TÜBİTAK 2209 - Kabul Edilen Projeler

Son yıllarda, İnsansız Hava Araçlarının (İHA) birçok uygulama alanında kullanılması ile birlikte ürün geliştirme ve araştırma çalışmaları hızla artmıştır. Deneysel olarak veya yarışmalara yönelik geliştirilen İHA’larda çok büyük Araştırma-Geliştirme (AR-GE) maliyetleri ortaya çıkmaktadır. Bu maliyetlerin içerisinde en yuksek harcama, aracın denge ve görev odaklı faaliyetlerinden sorumlu denetleyici parametrelerinin türetilmesi aşamasında meydana gelmektedir ve İHA geliştirme faaliyetlerini yavaşlatmaktadir. Cunku denetleyiciler, aracın dinamiğine ve ortam kosullarina oldukça hassastır, degiskendir ve test aşamalarinda genellikle araç tahribatı ile sonuçlanarak büyük maddi kayıplara ve gecikmelere sebebiyet vermektedir. Bu çalismamiz bu durumu ele almaktadir. Burada, her bir İHA’ya ozgu yapısal ve dinamik parametreler, sistem girdisi olarak tanimlanacak ve benzetim ortamı üzerinden tüm denge ve ucus hedefleri otonom olarak yapılabilecektir. Böylece aylarca süren optimizasyon işlemlerinin maliyeti ve süresi kisalarak, kolayca adapte edilebilen bir denetleyici ortaya konulacaktir. Ayrica bu proje kapsaminda, gercek çevre kosullarini ifade eden sanal bir dunya benzetim ortamında oluştusturulacaktir ve otonom olarak parametrelerin kestirildigi bir yazılım programi üretilerek kullanıcı dostu bir arayüz geliştirilecektir. Yapılan ilk çalışmalarimizla ortalama %30 hata payı ile denetleyici katsayılari hesaplanmistir ve arayüzun ilk prototipi geliştirilmiştir.

Doğanın temel parçası olan insan konforlu bir yaşam sürmek için çevresindeki olanaklardan yararlanmıştır ve aynı zamanda gelişen dünyada ortaya çıkan yeni ihtiyaçlarını karşılayabilmek için sürekli gelişmiştir ve tüketmiştir. Ulaşımın hayatımızda yer almasıyla beraber yaşamımızdan kopamaz bir hal almıştır. Gelişen Dünya zamanla globalleşmiştir ve bunun beraberinde ulaşımın bir alt başlığı olan havacılık sektör insanların ihtiyacını karşılamak ve konforunu arttırmak için daha da gelişmiştir. İnsanların ulaşımda bu denli gelişmiş ve gelişiyor olması Dünya üzerinde bazı sonuçlara yol açmıştır. Özellikle havacılık sektörünün dünyamız üzerinde emisyon kaynaklı çevre sorunları oluşturduğunu görmekteyiz. Emisyon oranının azaltılmasa uçaklarda kullanılan yakıt tüketiminin azaltılmasına ve uçak gürültüsünün azaltılmasına gibi çevresel faktörlere pozitif katkıda bulunacaktır. Uçakların atmosfere %4 oranında karbondioksit salınımı yaptığı bilinmektedir. Başta iklim değişiklerinin olması ve diğer faktörlerin çevresel sorunlar oluşturması sebebiyle havacılık sektöründe sürdürülebilir enerjilere verilen önemi artmıştır ve hayatımıza daha temiz enerji kaynağı olarak bataryalar giriştir. Güç talebindeki büyüme ve batarya sisteminin önemi, havacılık endüstrisini yüksek enerji yoğunluklu bataryaların kullanımında çeşitli inovasyonlara itmektedir. Uçak imal eden ünlü firmalar bu alanda çalışmalar yapmış ve halen devam eden çalışmalara sahiptir. Teknik özellikleri ve modelleme biçimlerine göre farklı batarya tipleri bulunmaktadır. Bataryanın şarj kontrolünü̈ sağlamak ve kullanımı sırasında kalan enerjiye göre planlama yapabilmek için batarya şarj durumunun belirlenmesi oldukça önemlidir. Günümüzde birçok uygulamada batarya şarj durumunu (SoC) belirlemek için farklı yöntemler bulunmaktadır. Bu çalışmada SoC yöntemlerinden üç tanesi seçilmiş ve bu yöntemler kullanılarak MATLAB programında oluşturulan batarya modeli için SoC tahmini benzetimi ve laboratuvarda sırasıyla LFP bataryanın şarj ve deşarj durumları için deneyler yapılması planlanmıştır. Bu çalışmada, SoC tahmininde kullanılacak olan üç yöntem Coulomb Sayma Yöntemleri, Model Tabanlı Yöntemler. Açık Devre Gerilim Yöntemleri olarak planlanmıştır. Bu yöntemler kullanılarak test düzeneğinde deneysel veriler elde edilecektir.

Bu araştırmayla, hareket kabiliyeti kısıtlı yolcuların havayolu seyahati gerçekleştirmeleri esnasında hizmet süreç ve prosedürleri, altyapı ve personel tutum ve davranışlarına ilişkin uçuş öncesi, uçuş esnası ve uçuş sonrası karşılaştıkları zorluk ve engellerin belirlenmesi ve uygun çözüm önerilerinin geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Hem hizmet sağlayıcıların ve hem de engelli bireylerin bakış açıları değerlendirilerek, daha önce yapılmış çalışmalardan farklı şekilde, kapsamlı ve bütüncül bir yaklaşımla sorunlar ve eksiklikler ortaya konulmaya çalışılacaktır.
Bu amaçla, ilk aşamada farklı paydaş gruplarından temsilcilerle nitel görüşmeler gerçekleştirilecek, ikinci aşamada havalimanlarındaki engelli yolcularla anket uygulaması gerçekleştirilecektir. Çalışmanın bulgularının ve buna göre geliştirilecek çözüm önerilerinin, verilen hizmetlerin iyileştirilmesi ve engelli bireylerinin havayolu ulaşımına erişimlerinin artırılması yönünde karar vericilere veri sağlaması amaçlanmaktadır. Bu kapsamda çalışmanın, engelli bireylerin “ulaşım ve hareketlilik” hakları çerçevesinde sorunların tespiti anlamında sosyal sürdürülebilirlik ve hava taşımacılığının ticari gelirlerinin artırılması anlamında ekonomik sürdürülebilirlik alanındaki çalışma ve uygulamalara ışık tutması beklenmektedir.

Havacılık sektörü yüksek düzeyde emniyet ve güvenlik gerektiren, insan faktörlerinin yüksek düzeyde etkili olduğu bir sektördür. Bu nedenle riskin yönetilebilmesi, emniyet, güvenlik ve verimliliğin üst düzeye çıkartılabilmesi açısından çalışanların sahip olduğu yetkinlik büyük önem arz etmektedir. 21.Yüzyıl yetkinlikleri günümüzde her bireyin sahip olması gereken yetkinlikleri ifade etmektedir. Bu araştırmada Eskişehir Teknik Üniversitesi (ESTÜ) Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi lisans öğrencilerinin 21. Yüzyıl yetkinliklerine sahip olma düzeylerini belirlemek amaçlanmıştır. Projenin hedefleri ise havacılık fakültesi öğrencilerinin 21. Yüzyıl becerilerine ne derece sahip olduğunu belirlemek ve öğrencilerin sahip olduğu 21. Yüzyıl becerileri ile birtakım değişkenler (yaş, cinsiyet, genel not ortalaması vb.) arasında ilişki olup olmadığını incelemektir. Projede Çevik ve Şentürk tarafından geliştirilen "Çok boyutlu 21.yüzyıl becerileri ölçeği" kullanılacaktır. Ölçekte bilgi ve teknoloji okuryazarlığı, eleştirel düşünme ve problem çözme, girişimcilik ve inovasyon, sosyal sorumluluk ve liderlik becerileri, kariyer bilinci 5 alt boyut altında 41 maddelik soru listesi kullanılmıştır. Bu anket sonucunda edinilen veriler Bağımsız Örneklem T-Testi kullanılarak analiz edilecektir. Ortaya çıkan veriler ışığında havacılık öğrencileri yetkinlik düzeylerinin ortaya çıkmasıyla birtakım değişkenlerle olan bağı da kullanılıp bu verilerin havacılık eğitimi açısından temel teşkil edebileceği ve 21. Yüzyıl yetkinliklerini artırabilme adına müfredata yönelik öneriler sunabilmek de öngörülmektedir.

Bu çalışmada “İnsansız hava araçları için GPS kartı ve GUİ tasarımı, üretimi, testleri ve iyileştirilmesi” proje önerisini sunmaktayız. Havacılığa yeni bir yaklaşım getiren insansız hava araçları (İHA) savunma sanayi; istihbarat, hava sahası izleme, silahlı insansız hava araçları (SİHA); tarım ve ilaçlama, genel havacılık ve fotoğrafçılık gibi birçok alanda insan faktörlerinden kaynaklanan hataları minimize etmek amacıyla; ekosisteminin korunması, savunması ve geliştirilmesi üzerine bu seviyeye gelmek için ülkemiz ve dünya adına kademe kademe gelişim sağlanmaktadır. Dünya üzerindeki nesnelerin ya da araçların konumlarının belirlenmesini sağlayan bir küresel konumlandırma sistemi olan uydu seyrüsefer yöntemleri ile herhangi bir radyo sinyali veya dış etmene bağlı olmaksızın tamamen İHA’nın üzerinde bulunan ataletsel seyrüsefer sistemlerinin (inertial navigation system- INS) kendi alt sistemleriyle referans bir değere göre konum, hız, yükseklik gibi birçok parametreyi belirlemektedir. Özellikle İHA’ların güvenli ve görevleri başarılı bir şekilde yerine getirebilmesi için parametrelerin yüksek doğruluğa sahip olması gerekmektedir bu nedenle bu sistemlerin dezavantajlarını en aza indirgemek için INS ve uydu seyrüsefer sistemleri ile entegrasyonu yapılması gerekmektedir.
Bu çalışmada, belirtilen problemi çözümü için tüm küresel uydu seyrüsefer sistemleri (global navigation satallite-gnss) ile erişim sağlayabilecek serbestlik derecesi (DoF) 9 olan, 16 bitlik veri formatı sayesinde yüksek çözünürlük ve yüksek doğruluğa sahip NEO-M9N entegre devresi kullanılacaktır. Bu entegre kolay uygulanabilir ve iletişim için iki kablonun yeterli olması sebebiyle ağırlıktan büyük ölçüde tasarruf sağlayan full duplex I2C seri haberleşme protokolü kullanılması ve IST8310 pusula sensörü ile curcuitmaker programı kullanılarak bir kart tasarımı oluşturulacaktır. İHA üzerinde kullanılan GPS sensörlerine göre daha yüksek doğrulama gerçekleştirecektir. Kart tasarımına ek olarak özellikle GNSS’ten kaynaklanan hataları en aza indirmek ve yüksek hassasiyet sağlamak için çeşitli kalman filtreleri ile kart tasarımı optimize hale getirilecektir. Tasarlan GPS kartı tasarımı üretilecek trikopter İHA ile test edilecektir. Agresif uçuş profiline ve manevra kabiliyeti yüksek olduğu için trikopter İHA tercih edilmiştir.
Çalışmanın son aşamasında, Uçuş sırasında İHA’nın tasarlanacak GPS kartı aracılığı ile alacağı yükseklik, konum gibi parametrelerini gösterecek mission planner benzeri İHA ile haberleşebilen C# dilinde Türkçe arayüz tasarımı gerçekleştirilecektir. Bu sayede kullanıcı dostu son ürün elde edilmiş olacaktır.
Projenin danışmanlığını Arş. Gör. Burak Tarhan üstlenecek olup araştırma sürecini ise lisans öğrencileri Derya Yılmaz, Hilal Sevde Aslan, Ömer Faruk Orhan yürütecektir. Proje Akaba mühendislik tarafından Aziz Kaba danışmanlığında sanayiye yönelik lisans araştırma projesi olarak gerçekleştirecektir. Akaba mühendislik tarafından tasarlanan İHA’larında kullanılmak üzere tasarlanacak GPS kartı ve arayüz tasarımı test edilmesi ve sonuçların paylaşımı için iş birliği sağlanmıştır. Süreç boyunca araştırma önerisinde paylaşmış olduğumuz iş- zaman çizelgesine sadık kalınacak olup projede karşılaşılacak olan olası riskler tanımlanıp risk yönetim planı hazırlanmıştır. Elde edilen bulguların olumlu sonuçlarının sadece bitirme projesi seviyesinde değil, bilimsel ve ticari olarak da ilgi çekebileceği değerlendirilmektedir.

Teknolojinin gelişmesi ile insansız hava araçları (İHA) diğer bir deyişle “drone”lar hayatımıza dahil olmuştur. İnsansız hava araçlarının alt kategorisi olan döner kanatlı ihalar dikey kalkış, havada asılı kalabilme ve dikey iniş gibi özelliklere sahiptirler. Ayrıca döner kanatlar “X” tipinde ya da “+” tipinde dört bağımsız kola sahip olabilmektedir. Döner kanatların avantajlarının yanı sıra birtakım dezavantajları da mevcuttur. Döner kanatlı insansız hava araçlarının kontrol sistemleri oldukça komplekstir. Bunun başlıca sebebi birçok sensör tarafından denetlenen karmaşık bir kontrolcü yapıları vardır. Her sensör belirli oranda kendi iç gürültüsüne sahiptir. Ayrıca açı parametrelerini ve hava aracının matematiksel modelinin iyi hesaplanmış olması gerekmektedir. Hava aracının modelleme hataları da stabilizasyon sorunlarına yol açmaktadır. Döner kanatlarda bulunan dört ayrı motorun aynı anda kontrolü de gürültü yaratan farklı bir etmendir. Bütün bu parametrelerin takibi ve kontrolü otopilot tarafından sağlanmaktadır. Otopilot, sensörler ve elektronik hız kontrolcüsünden aldığı verilerle döner kanadın kontrolünü sağlamaktadır. Fakat düşük maliyetli sensörlerden kaynaklı gürültüler döner kanatın kontrolünü zorlaştırır ve uçuşunda stabilizasyon sorunları yaşamasına sebep olur. Projede amaçlanan bu soruna çözüm bulmaktır. Döner kanatlı insansız hava araçlarında birçok sensör bir arada kullanılmaktadır, her sensörün kendi yapısından kaynaklı yapısal gürültülerin yanı sıra birbirleriyle çalışmalarının getirdiği olumsuzluklar da mevcuttur. Bu sorunu çözmek için öncelikle Kalman filtresine başvurulmuştur. Kalman filtresi, Gauss rassal dağılmış doğrusal sistem modellerinde kullanılabilir olduğu için yeterli entegrasyonu sağlayamamış ve doğrusal olmayan sistem modelleri için yeterince iyi çalışmamıştır.. Kalman filtresinin üzerine döner kanatlı insansız hava araçlarında sıklıkla kullanılan EKF(Extended Kalman Filter-Genişletilmiş Kalman Filtresi) geliştirilmiştir. EKF, Gauss rassal dağılmış doğrusal olmayan sistem modellerinde çalışmaktadır. Fakat EKF, doğrusal olmayan dinamiklerin 1. derece Taylor serisi genişlemeli zaman örneklerinde, denge noktası etrafında doğrusallaştırıldığı genişletilmiş bir Kalman filtre algoritması ile elde edilir ve güçlü doğrusal olmayan sistem gürültülerinde yeterince verimli çalışmamaktadır. Bu sebeple UKF (Unscented Kalman Filter-Kokusuz Kalman Filtresi) geliştirilmiştir. UKF, doğrusal olmayan sistem modellerinde bulunan gürültüleri EKF ile aynı işlemci yükü ile daha iyi filtreleyebilme özelliğine sahiptir.Bu yüzden UKF kullanılarak döner kanatın stabilizasyon sorunlarına yol açan gürültülerin engellenmesi ve daha verimli bir kontrol sağlanması amaçlanmaktadır. UKF üzerine birçok araştırma yapılmıştır. Teoride UKF’nin EKF’ye göre daha iyi ve verimli çalıştığı ispatlanmıştır fakat döner kanatlı insansız hava aracına entegrasyonu yaygınlaşmamıştır. Projede UKF algoritması yazılım dili olan C++ kullanılarak yazılacak ve açık kaynak kodlu otopilot yazılımı olan Ardupilot’a gömülecektir. Hazırlanan kodlar önce MATLAB’da test edilecektir ve karşılaşılabilecek sorunlar çözümlenecektir. Son olarak döner kanat üzerinde testler ve karşılaştırmalar yapılacaktır. EKF ve UKF arasındaki farklar bu sayede gerçek hayatta kıyaslanacaktır. Proje sonucunda teorik verilerin ispatlanması hedeflenmektir. Düşük maliyetli gürültü oranı yüksek sensörlerin (örn. GPS, Barometre gibi) çalışma verimlerinin arttırılması hedeflenmektedir. Ayrıca düşük maliyetlerde üretilen döner kanatlı insansız hava araçlarının UKF kestirim tabanlı algoritma ile daha verimli ve stabil çalışması hedeflenmektedir.k