Dönerkanatlı insansız hava araçları için görsel servolama üzerine bir çalışma

Abstract

İnsansız hava araçlarının otonom görevlerde güvenilir biçimde kullanılabilmesi kritik öneme sahiptir. Bu gereksinim, özellikle dar geçitlerden geçiş, hedefe yaklaşma, hassas konumlanma ve çevresel etkileşim gerektiren uygulamalarda daha belirgin biçimde ortaya çıkmaktadır. Bu tür görevlerde aracın yalnızca hedefi algılaması değil, aynı zamanda hedefe uygun biçimde yönelmesi, hedef karşısında kararlı olarak hizalanması ve görev koşulu sağlandığında güvenli şekilde hareketini sürdürmesi gerekmektedir. Bu ihtiyaç, görsel bilgiye dayalı kontrol yöntemlerinin insansız hava araçları üzerindeki kullanımını önemli hale getirmektedir. Bu tez çalışmasında, döner kanat bir insansız hava aracının görüntü tabanlı olarak belirli özelliklere sahip bir hedefe otonom biçimde yönelmesi, hedef karşısında hizalanması, belirli bir süre bu hizayı koruması ve ardından hedefin içindeki boşluktan geçmesi için bir kontrol yaklaşımı geliştirilmiştir. Çalışmada hedef, yer düzlemine dik konumlandırılmış içi boş bir dikdörtgen olarak ele alınmıştır. İnsansız hava aracı, yer düzlemine paralel hareket edecek şekilde değerlendirilmiş ve aracın ön kısmında bulunan kamera ile elde edilen görüntüler üzerinden hedefin konumu belirlenmiştir. Görüntü işleme ve kontrol katmanları birlikte ele alınarak, hedefin görüntü düzlemindeki konumuna bağlı hata bilgisi üretilmiş ve bu bilgi kullanılarak aracın uygun hareket komutları oluşturulmuştur. Önerilen sistem kapsamında, hedefe yönelme, hedef karşısında konum düzeltme ve hizayı koruma süreçleri görsel geri besleme temelli olarak gerçekleştirilmiştir. Kontrol yapısında PID tabanlı bir yaklaşım kullanılmış, ayrıca gövde hızlarının geri besleme olarak denkleme dahil edildiği ve edilmediği iki farklı uygulama yaklaşımı karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Böylece görüntü hatasına dayalı kontrol ile hız geri beslemesi destekli kontrol yapılarının sistem davranışına etkileri değerlendirilmiştir.The reliable use of unmanned aerial vehicles (UAVs) in autonomous missions is of critical importance. This requirement is particularly evident in applications requiring passage through narrow passages, target approach, precise positioning, and environmental interaction. In such missions, the vehicle must not only detect the target but also orient itself appropriately towards the target, maintain stable alignment with the target, and safely continue its movement when the mission condition is met. This need makes the use of visual information-based control methods on unmanned aerial vehicles important. In this thesis, a control approach has been developed for a rotary-wing UAV to autonomously orient itself towards a target with specific characteristics, align itself with the target, maintain this alignment for a certain period, and then pass through the gap inside the target, based on image-based information. In the study, the target is considered as a hollow rectangle positioned perpendicular to the ground plane. The UAV is evaluated to move parallel to the ground plane, and the target's position is determined from images obtained by a camera located at the front of the vehicle. By considering image processing and control layers together, error information based on the target's position in the image plane is generated, and appropriate movement commands for the vehicle are created using this information. In the proposed system, the processes of aiming at the target, position correction against the target, and alignment maintenance are performed based on visual feedback. A PID-based approach is used in the control structure, and two different application approaches, one with and one without body velocities included as feedback in the equation, are examined comparatively. Thus, the effects of image error-based control and velocity feedback-supported control structures on the system behavior are evaluated.