Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
553130		Localization of radio sources using autonomous unmanned aerial vehicles for search and rescue applications / Arama ve kurtarma uygulamaları için otonom insansız hava araçları ile radyo kaynaklarının konumunun tespiti Yazar:ÖMER HEREKOĞLU Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN YENİÇERİ Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı Konu:Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering Dizin:	Onaylandı Yüksek Lisans İngilizce 2019 81 s.
Otonom sistemler konusunda gelişmeler ile birlikte insansız hava araçlarının kullanımı ciddi bir artış göstermektedir. Özellikle son 20 yıldaki gelişmeler dikkate alındığında, insansız hava araçları askeri uygulamalardan sivil uygulamalara çok geniş bir kullanım alanına yayılmıştır. Günümüzde uygun maliyetli ve çok çeşitli boyutta hava araçlarının üretimi ile birlikte, insansız hava araçları birçok noktada geleneksel hava araçlarına göre çok daha avantajlı hale gelmektedir. Tarihte insansız hava araçlarının bilinen ilk kullanımı 19. yy. ın sonlarına dayanmaktadır. Başlangıçta askeri eğitimlerde hedef olarak kullanılan insansız hava araçları, özellikle İkinci Dünya Savaşı ile birlikte farklı bir önem kazanmıştır. 1950'lerin sonunda başlatılan programlarla birlikte insansız hava araçlarının istihbarat, gözetleme ve keşif görevleri için uygun hale getirilmesi planlanmıştır. Özellikle Soğuk Savaş döneminde, insan kaybı riski yerine insansız araçların tercihi hem daha güvenli hem de daha az maliyetli askeri operasyonları mümkün hale getirmiştir. İnsansız hava araçlarının kullanımı, 21. yy. ın gelişi ile birlikte farklı bir boyuta ulaştı. Hem askeri alandaki insansız hava araçlarının silahlandırılması konusundaki çalışmalar hem de sivil alandaki yeni kullanım alanlarının oluşması insansız hava araçları üretiminin artmasına ve çok daha uygun maliyetli yeni tasarım ve sistemlerin çıkmasına yol açtı. Bu gelişmeler yüksek maliyete sahip olan, eğitilmiş insana ihtiyaç duyan ve insandan kaynaklanan hata ve risklere sahip arama-kurtarma operasyonlarının da seyrini değiştirdi. Bu durum, özellikle çoklu hava aracına sahip insansız hava araçları sistemlerinin arama-kurtarma operasyonlarında kullanılması konusunda yeni çalışmaların çıkmasına neden oldu. Arama-kurtarma operasyonlarında en çok öne çıkan problemlerden birisi hedefin tespit edilmesidir. Genellikle arama bölgesi geniş mesafelere yayıldığında hedefin tespiti ciddi anlamda zorlaşmaktadır. Ayrıca, arama-kurtarma operasyonlarının genellikle zamana karşı yarışılan durumlar olması hedefin bir an önce bulunmasını daha önemli hale getirmektedir. Dolayısıyla hedefin tespiti ciddi ve çözülmesi gereken bir problem haline gelmektedir. Bu problemin çözümü olarak literatürde en çok sunulan yöntemlerden birisi görüntü üzerinden hedefin tespitini içeren yöntemlerdir. Bu yöntemlerde insansız hava araçlarındaki normal veya termal kameralar yardımıyla alan taranarak hedefin tespit edilmesi amaçlanmaktadır. Fakat, bu yöntem özellikle arama alanı geniş bir bölgeye yayıldığında verimsiz hale gelmektedir. Daha geniş bir bölgenin taranması amacıyla insansız hava araçlarının yüksek irtifada uçması gerekmektedir. Bu durum elde edilen görüntülerin çözünürlüğünün artırılması gerekliliğini ortaya çıkarmaktadır. Fakat, insansız hava araçlarının yük taşıma kapasiteleri ve uçuş süreleri göze alındığında, hava araçlarının üzerindeki kullanılan cihazların hesaplama yetenekleri kısıtlıdır. Buna alternatif olarak bazı çalışmalarda elde edilen görüntü, yer istasyonuna gönderilerek burada hedef tespiti sunulmuş fakat bu çözüm de geniş alana yayılmış insansız hava araçları ile haberleşme problemi olduğunda verimsiz kalmaktadır. Bir başka alternatif olarak çok sayıda hava aracının kullanılması gerektiği ortaya çıksa da bu durum hem maliyet açısından hem de tasarlanacak sistemin kontrolünün karmaşıklığı açısından çok tercih edilebilir değildir. Arama-kurtarma operasyonlarında hedefin tespiti konusunda önce çıkan bir diğer yöntem ise radyo sinyalleri kullanılarak hedefin konumunun belirlenmesini sağlayan yöntemlerdir. Arama-kurtarmada aranılan hedefin radyo sinyali yayabilecek bir cihaz taşıdığı (cep telefonu, telsiz vb.) kabul edilen bu tarz çalışmalarda, insansız hava araçlarına yerleştirilen ölçüm cihazları ile birlikte radyo sinyali üzerinden açı (yön), zaman ve mesafe gibi niceliklerinin hesaplanması ile çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bu yöntemlerden zaman bazlı olanlar, GPS'in çalışma mantığına benzer olarak, sinyalin vericiden alıcıya varış zamanının kestirimine dayanmaktadır. Birden fazla referans noktasından zaman kestirimi kullanılarak hedefin konumunun kestirimi gerçekleştirilmektedir. Ayrıca bu tarz yöntemler, özellikle referans ölçüm noktalarının (insansız hava araçlarının) birbirleri senkronize olduğu kabulüne dayanmaktadır. Fakat, bu noktaların birbirlerinden uzak olduğu durumlarda senkronizasyonu sağlamak haberleşme açısından zor olduğu gibi radyo sinyalinin görüş alanının açık ve net olması gerekliliği, bu tarz yöntemler için bir diğer önemli kısıttır. Hedefin konumunun tespiti konusunda öne çıkan bir diğer yöntem ise radyo sinyalinin yönünün tespit edilmesine dayanan çözümlerdir. Genellikle yönlü antenler kullanılarak ölçülen radyo sinyalinin yönü/açısı tespit edilerek, çeşitli geometrik ve yaklaşım yöntemleri ile radyo sinyal kaynağının tespiti amaçlanmaktadır. Sinyal açısına dayanan yöntemlerde göze çarpan en önemli problem, konum kestirim hatası mesafe arttıkça ciddi oranda artmaktadır. Bununla birlikte, tek bir açı kestirimi bile oldukça uzun zaman alabilmektedir. Bu durum, arama-kurtarma operasyonlardaki tespit süresinin önemi ile çelişmektedir. Radyo sinyallerinin kullanımı ile konum kestirimi konusunda çok tercih edilen bir diğer alternatif ise sinyal gücüne dayanan yöntemlerdir. Alıcı tarafta ölçülen sinyal gücünü kullanan bu yöntemler, sinyal yayılım modellerinin yardımıyla hedef ile alıcı/alıcılar arasındaki mesafenin kestirilmesi mantığına dayanır. Diğer yöntemlere göre karmaşık ölçüm sistemi veya senkronizasyon gerekliliği olmayan bu teknikteki en önemli problem sinyal yayılımının modellenmesinin zor olmasıdır. Radyo sinyali çevresel bir çok etkenden etkilenebileceği gibi, verici ve alıcı taraftaki kaynaklanan gürültüler de sinyal gücü üzerinde oldukça etkilidir. Gürültülü sinyaller üzerinden konum kestirimi başarısının artırımı amacıyla en çok tercih edilen yöntemler ise yinelemeli durum kestirim yöntemleridir. Özellikle bu alandaki Kalman filtrelerinin oldukça başarılı iş çıkarması, konum kestiriminde bu tarz filtrelere dayanan pek çok yöntemin ortaya çıkmasına neden olmuştur. Bu tez çalışmasında, yukarıda bahsedilen arama-kurtarma problemlerinin çözümü amacıyla çoklu insansız hava aracı sistemi ve radyo sinyallerinin tespitinden yola çıkılarak etkili ve uygun maliyetli bir arama ve konum tespit yöntemi sunulmuştur. Sunulan çalışmada, insansız hava araçları sistemlerinin kalkıştan operasyonun sonuna dek tamamen otonom olarak hareket etmesiyle birlikte, geliştirilen yapı piyasadan hazır temin edilebilen malzeme donanım parçalarından ve özgün olarak geliştirilen yazılım parçalarından oluşmaktadır. Çalışmada, öncelikle sinyal ölçümündeki belirsizlikler ve problemlerin çözümü amacıyla geliştirilen algoritmalar sunulmuştur. Temel alınan arama-kurtarma operasyonuna göre arama hedefinin bir el telsizi taşıdığı ve bu telsizden radyo sinyalleri yaydığı kabul edilmiştir. Buna göre, her insansız hava aracına radyo sinyalinin ölçümü amacıyla bir adet yazılım tabanlı radyo yerleştirilerek, bu radyolar hava araçlarına bulunan Raspberry Pi görev bilgisayarlarına bağlanmıştır. Hesaplama gerekliliği olarak verimli ve hafif olduğu için RTL-SDR V3 cihazı tercih edilmiştir. Bununla birlikte, RTL-SDR V3 farklı programlama dillerinde geliştirilmiş birçok açık kaynaklı yazılım tarafından desteklenmektedir. Yazılım tabanlı radyo alıcılar kullanılarak ölçülen radyo sinyalinden, Hızlı Fourier Dönüşümü gibi sinyal işleme teknikleri kullanılarak sinyal gücü hesaplanmaktadır. Ayrıca, kabul edilen arama-kurtarma senaryosuna göre sinyal kaynağının frekansı bilinmediği için frekans spektrum analizine dayanan bir radyo sinyali frekans tespit algoritması da geliştirilmiştir. Buna ek olarak bu çalışmada, konum kestiriminde kullanılması amacıyla elde edilen sinyal gücü değerlerinin mesafeye dönüştürülmesini sağlayan bir sinyal yayılım modeli sunulmuştur. Serbest uzay yayılım modeli baz alınarak geliştirilen bu yayılım modelinde, serbest yayılım modelinin içermediği radyo sinyali özelliklerini (yerden yansıma, gölgeleme etkisi vb.) dahil etmek amacıyla sinyal ölçüm testleri yapılmış ve sinyal modeli buna göre modifiye edilmiştir. Sinyal gücü ölçümü kullanılarak radyo sinyal kaynağının konumunun kestirimi amacıyla, başlangıç olarak deterministik yöntemler denenmiş fakat bu tarz yöntemler sinyal gücündeki gürültünün çok fazla olması nedeniyle başarılı sonuç vermemiştir. Bu nedenle, konum kestirimi için Bayes filtre teorisine dayanan yinelemeli durum kestirim yöntemleri kullanılmıştır. Önerilen çözümde çoklu insansız hava aracının bulunması avantajından faydalanılarak, genişletilmiş Kalman filtresi yardımıyla ölçülen sinyal gücü değerleri, sinyal modeli ve her insansız hava aracının konum bilgisi kullanılarak konum kestirim yöntemi geliştirilmiştir. Geliştirilen bu çözüm en az üç insansız hava aracından, sinyal ölçümü alabilmesine dayanmaktadır. Fakat, sinyal ölçüm testlerinde farkedildiği üzere kullanılan yazılım tabanlı radyonun belirli mesafeler üzerinde sağlıklı sonuçlar vermemesi üzerine insansız hava araçlarının ölçümleri limitlenerek yanlış ölçümlerden kaynaklanan hatalarının önüne geçilmesi planlanmıştır. Bu kısıtlama konum kestirimi açısından başarımı artırmasına rağmen tespit süresinin kritik olduğu arama-kurtarma operasyonlarına üç insansız hava aracının da sinyal menziline girmesini beklemek oldukça zaman alan bir süreçtir. Bu nedenle, tek bir insansız hava aracı ile sinyal konum tespitini mümkün kılmak ve diğer insansız hava araçları sinyal menziline girene kadar geçen süreyi verimli kullanmak amacıyla parçacık filtresi kullanılan bir diğer konum kestirim yöntemi geliştirilmiştir. Sonuç olarak, geliştirilen her iki konum kestiriminin ortak çalışabileceği ve hem tek insansız hava aracı hem de birden fazla insansız hava aracının sinyal menzilinde olduğu durumlar için geçerli bir arama ve lokalizasyon algoritması geliştirilmiştir. Geliştirilen sistemin dış ortam uçuş testleri öncesinde test edilmesi ve uçuş testlerindeki ortaya çıkacak sorunların minimize edilmesi amacıyla farklı özelliklere sahip iki yazılımsal benzetim ortamı tasarlanmıştır. Tasarım sürecine X-Plane 10 uçuş simulatörü kullanılarak insansız hava araçlarının görselleştirilmesi sağlanan kompleks fakat görsel kalitesi yüksek bir benzetim ortamı ile başlanmıştır. Çalışmanın ilerleyen dönemlerinde, bu tasarımın en az üç yüksek sistem gereksinimlerine sahip bilgisayara ihtiyaç duyması ve test hazırlık sürecinin karmaşık ve uzun olması sebebiyle çok daha kompakt ikinci bir tasarıma gidilmiştir. Geliştirilen alternatif tasarımda, tek bir Windows işletim sistemli bilgisayarda Ubuntu sanal makineler kullanılarak insansız hava araçlarının simüle edilmesi sağlanmış ve hem test başlatma zamanı hem de donanımsal gereklilik açısından ilk versiyondan daha verimli bir yazılımsal benzetim ortamı elde edilmiştir. Bu tez çalışmasında, yazılımsal benzetim ortamlarına ek olarak, geliştirilen arama ve konum belirleme algoritmasını gerçeklemek için tasarlanan donanımsal mimari verilmiştir. Donanımsal mimari, hemen hemen bütün parçaları piyasadan hazır olarak temin edilebilen aviyonik tasarıma sahiptir. Bununla birlikte kullanılan donanımsal mimari üzerinde çalışan özgün bir yazılımsal mimari de sunulmuştur. Yazılımsal mimari, geliştirilen sinyal ölçümü ve tespiti ile tüm süreci otomatize hale getiren arama ve konum belirleme algoritmasının gerçeklemesini de içermektedir. Ayrıca, istenilen insansız hava aracından canlı görüntü almak amacıyla görüntü aktarım ve alım yazılımları da geliştirilerek bütün sistemin yer istasyonunda yine özgün olan bir kullanıcı arayüzü tarafından takibi amaçlanmıştır. Çalışmanın sonunda, geliştirilen algoritmaların tasarlanan yazılımsal benzetim ortamındaki test sonuçları verilmiştir.
In this thesis, the utilization of unmanned aerial vehicles (UAV) in the search and rescue operations is studied based on the radio frequency (RF) signal sources. Considering the significant improvements on the unmanned systems over the last twenty years, the usage of the UAVs can be convenient in terms of operational risks, cost and human resource requirements in the search and rescue operations. Particularly, the searching time of the target can be critically decreased with utilization of the UAVs. Taking advantages of the UAVs, an efficient and low-cost searching and localization algorithm is presented based upon the searching target emits the RF signals. In the proposed solution to the search and rescue problem, each UAV is equipped with software defined radios (SDR) in order to receive the RF signal emitted from the RF signal source. Based on the conditions of the given problem, a frequency detection algorithm is presented using signal processing techniques to measure correct received signal strength (RSS) values in the propagation frequency of the RF source. In addition to that, free-space signal propagation model is modified with experimental signal strength measurements and it is utilized in the conversion from the signal strength to the approximated distance between the RF source and the UAVs for position estimation. The estimation of the position of the RF source is performed by using recursive state estimation methods. At the beginning, deterministic localization methods are investigated. However, these techniques such as trilateration do not perform good localization results due to the RF signal noise. For this reason, an extended Kalman filter (EKF) based position estimation method is developed for multiple UAVs. Since this method requires multiple measurements from at least three UAVs, another position estimation method based on the particle filter (PF) is proposed for single UAV to make the elapsed time in the searching of the target more efficient. In order to test the developed localization process, two software-in-the-loop (SIL) environments are developed with different specifications. These environments are supported with experimental tests and the models running in the environments are improved using the experimental tests to get more realistic simulation results. At the end of the study, a genuine complete architecture of the system with hardware and software components is given to implement the proposed searching and localization methodology. In addition to the given hardware architecture which consists of completely commercial-off-the-shelf (COTS) devices, the developed software architecture proposes an efficient, easy to use solution to the search and rescue problem. Finally, the SIL test results are conducted in order to test the proposed methodology.