Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Anabilim Dalı / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı

A fuzzy logic based real-time air-to-air attack algorithm for unmanned combat air vehicles

Savaşan İHA'lar için bulanık mantık tabanlı gerçek zamanlı hava saldırı algoritması

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 596482 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

Unmanned aerial vehicles (UAV) have been used in different military and civilian areas with the developing technology. Nowadays, their usage and even production has increased in our country. UAVs are the main sources of intelligence in intelligence surveillance and reconnaissance missions. Their ability to be used in military operations will increase day by day due to autonomous and manual flight capabilities, long flight times and real-time aerial image transmission. Due to surveillance missions and increased payload capacities, air ammunition has been used in missions by integrating ammunition to unmanned aerial vehicles. It was important to ensure the safety of air traffic after the increase in the use of UAVs. Unmanned vehicles and piloted aircrafts are used in many different operations from intelligence to attack operations. With the addition of radar systems, autonomous flight computers, advanced processing capabilities, and accurate algorithms, unmanned aerial vehicles capable of attacking from the air to air can be designed. It is necessary to develop relevant algorithms for both combat pilots and UAVs to gain air-to-air attack capability. With the help of the algorithms to be developed, air aerial combat can be performed autonomously. For this purpose, virtual opponents can be created for the training of pilots. Unmanned aerial vehicles with high levels of autonomy become capable of attacking a different aircraft with necessary improvements. The most important part of autonomy are the algorithms that run behind. In order for the UAV to succeed in air to air attack, an air to air attack algorithm that is capable of running in real-time should be developed. An algorithm that can be run in real-time is proposed in this thesis in order to accomplish air to air attack missions from the UCAV. Additionally, the design process of the proposed algorithm is explained in detail. Simulation models and the results of the simulations are also given in detail in this study. A non-linear air vehicle model is utilized to design and test the proposed algorithm. Low level dynamics are not included in the model. High level dynamics of aircrafts that can represent the movement in a realistic way are employed. The algorithm was studied assuming that the sub-level dynamics were successfully controlled with required control systems. Thus, the outputs of the generated attack algorithm are designed to generate reference values for other low level control systems. The outputs of the high level flight control algorithm of an aircraft are roll angle (bank), pitch angle (flight path), yaw angle (heading) and velocity references. In order to drive a piloted or unmanned aircraft to the desired point, it is necessary to control all of the mentioned outputs together. This can be done by controlling each system individually. In this way, navigation and speed control can be separated. In this study, the states of the aircraft are controlled separately. Two different parts are designed in the proposed algorithm as the navigation and the velocity command generation system. In general, the motion of the UAV is controlled by the navigation system and the distance between the target and pursuer aircrafts is kept by the velocity control system. Required commands are generated by the proposed algorithm in order to achieve a successful control. The position and speed information of the target aircraft is assumed to be available at a given frequency from the necessary sensors on the UAV. In today's technology, this situation is considered as realizable. However, the use of only the position and speed information of the target aircraft may not always be sufficient for successful and continuous target tracking. In order to reduce the error during tracking of the target, the internal states of the target aircraft should be estimated by an estimator. In this study, the Extended Kalman Filter is used to estimate the target aircraft's internal states. An algorithm is proposed that uses position and velocity data from measurements and target aircraft internal states obtained by EKF. Thus, target aircraft can be followed at a certain distance from the back. The outputs of the algorithm are constructed as reference yaw angle, roll angle and velocity. Nonlinear methods are used to generate these outputs by using air combat geometry. A reference point that is located behind a certain distance from the tail of the target and same yaw angle with the target is selected and pursuer aircraft is tried to be placed on that reference point and direction by the designed control systems. Thus, the aim basically becomes to follow the path of the target plane as a reference route. Additionally, it was tried to provide zero aspect angle, which is an advantageous position for air combat. Output linearization approach was used to determine the reference angles. Three different methods are used to generate the velocity reference. First, a PID based method is used, then a fuzzy logic based method and an ANFIS based method are used to generate the reference speed of the aircraft. In designing the velocity reference generators, the variables observed by combat pilots during real maneuvers are considered. In order to control all of these variables at the same time, the speed reference should be generated correctly. Air-to-air attack algorithm is designed with the explained methodology and simulations are performed. The results of the simulations confirmed that the algorithm successfully fulfills the air combat requirements for unmanned combat air vehicles.

Summary:

Insansız hava araçları (İHA) gelişen teknoloji ile birlikte birçok askeri ve sivil alanda kullanılmaya başlanmıştır. Günümüzde askeri anlamda da ülkemizde kullanımı ve hatta üretimi artmıştır. İHA'lar keşif gözetleme operasyonlarında ana istihbarat kaynağı olarak yer almaktadır. Otonom ve manuel uçuş kabiliyetleri, uzun havada kalış süreleri ve gerçek zamanlı olarak havadan görüntü aktarımı gibi kabiliyetlerinden dolayı da gün geçtikçe askeri alanlardaki kullanımları artacaktır. Sadece keşif gözetleme görevleri değil, artan faydalı yük kapasiteleri ile birlikte havadan yere mühimmatların insansız hava araçlarına entegrasyonu yapılarak operasyonlarda kullanılmaya başlanmıştır. İHA'ların kullanımının artmasıyla hava trafiğinde de güvenliğin sağlanması önem arz etmiştir. Keşif gözetlemeden saldırı operasyonlarına kadar bir çok farklı operasyonda insansız araçlar ve onlarla birlikte pilotlu hava araçları kullanılmaktadır. Özellikle sınır bölgelerinde hava trafiği yoğunlaşmaktadır ve hava güvenliğinin sağlanması gerekli olmaktadır. Güvenliğin sağlanması için pilotlu hava araçlarının devriye görevleri yapılmaktadır. Ancak, bu işlem pilot ve uçakların uçuş saatlerinin artmasından dolayı maliyetli ve yorucu hale gelmektedir. Gelişen teknolojinin de yardımıyla İHA'lar havadan havaya taarruz yapabilecek hale dönüştürülebilmektedir. Üzerlerine eklenebilecek radar sistemleri, otonom uçuş bilgisayarları, gelişmiş işlem kabiliyetleri ile birlikte doğru algoritmalar ile havadan havaya saldırı yapabilecek insansız hava araçları tasarlanabilmektedir. Havadan havaya taarruzda üstünlük sağlamak için yıllar içinde savaş pilotlarının uygulaması için birçok manevra ve yöntem geliştirilmiştir. Bu manevralar ile savaş uçakları hava-hava saldırılarda birbirlerine karşı avantaj sağlayacak konumlara geçebilmişlerdir. Havadan havaya saldırı aynı anda birçok değişkenin birlikte kontrol edilmesini gerektirmektedir. Havadan havaya saldırı gelişmiş radarlarla uzaktan yapılabileceği gibi görsel temasla yakın mesafelerden yüksek hızlı manevralar ile de yapılabilir. Yakın mesafeden üstünlük sağlama havacılık tabiri ile it dalaşı olarak da adlandırılabilir. It dalaşı sırasında savaş uçakları agresif manevralar gerçekleştirebilmektedir. Bu manevraların yapılması gelişmiş pilotluk gerektirmektedir. Pilotlar da bu yetkinliği kazanmak ve zaman içinde sürekli aktif kalabilmek için uzun süreli eğitimlere tabi olmaktadırlar. Gerek savaş pilotlarının eğitimi, gerekse de İHA'ların havadan havaya saldırı kabiliyeti kazanabilmesi için ilgili algoritmaların geliştirilmesi gereklidir. Geliştirilecek olan algoritmaların yardımı ile hava-hava muharebesi otonom olarak yapılabilmektedir. Bu sayede pilotların eğitimi için sanal rakipler oluşturulabilir. Otonomi seviyesi bir hayli yüksek olan insansız hava araçları ise gerekli geliştirmeler ile farklı bir uçağa hava saldırısı yapabilecek hale gelebilir. Hava-hava saldırı algoritması gerçek bir uçak üzerinde kullanılacağı için gerçek zamanlı çalışabilir olmalıdır. Bunun için de geliştirilecek olan algoritmanın çok fazla işlem yükünün olmaması gereklidir. Algoritma aynı anda birçok değişkeni kontrol edebilir ve değişikliklere uyarlanabilir olmalıdır. Bu tezde gerçek zamanlı çalışabilecek gelişmiş bir havadan havaya saldırı algoritması önerilmektedir. Algoritma İHA'lar düşünülerek önderilmektedir. Çünkü mühimmat taşıyacak olan insansız hava araçlarının manevra kabiliyetleri savaş uçaklarına göre daha azdır ve bu koşul göz önüne alınarak hareket etmeleri gerekmektedir. Önerilen algoritmanın tasarımı için gerekli olan çalışmalar anlatılmıştır. Algoritmanın geliştirilmesi ve test edilmesi için doğrusal olmayan bir hava aracı hareket modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan hava aracı modelinde alt seviye dinamikler yer almamaktadır. Hava aracının hareketini gerçekçi bir şekilde temsil edebilecek üst seviyeden dinamikleri barındıran bir model oluşturulmuştur. Alt seviye dinamiklerin ilgili kontrol sistemleri yardımıyla başarılı bir şekilde kontrol edildiği varsayılarak algoritma çalışılmıştır. Böylece oluşturulan saldırı algoritmasının çıktıları diğer alt sistemlere referans değerler oluşturacak şekilde kurgulanmıştır. Bir hava aracının üst seviye uçuş kontrol sisteminin çıkışları yatış açısı, tırmanma açısı, baş açısı ve hız referanslarıdır. Baş açısı ve yatış açısı kontrolü ile uçak bir noktadan diğer noktaya doğru yönlendirilebilir. Tırmanma açısı ve hız ile de istenen irtifalarda uçulması sağlanabilir. İnsanlı ya da insansız bir hava aracını istenen bir noktadan farklı bir noktaya götürmek için bahsedilen durumların hepsinin birlikte kontrol edilmesi gereklidir. Bu işlem hepsinin aynı anda kontrol edilebildiği çok giriş çok çıkış kontrol sistemleri ile yapılabileceği gibi aynı zamanda daha küçük alt parçalara ayrılıp tek tek ele alınarak da yapılabilir. Bu şekilde navigasyon ve hız kontrolü birbirlerinden ayrılarak ayrı ayrı yapılabilmektedir. Bu çalışmada da uçağın kontrol edilecek durumları ayrı ayrı ele alınarak farklı kontrol sistemleri ile bağımsız idare edilecek şekilde kurgulanmıştır. Tezde navigasyon ve hız kontrol sistemi olarak iki farklı kontrol sistemi tasarlanmıştır. Genel olarak navigasyon sistemi ile İHA'nın eksenlerdeki yönelimi ve açıları kontrol edilmiş, hız kontrol sistemi ile hedef uçak ile arasındaki mesafenin kontrolü sağlanmaya çalışılmıştır. Sonucunda ortaya çıkartılacak olan algoritmanın gerçek zamanlı çalışabilir olması istendiği için tasarım sürecinde olabildiğince basit düşünülerek az işlem gücü gerektirecek şekilde tasarlanmaya çalışılmıştır. Hedef uçağın konum ve hız bilgilerinin İHA üzerindeki gerekli sensörler yardımıyla belirli bir frekansta bilindiği varsayılmıştır. Günümüz teknolojisinde bu durum gerçeklenebilir olarak düşünülmektedir. Ancak, hedef hava aracının sadece konum ve hız bilgilerinin kullanılması başarılı ve sürekli bir kilitlenme için her zaman yeterli olmayabilir. Bu durumların azaltılması için hedef hava aracının iç durumlarının bir filtre yardımıyla tahmin edilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada hedef hava aracının durumlarının kestirilmesi için Genişletilmiş Kalman Filtresi (Extended Kalman Filter) kullanılmıştır. Kalman filtreleri çıkış büyüklüklerinin ölçülebildiği ve modeli bilinen bir sistemin iç durumlarının kestirilmesine imkan sağlamaktadır. Konumu ve hızı ölçümlerden, diğer durumları da Kalman filtresi tarafından elde edilen hedef uçak bilgilerini kullanan ve hedef uçağın her zaman arkasından belirli bir mesafe ile takip edebilecek bir algoritma oluşturulmuştur. Oluşturulan algoritmanın çıktıları referans baş açısı, yatış açısı ve hız olarak kurgulanmıştır. Bu çıktıları oluşturmak için hava muaharebe geometrisi ve doğrusal olmayan yöntemler kullanılmıştır. Kısaca, hedef uçağın kuyruğunun belirli bir mesafe arkadasında ve her zaman hedef uçak ile aynı yöne bakacak şekilde referans bir nokta belirlenerek mevcut hava aracını o konuma ve duruşa getirecek baş açısı ve yatış açısı referansları oluşturulmaktadır. Aynı zamanda o konuma olabildiğince hızlı gidebilmek ve aradaki mesafeyi her zaman koruyabilmek adına uçağın hızı da kontrol edilmektedir. Böylece hedef uçağın hareketleri referans yol olarak düşünülüp her zaman o yol takip edilmek istenmiştir. Ancak referans yol belirlenirken hava muharebesi için avantajlı konum olan 0 derece görüş açısı sağlanmaya çalışılmıştır. Referans açıları belirlerken doğrusal olmayan yöntemler kullanılmıştır. Doğrusal olmayan kontrol yöntemleri için çıkış doğrusallaştırma belirli yaklaşımlarla yapılmaya çalışılmıştır. Uçağın hızını kontrol etmek için gereken referans değerleri üretmek için ise üç farklı yöntem kullanılmıştır. Bu yöntemlerden ilki PID tabanlı bir yöntem, bir diğeri bulanık mantık tabanlı bir yöntem ve sonuncusu da uyarlamalı bulanık mantık tabanlı bir yöntemdir. Referans oluşturucu sistemler tasarlanırken savaş pilotlarının gerçek manevralar sırasında gözledikleri değişkenler düşünülmüştür. Bu değişkenlerin hepsinin aynı anda sağlanması için olması gereken hız referansı elde edilmeye çalışılmıştır. Bahsedilen şekilde havadan havaya saldırı algoritması oluşturulmuş ve simülasyonlar yapılmıştır. Yapılan simülasyonların sonuçları çalışmada belirtilmiş ve tasarlanan algoritma simülasyonlar ile doğrulanmıştır. Önerilen algoritma yardımı ile hava-hava angajman kabiliyeti olan bir insansız hava aracı için otonom saldırı yapabilmek adına gerekli referans açı değerleri ile referans hız komutları oluşturulabilmektedir.