Nr
*
Lr
1
0
0
sec(0 )

Yr


 cos(0 ) 0 x
0
la


u0
u0


 u





la
I
I
0
0  p  L*  xz N* L*  xz N* 
a
a
r
r   

I xx
Ix
  r   
 a
    * I xz *
I xz *   r 
*
L Nr 
L
0
0   Na 

I zz a
I zz r 
   

0
0
0
0




0
0

0
0
g
(2)
Tablo 1. Durum ve Kontrol Değişkenleri ve Açıklaması
89
UHAT-2015 / III. Ulusal Havacılık Teknolojisi ve Uygulamaları Kongresi
23-24 Ekim 2015 Konak – İZMİR
u
HİHA Boylamasına
bileşeni
v
HİHA Yanal doğrusal hız bileşeni
 ped
w
HİHA Düşey doğrusal hız bileşeni
 govmast
Kumanda uçak modu boylamasına
çubuk girişi
Kumanda uçak modu pedal çubuk
girişi
Kumanda ana rotorların direklerinin
çubuk girişi
p
HİHA Yuvarlanma açısal hızı
 ail
HİHA Aileron dönme açısı
q
HİHA Yunuslama açısal hızı
 elev
HİHA Elevatör dönme açısı
r
HİHA Sapma açısal hızı
 rud
HİHA Rudder dönme açısı
A
HİHA Yuvarlanma açısı
f 0
Ön rotorların kollektif açısal hızı
A
HİHA Yunuslama açısı
 fd
Ön rotorların diferansiyel açısal hızı
A
HİHA Sapma açısı
b0
Arka rotorun kollektif açısal hızı
Kumanda helikopter ve geçiş modları
gaz çubuk girişi
Kumanda helikopter ve geçiş modları
yanal çubuk girişi
Kumanda helikopter ve geçiş modları
boylamasına çubuk girişi
Kumanda helikopter ve geçiş modları
pedal çubuk girişi
Kumanda uçak modu yanal çubuk
girişi
b
Arka rotorun sağa-sola eğilme açısı
 mast
HİHA ana rotorların direklerinin
kollektif öne eğilme açısı
Kumanda ana rotorların direklerinin
çubuk girişi
 gov
 gov
f0
f0d
 gov
b0
 gov
b
 lat
Çubuk
doğrusal
hız
long
 govmast
Tablo 2. Kumanda Çubuklarının Uçuş Modlarına Göre Kullanımı
1. mod
2. mod
3. mod
1. çubuk ileri-geri
 gov
1. çubuk sola-sağa
 gov
2. çubuk ileri-geri
 gov
 gov
long
2. çubuk sola-sağa
 gov
 gov
 ped
 gov
f0
 gov
f0d
b0
f0
f0d
b0
b
b
 gov
f0
 lat
Tablo 1. üretilmesi planlanan HİHA’ nın durum-uzay modelinde oluşturan durum değişkenleri ve kontrol
değişkenleri ayrıntılı olarak sunulmuştur. Bu tabloda görülmektedir ki ele alınan HİHA’ nın durum vektörü 9
tane fiziksel parametreden oluşmaktadır. Bunlar: 3 tane doğrusal hız bileşeni (u, v, w), 3 tane açısal hız
bileşeni (p, q, r) ve 3 tane yönelim açısı (  A ,  A ,  A ) dır.
Tablo 2. de HİHA kumanda çubuklarının uçuş modlarına göre kullanımı özetlenmiştir. Üretmeyi planladığımız
HİHA bir joystik kumanda vasıtasıyla yönetilecektir. Birinci mod olan helikopter modunda 4 adet kontrol
yüzeyi, joystik vasıtasıyla şu şekilde kontrol edilir. Birinci çubuğun ileri-geri hareketi HİHA’ nın öndeki iki
90
UHAT-2015 / III. Ulusal Havacılık Teknolojisi ve Uygulamaları Kongresi
23-24 Ekim 2015 Konak – İZMİR
rotorunu dönüş hızlarını aynı anda artırır ve azalttırır. Yine birinci çubuğun sağ-sol hareketi HİHA‘nın sol
rotorunun dönüş hızını artırırken sağ rotorunun dönüş hızını azaltır ve sol rotorun dönüş hızını azaltırken sağ
rotorun dönüş hızını artırır. Yani HİHA’nın yuvarlanma kontrolünü sağlar. İkinci çubuğun ileri-geri hareketi
arka rotorun dönüş hızını artırır veya azaltır. Yani HİHA’nın yunuslama kontrolünü sağlar. Yine ikinci çubuğun
sola-sağa hareketi arka rotorun tepki doğrultusunu eğer. Bu şekilde HİHA’nın sapma kontrolü sağlanır. İkinci
mod olan geçiş modunda, birinci mod olan helikopter modunda olduğu gibi joystiğin çubukları aynı kontrol
yüzeylerini aynı şekilde yönetir. Üçüncü mod olan uçak modunda ise kontrol yüzeyleri değişir. Joystiğin
birinci çubuğunun ileri-geri hareketi iki pervanenin birden aynı anda dönüş hızını azaltır veya artırır. Birinci
çubuğun sağ-sola hareketi ise aileronun kontrolünü sağlar. Bu şekilde HİHA’nın sapma hareketi yönetilir.
İkinci çubuğun ileri-geri hareketi ise kuyrukta bulunan elevatörün kontrolünü sağlar. Bu şekilde HİHA’nın
yunuslama hareketi yönetilir. İkinci çubuğun sola-sağa hareketi ise yine kuyrukta bulunan rudderın
kontrolünü sağlar. Bu şekilde HİHA’nın sapma hareketi yönetilir.
Bu çalışmada üretilmesi planlanan HİHA’nın otonom performansını maksimize etmek için üretilmesi
planlanan başkalaşım mekanizmalarının büyüklükleri ile otopilot sisteminin kazanç parametreleri eş zamanlı
olarak belirlenmiştir. Örnek bir uygulamada HİHA’nın 30 derecelik yunuslama açısını izlemesi gerekmektedir.
Şekil 2 da eş zamanlı tasarım sonucunda elde edilen nihai HİHA’nın 30 derecelik yunuslama açısını takip
etmesi sunulmuştur.
Şekil 2. Türbülansız Ortamda Nihai Optimum Sonuca Göre Yunuslama Referans Yörünge Takibi
Şekil 3 ve 4 de ise eş zamanlı tasarım ile otonom performanstaki iyileşme ve izafi iyileşme sunulmuştur. Şekil
3’de x ekseni hangi iterasyonda olunduğunu y ekseni ise ilgili otonom sistemin maliyeti gösterilmektedir ve
bu şekilde görülmektedir ki iterasyon sayısı arttıkça maliyet fonksiyonun değeri düşmektedir.
Şekil 3. Optimizasyon Adımlarında Enerji/Performans Davranış
91
UHAT-2015 / III. Ulusal Havacılık Teknolojisi ve Uygulamaları Kongresi
23-24 Ekim 2015 Konak – İZMİR
Şekil 4. Optimizasyon Adımlarında İzafi Enerji/Performans Tasarrufu/İyileştirme Davranışı
Şekil 5. Üretilmesi Planlanan HİHA Ön Çizimi (ZANKA-IV)
Şekil 4’te ise bu çalışmada tanımlanan izafi maliyet fonksiyonunun iterasyon indeksi ile birlikte değişimi
gösterilmektedir. Bu şekilde görülmektedir ki iterasyon sayısı arttıkça otonom performansta ki iyileşme % 8
lere yaklaşmaktadır. Şekil 5 de is üretilmesi planalanan HİHA’nın ön çizimi sunulmuştur.
3. Sonuç ve değerlendirme
Bu çalışma kapsamında hem helikopter moduna sahip hem de sabit kanatlı uçak moduna sahip insansız bir
hava aracının (İHA) ön tasarımı, dinamik modellemesi ve uçuş modları ilk olarak ele alınmıştır. Erciyes
Üniversitesi Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi Model Uçak Atölyesinde üretilmesi planlanan ZANKA-IV
hava aracı pasif ve aktif başkalaşım mekanizmalarına sahip olacak şekilde ele alınmıştır. Ayrıca bu HİHA PID
bazlı bir otopilot sistemi ile otomatik olarak uçurulması planlanmıştır. Bu çalışma kapsamında başkalaşım
mekanizmalarının ve otonom sistemin büyüklükleri ilk defa bir Hibrid İHA için eş zamanlı olarak otonom
performansı maksimize edecek şekilde belirlenmiştir. Eş zamanlı tasarım sırasında rassal bir optimizasyon
yönteminden (SPSA yöntemi) faydalanılmıştır. Bu da en iyi sonuca hızlı bir şekilde ulaşılmasını sağlamıştır.
Ayrıca bu tasarım yaklaşımı sayesinde HİHA otonom kontrolü önemli miktarda (yaklaşık %8) daha verimli
hale getirilmiştir.
92
UHAT-2015 / III. Ulusal Havacılık Teknolojisi ve Uygulamaları Kongresi
23-24 Ekim 2015 Konak – İZMİR
Kaynaklar
Erdemir, S. 1998. “İHA Sistemlerinde Hava Aracı ve Görev Faydalı Yükleri”, ASELSAN, 45.
Güney K. ve Onay, M. 2004. “İnsansız Hava Araçlar ve İmge İşlemenin Vizyonu”, V. Havacılık Sempozyumu,
Kayseri.
Dikmen, İ. C., Arısoy, A. ve Temeltaş, H. 2010. “Dikey İniş-Kalkış Yapabilen Dört Rotorlu Hava Aracının
(Quadrotor) Uçuş Kontrolü”, Havacılık ve Uzay Teknolojileri Dergisi, 3, 33-40.
Onay, M., Özkoca, M. ve Çıklaiblikçi, K. İ., Batgı, S. 2013. “İnsansız Hava Aracı ile Trafik Denetimi”, IV.
Karayolu Trafik Güvenliği Sempozyumu, Ankara.
Bento, M. De Fatima, Unmanned Aerial Vehicles: An Overview, İHA Sınıflandırması.
http://en.wikipedia.org/wiki/IAI_Panther
Ozdemir, U., Aktas, Y. O., Vuruşkan, A., Dereli, Y., Tarhan, A. F., Demirbag, K., Erdem, A., Kalaycioglu, G. D.,
Ozkol, I., Inalhan, G., “Design of Commercial Hybrid VTOL UAV System”, Journal of Intelligent Robotic
Systems, Vol. 74, pp. 371-393, 2014.
Smith, K. R. ve Belina, F. W., “Small V/STOL Aircraft Analysis”, Vol. 1, NASA Report CR-2425, 1974.
Nelson, R. C. 2007. Flight Stability and Automatic Control. 2nd ed., McGraw-Hill, New York, chapters 2-6.
93