TMMOB Makina Mühendisleri Odası VIII. Ulusal Uçak, Havacılık ve Uzay Mühendisliği Kurultayı 22-23 Mayıs 2015 / ESKİŞEHİR ANADOLU ÜNİVERSİTESİ’NDE OTONOM ARAMA VE KURTARMA AMAÇLI DENEYSEL İHA SİSTEMİ GELİŞTİRME ÇALIŞMALARI Tamer SAVAŞ 1, Tansu FİLİK 2 1 Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi, Pilotaj Bölümü, Anadolu Üniversitesi, 26470 Eskişehir, TÜRKİYE Tel: 222 335 05 80 E-Posta: tsavas@anadolu.edu.tr 2 Mühendislik Fakültesi, Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü, Anadolu Üniversitesi, 26470 Eskişehir, TÜRKİYE Tel: 222 335 05 80 E-Posta: tansufilik@anadolu.edu.tr Özet- Günümüzde İnsansız Hava Aracı (İHA) sistemleri özellikle askeri uygulamalarda istihbarat, izleme ve keşif amaçlı olarak yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Bu sistemlerin daha küçük boyutlularının kullanımının özellikle sivil uygulamalarda yaygınlaşacağı, öneminin ve kullanım alanının artacağı öngörülmektedir. Bu çalışma kapsamında, alanda en geniş katılımlı derneği olan Uluslararası İnsansız Araç Sistemleri Derneğinin (AUVSI) her yıl en iyi ekiplerin yarıştığı uluslararası insansız hava sistemleri (SUAS) yarışmasına Anadolu Üniversitesi adına katılım sağlayan BORAN sistemi tanıtılmaktadır [1,2]. Yarışma prestijli ve zorlu bir sistem mühendisliği yarışması olarak kabul görmektedir. Yarışmada otonom uçuş, otonom hedef tespit, konumlandırma ve sınıflandırma vb. gibi birincil ve ikincil görevler bulunmaktadır. Bu çalışma kapsamında yarışma için geliştirilen sistemin anlık görev alabilme, otonom uçuş, hedef arama/konumlandırma, görüntü işleme/tanıma, yüksek çözünürlüklü verileri anlık iletme, hedefleri anlamlandırma gibi yetenekleri mevcuttur. Geliştirilen sistemin (faydalı yükün) alt bileşenlerinin, özgün görüntü işleme algoritmalarının tasarlanması, geliştirilmesi ve hava platformuna entegrasyon aşamaları bu çalışmada özetlenmektedir. Anahtar Kelimeler: İHA,İHA Sistemleri, ISR, SUAS Otonom Uçuş 1. GİRİŞ Son yıllarda insansız hava araç (İHA) sistemlerinin yaygınlaşması ile İHA'ların otonom ve otonom olmayan (uzaktan pilot kontrollü) uygulamamada kullanımı artmaktadır. Bilindiği gibi askeri standartlardaki insansız hava araçlarının (İHA) kabiliyetleri de (uçuş süresi, irtifa, işlem gücü, donanımlar) hızla iyileştirilmektedir. Sivil amaçlı küçük, ucuz ve kolay erişilebilir İHA’ların uçuş süresi, irtifası ve hızı diğer askeri sistemlere göre düşük olmaktadır. Ayrıca bu sistemlerin taşıyabileceği faydalı yük miktarı da oldukça az olduğundan, bu İHA'lar benzeri uygulamalar için ciddi kısıtlamaları bünyesinde barındırmaktadır. Öte yandan, sivil İHA'lerin hızla yaygınlaşacağı ve İHA tabanlı çeşitli sivil uygulamaların gelişeceği öngörülmektedir [3]. Bundan dolayı ucuz, erişime açık ve küçük İHA’ların kabiliyetlerinin arttırılması ve kullanılabilirliği üzerine çalışmalar yapılması gerekmektedir. İHA sistemlerinin yukarıda bahsi geçen birçok sivil alanda uygulanması beraberinde yetişmiş insan gücünün gereksinimini ortaya çıkarmaktadır. Bu anlamda üniversite lisans düzeyindeki öğrencileri bu alanda teşvik eden, ülkemizde ve yurt dışında “Future Flight Design-FFD”, Tasarla-Yap-Uçur (Design-Build-Fly DBF) yarışmaları gibi uluslararası birçok yarışma düzenlenmektedir. AUVSI derneğinin her yıl lisans öğrencilerin için düzenlediği AUVSI SUAS (Student Unmanned Aerial Systems) yarışması da bunlardan bir tanesidir. SUAS yarışması insansız sistem teknolojileri alanında ilginin artmasını ve teşvik edilmesini amaçlamaktadır. Yarışma öğrencilerin sistem mühendisliği yaklaşımıyla zaman kısıtlı görevlerin otonom operasyonlar altında analiz, tasarım, üretimi ve uygulamaları gibi sistem kabiliyetlerinin geliştirilmesini hedeflemektedir [1, 2]. Şekil 2’de 2014 yılında gerçekleşen AUVSI SUAS yarışmasından bir kare görülmektedir. Her sene katılan ekip sayısı ve kalitesi artmaktadır, yeni görevler eklenmekte belirli bir disiplinde ekiplerin tasarımlarını geliştirip sistem mühendisliği standartlarında belgelendirmeleri gerekmektedir. Bu çalışma kapsamında mevzu geçen yarışmaya katılım için geliştirilen özgün sistem ve bileşenleri sunulmaktadır. Buna göre tasarlanan sistem; hava aracı platformu, İHA’nın görevini icra etmesini sağlayan yer istasyonu, gerekli kumanda ve kontrol veri linki sistemi ile diğer alt sistemlerden oluşmaktadır [4,5,6,7] (Şekil 1). Diğer alt sistemlere faydalı yük, başlatma ve kurtarma (Launch and Recovery-LRE) sistemi, Hava Trafik Kontrol haberleşme sistemleri vb. örnek verilebilir. büyük bir başarı ede edilmiştir [9]. Şekil 3’de yarışmanın düzenlendiği alan görülmektedir. Şekil 3.AUVSI SUAS Yarışma Alanı Şekil 1. İHA Sistem Yapısı [6,7] İHA sistemleri emniyeti tehlikeye atan, yüksek riskli ve odaklanma kaybına neden olacak kadar uzun süreli görevlerde, insan faktörünü en aza indirmesi ve ayrıca maliyet etkin bir çözüm sunması nedeniyle askeri, sivil ve ticari uygulamalarda kullanılmaktadır. Arama kurtarma, atmosfer araştırması, okyanus gözlemleri, kasırga oluşumu ve araştırması, jeolojik araştırmalar, hava durumu tahmini, yangınla mücadele, deprem ve volkan gözleme, geniş bant iletişimi, cep telefonu iletişimi, yol trafiği izleme ve kontrol, orman yangını tespiti, çevre durumu izleme ve arazi haritalama İHA sistemlerinin sivil alanda uygulamalarına örnek olarak verilebilir [8]. Şekil 2. 2014 AUVSI-SUAS Yarışması [11] 2. YARIŞMA VE SİSTEM BİLGİLERİ 2013 yılında ilk defa Anadolu BORAN (Şekil 4) olarak katıldığımız AUVSI SUAS yarışmasında, aralarında Amerika, Kanada, İsrail, Hindistan ve Türkiye'nin bulunduğu 46 ekip içinde genel klasmanda 23.sırada, döner kanat kategorisinde ise 2.sırada tamamlayarak Şekil 4.Anadolu BORAN İHA Sistemi 2.1 Yarışma Bilgileri AUVSI derneği robotik ve insansız sistemler alanında teknolojilerin gelişmesini ve bu alana olan ilginin artırılmasını hedefleyen, kar amacı gütmeyen,60 ülkeden 2700’den fazla şirketi temsil eden dünyanın en geniş organizasyonlarından biridir [1]. AUVSI derneği 7.500’den fazla üyesiyle bu alanda ilgi duyan sanayi kuruluşlarını, resmi kurumları ve akademiyi çeşitli konferans, sempozyum, seminer ve çalıştay gibi organizasyonlarda buluşturmayı amaçlamaktadır. AUVSI derneği ayrıca insansız sistemler ve robotik alanında çeşitli öğrenci yarışmaları düzenleyerek (Akıllı Yer Araçları Yarışması, Uluslararası Robobot Yarışması, Uluslararası Hava Robotik Yarışması vb.) [10] bu alanda faaliyet gösteren savunma sanayi şirketleri ile öğrencileri bir araya getirmeyi hedeflemektedir. 2002’den beri her yıl düzenlenmekte olan SUAS performans bazlı bir yarışmadır. Yarışma süreci zorlu ve aynı zamanda öğreticidir. Yarışma başvuru sürecinden uçuşun emniyetli inişine kadar birçok aşamadan oluşmakta ve her aşamada puan alınmaktadır. Yarışması bir hava platformu kullanılarak otonom uçuş, sinyal işleme ve görüntü alma/kıymetlendirme vb. gibi farklı alanlardaki görevlerin yerine getirilmesine dayanmaktadır. Bu görevlerde havadan ağır olacak şekilde, otonom uçabilen tüm insansız hava araçları kullanılabilmektedir (Şekil 5). Şekil 6. 2014 AUVSI SUAS Uçuş Hazırlık Değerlendirilmesi Bu aşamalara kadar gerekenleri zamanında ve eksiksiz yerine getiren ekipler son ve en önemli aşama olan Uçuş Görev Uygulaması kısmına geçerler. Bu kısım Birincil ve İkincil Görevler olmak üzere ikiye ayrılmaktadır: Şekil 5. 2014 AUVSI SUAS Yarışmasında Kullanılan Sabit ve Döner Kanat Platformlu Hava Araçları Yarışma öncesinde ve süresince yapılması gereken gereklilikler mevcuttur.Bu gereklilikleri zamanında ve eksiksiz yapmak önemlidir.2014 AUVSI SUAS yarışmasına kayıt olan 48 takımdan ancak 27’si uçuş görevini yerine getirebilmiştir.[11] Yarışmada puan alınan üç önemli aşama aşağıdaki gibidir: Teknik Sistem Bildirisi (Technical Journal Paper ) Uçuş Hazırlık Değerlendirilmesi (Flight Readiness Review -FRR) Uçuş Görev Uygulaması (Flight Mission Demonstration) Birincil Görevler: o Otonom Uçuş Görevi o Arama Alanı Görevi İkincil Görevler: o Otonom Tespit, Konumlandırma Ve Sınıflandırma Görevi o İstihbarat Görevi o Eksen Dışı Hedef Görevi o Acil Hedef Görevi o Uzaktan Bilgi Merkezine Erişim Görevi o Kızılötesi Arama Görevi-Birincil o Kızılötesi Arama Görevi-ikincil o Havadan Bırakma Görevi o Birlikte Çalışabilirlik Görevi o Anlamlandırma, Tespit Etme Ve Kaçınma Görevi Her iki aşamada da hava araçları uçuşa yasak alanlar haricinde belirtilen alan dâhilinde, kontrollü uçuşunu gerçekleştirmesi gerekmektedir. Ayrıca ikincil görevlere başlamak için birincil görevleri tamamlamak gerekmektedir. Şekil 7’de 2014 yılında AUVSI SUAS yarışmasının haritası gösterilmektedir. Teknik Sistem Bildirisi yarışmaya katılan ekiplerin İHA sistemleri ile ilgili detaylı bilgi edinildiği, görevlerin emniyetli bir biçimde nasıl gerçekleştirildiğini test sonuçlarıyla kanıtlanan dokümandır. İkinci aşama ise öğrencilerin kendi İHA sistemlerini ve görevleri emniyetli bir şekilde başarmak için hedefledikleri planları hakemler karşısında sözlü sunum yaptıkları bir aşamadır (Şekil 6). Burada ekipler yarışmaya hazır olduklarını sözlü, görsel ve uygulamalı olarak hakemlere kanıtlamaktadırlar. Şekil 7. AUVSI SUAS 2014 Yarışma Haritası SUAS 2014 yarışma haritasında gösterilen renk, şekil ve alanlar şunları ifade etmektedir: Kırmızı Hat: Uçuşa Yasak Alan Mavi Hat: Yol noktası dizisi Yeşil Hat: Hedef Arama Alanı Sarı Pinler: Hakem İstasyonu alanı Beyaz Üçgen :Pit Alanı Tentesi Kırmızı Yıldız: Uçuşa Başlama Tentesi Mavi Çember: Eksen dışı Hedef Görevlerin asgari ( threshold ) ve azami (objective) kriterleri mevcuttur. Ekipler bu kriterleri emniyetli bir şekilde tamamlama durumlarına göre puan almaktadırlar (Tablo 1) . Örneğin Otonom görev için el kontrollü kalkış yapmak asgari kriterken, otonom kalkış gerçekleştirilmesi azami kıstas olup kalkış parametresinden daha fazla puan alınmaktadır. PARAMETRELER ASGARİ AZAMİ Kalkış El ile kontrollü kalkış Otonom kontrollü kalkış Uçuş El ile Kontrollü Uçuş Otonom kontrollü uçuş Yol noktası dizininde ±50 ft. ve planlanan uçuş rotasında ±100 ft. doğrulukta uçuşu gerçekleştirilmesi Oto pilot kontrolü ile yol noktası dizininde ±50 ft. ve planlanan uçuş rotasında ±100 ft. doğrulukta uçuşu gerçekleştirilmesi Yol Noktası Takibi Uçuşa Yasak Bölge Gösterimi İniş Şekil 8. Anadolu BORAN İHA Sistem Yapısı Anadolu BORAN döner kanat platformlu, 6 rotorlu (hexarotor), üzerinde faydalı yük bileşenlerine sahip bir hava aracıdır. Platform Anadolu Üniversitesinin imkânları ile SUAS ekibi tarafından üretilmiştir. Hava platformunun anlık olarak konum bilgisini ve yerden yüksekliğini yer kontrol istasyonuna iletmesi, ayrıca yarışmanın büyük bir kısmını oluşturan hedef tespiti için üzerinde bir ya da daha fazla kamera ve görüntü işleyici donanım bulunmaktadır. Ek olarak anlık olarak görüntünün yer bilgisayarlarından izlenmesi için RF haberleşme ile video aktarımı yapılmıştır. Bu bilgiler yerde üç farklı ekran üzerinde takip edilerek kumanda kontrol işlemleri yapılmıştır (Şekil 9). Anlık Veri Takibi Ekranı Uçuşa yasak bölge gösterimi/uçağın anlık pozisyonu ve hız bilgilerinin hakemlere gösterilmesi El ile kontrollü iniş yapılması Görüntü Kıymetlendirme Ekranı Oto-pilot Sistemi Ara yüz Ekranı Otonom kontrollü iniş yapılması Şekil 9.Anadolu BORAN Yer Kontrol İstasyonu Tablo 1.Otonom Uçuş Görevi Parametreleri 2.2 Anadolu BORAN İHA Sistem Bilgileri İHA sistemleri, birçok alt sistemden oluşan sistemler bütünüdür. Hava aracı platformu, kumanda ve kontrol sistemi, haberleşme sistemi ve faydalı yük bu alt sistemlerden bazılarıdır. Anadolu BORAN aracının sistem yapısı şekildeki gibidir (Şekil 8). Yarışmada icra edilecek görevlere göre tasarlanan ve uygulanan faydalı yük şu alt elemanlardan oluşmaktadır. Görüntü Kıymetlendirme Sistemi o Kameralar o Görüntü işleme Bilgisayarı o Havadan Yere Görüntü Aktarma Sistemi o Antenler ve diğer aksesuarlar Haberleşme Sistemi o Telemetri Sistemi o Anten Alıcısı ve diğer aksesuarlar Gimbal Sistemi o Gimbal o Servo ve diğer aksesuarlar Otopilot Sistemi o Otopilot o GPS modülü o Hız sensörü ve diğer aksesuarlar. Hava Aracı Platform Sistemi o Motor o Pervane o Batarya o ESC ve diğer aksesuarlar Bu sistemlerinin hava aracına yerleşimi ise Şekil 10‘da gösterilmiştir. Şekil 11. Hedef Gösterimi ve Havadan Görüntüsü 3.SONUÇLAR AUVSI derneği her yıl robotik ve insansız sistemler ile ilgili SUAS yarışmasını düzenleyerek bu alanda çalışan firmaları, kuruluşları ve öğrencileri bir araya getirmeyi amaçlamaktadır. Bu çalışmada Anadolu Üniversitesi’nde geliştirilen Anadolu BORAN sistem ile AUVSI SUAS yarışmasına katılımı anlatılmıştır. Sistem mühendisliği yarışması olarak kabul gören bu yarışmada mühendislik ve havacılık bilimleri ile disiplinler arası bir çalışma yürütülmüştür. Anadolu Boran ekibi bu yarışmayla edindiği tecrübeler le birlikte özgün platformlar ve sistemler geliştirmeyi amaçlayarak çalışmalarına devam etmektedir. 4. REFERANSLAR Şekil 10. Anadolu BORAN Sistem Yerleşimi Emniyetli bir uçuşun gerçekleştirilmesi için hava ve yer sistemlerinin kesintisiz iletişim halinde olması önemlidir. Ayrıca herhangi bir veri kaybı söz konusu olduğunda hava aracının kalkış noktasına gelmesi yarışmanın gereklilikleri arasındadır. İkincil görevler arasında uçağın anlık görüntüsü, hedeflerin karakteristik özellikleri (renk, şekil, arka plan rengi, rotasyon vb.) ve birlikte çalışabilirlik görevlerinde, veri haberleşmesinin istenen frekans değerlerinde ve kesintisiz yapılması istenmektedir. Görevler oldukça zordur, özellikle otonom uçuş ve Şekil 11’de örnek olarak gösterilen hedeflerin belirlenen limitler içerisinde tespit edilmesi mükemmel bir tasarım gerektirmektedir. Yarışma kapsamında otonom uçuş gerçekleştirilmiş, tanımlanan yol noktaları (waypointler ) verilen limitler içerisinde takip edilmiştir. Bunun dışında hava platformu ile yer kontrol istasyonu arasında anlık olarak veri aktarımı yapılmıştır. [1] http://www.auvsi.org/joinauvsi [Erişim 23.03.2015] [2] AUVSI Seafarer Chapter,SUAS Yarışması 2015 Kuralları,Revizyon 1.1,Mar.2015 [3] Sarris, Z. and S. Atlas (2001). Survey of UAV applications in civil markets. IEEE Mediterranean Conference on Control and Automation. [4] J.Gertler, “U.S Unmanned Aerial Systems” Congressional Research Service, 2012 [5] “Unmanned Systems Roadmap 2007-2032” ,DoD, Birinci Baskı, 2007 [6] S.G.Gupta,M.M.Ghonge,P.M.Jawandhiya, “Review of Unmanned Aircraft System (UAS)” International Journal of Advanced Research in Computer Engineering & Technology (IJARCET),cilt 2,No.4 Nis.2013 s. 1646-1647 [7] Unmanned Aircraft Systems (UAS),ICAO Cir 328 AN/190,2011,s.8 [8] Türkiye İnsansız Hava Aracı Sistemleri Yol Haritası (20112030),Savunma Sanayi Müsteşarlığı, Ankara, 2011, s.35-38 [9] http://suas.anadolu.edu.tr/tr/suas.html [Erişim 24.03.2015] [10]http://www.auvsifoundation.org/foundation/competitio ns/ [Erişim 24.03.2015] [11] http://www.auvsi-seafarer.org/news-events/2014competition.aspx [Erişim 30.03.2015] 5. ÖZGEÇMİŞLER Tamer SAVAŞ 2010 yılında Anadolu Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümünden, 2011 yılında Anadolu Üniversitesi Havacılık Elektrik ve Elektroniği Bölümünden mezun oldu. 2011-2013 yılları arasında Savunma Sanayi alanında Elektronik Tasarım Mühendisi olarak çalıştı. 2013 yılından itibaren Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesinde Araştırma Görevlisi olarak çalışmakta aynı zamanda yüksek lisans eğitimine Pilotaj Bölümünde devam etmektedir. Uçuş Benzetimi ve Uçuş Benzetim Ortamlarının Gerçekleştirilmesi, konularında çalışmaktadır. Dr. Tansu FİLİK Lisans derecesini 2002 yılında Anadolu Üniversitesinde, doktora derecesini de 2010 yılında Orta Doğu Teknik Üniversitesinde Elektrik ve Elektronik Mühendisliği alanında almıştır. 2002 ve 2010 yılları arasından ODTÜ Sensör Dizi İşleme (SAM) grubunda savunma sanayi destekli proje çalışmalarında yer almıştır. 2010 yılından 2012 yılına kadar Aselsan, REHİS grubunda AR-GE mühendisi olarak elektronik destek ve haberleşme uygulamaları için algoritma geliştirme çalışmalarında bulunmuştur. Şu anda Anadolu Üniversitesi Elektrik Elektronik mühendisliği bölümünde öğretim üyesi olarak çalışmalarına devam etmektedir. Araştırma alanları dizi sinyal işleme, istatistiksel sinyal işleme üzerinedir.