Uçuş Kontrol Sistemleri (UKS), kullanıldıkları İHA’lara göre tasarım yöntemi, donanımı ve yazılımı bakımından farklılıklar içermektedir. ASELSAN’ın özgün Uçuş Kontrol Sistemleri, farklı hava araçları ve kullanım senaryolarını destekleyecek şekilde tasarlanan altyapısı ile yeni görevlere hazır durumda.
İnsansız Hava Araçları (İHA) ağırlıkları, uçuş irtifaları ve süreleri, itki sistemleri, taşıdıkları faydalı yükler ve kullanım alanları gibi pek çok açıdan sınıflandırılabilir. Sabit kanatlı orta irtifada uzun uçuş kabiliyetine sahip askeri keşif ve gözlem amaçlı geliştirilen İHA’ların ağırlıkları yarım tona kadar çıksa da, günümüzde yarım kilogramın altına düşmüş herkesin erişimine açık ve genelde havadan video çekimi için kullanılan otonomi seviyesi yüksek çok rotorlu hava araçları da İHA olarak kabul edilebilir. Bu sebeplerle Uçuş Kontrol Sistemleri (UKS) de kullanıldıkları İHA’lara göre çeşitlilik göstermektedir. Yüksek ya da orta irtifada saatlerce uçabilen askeri İHA’ların uçuş kontrol sistemleri, bu sistemlerin emniyet gereksinimleri, tasarım süreçleri, kullandıkları yüksek maliyetli aviyonik sensör ve bilgisayarlar nedeniyle yolcu uçaklarındaki otopilot sistemlerine benzemektedir.
Model uçak olarak tanımlanan mini hava araçları RC (radyo) kontrollü servolar ile hava aracının kontrol yüzeylerini (kanatçık) yerdeki pilotun komutlarına göre hareket ettiren basit elektronik sistemlere sahiptir. Zaman içinde elektronik teknolojisindeki gelişmelere paralel olarak mikro-elektronik dönüölçerlerin maliyeti düşmüş ve amatör kullanıcılar için erişilebilirliği artmıştır. Bu durum, örneğin model helikopterlerde, baş açısının kontrol edilebilmesi için gerekli torkun kuyruk motoru tarafından elektronik bir kontrolcü ile sağlanmasını mümkün kılmıştır. Ucuz dönü-ölçerlerin ve mikroişlemcilerin kullanımı kısa bir süre içerisinde kararsız mini hava araçlarının da otonomi kazanmalarının önünü açmıştır. Çok rotorlu drone olarak tanımlanan küçük hava araçlarının ticari ve kişisel kullanımdaki talebinin artışı ve buna paralel olarak arz patlamasını bu şekilde açıklamak mümkündür. Böylece açık kaynaklı, düşük maliyetli hazır donanıma sahip uçuş kontrol sistemleri amatörlerin ve araştırmacıların kullanımına açılmış ve uzak doğu kaynaklı düşük maliyetli çok rotorlu hazır hava araçları ulaşılabilir hale gelmiştir. Bu sayede mini İHA ve UKS sistemlerinin kişisel kullanım dışında aynı zamanda hava fotoğrafçılığı, haritalama, trafik kontrolü, tarım gibi pek çok uygulama alanında kullanımı yaygınlaşmıştır.
Uçuş kontrol sistemleri yukarıdaki açıklamalardan da anlaşılacağı gibi kullanım amacına bağlı olarak tasarım yöntemi, donanımı ve yazılımı bakımından farklılıklar içerir. Basit sistemler için tasarlanan düşük maliyetli uçuş kontrol sistemleri özellikle işlemci ve sensör teknolojisindeki gelişimle evrilerek askeri sistemlerde kullanılan alternatiflerinin işlevselliğine günden güne yaklaşmaktadır. Düşük maliyetli mini İHA’lar, hava postacılığı uygulamalarında şehir üstü uçuş örneğindeki gibi kullanım senaryoları dolayısıyla uçuş emniyeti açısından pahalı sistemlere benzer gereksinimlere sahip hale gelmektedir. Bu da uçuş kontrol sistemi tasarım süreçlerini zorlaştırmakta ve maliyetleri mini İHA’lar için uygulanabilir olmayacak şekilde artırmaktır. Maliyet açısından büyük hava araçları için geliştirilmiş uçuş kontrol sistemlerinin tasarım yaklaşımlarının, daha küçük ve basit hava araçlarında da kullanılabilecek şekilde uyumlandırılması gerektiği gözlenmektedir.
Mini İHA uçuş kontrol sistemlerini daha detaylı açıklamak için popüler dört (4) rotorlu quad-rotor drone olarak isimlendirilen mini hava araçlarını örnek olarak kullanabiliriz. Uçuş kontrol sistemi temelde bir kontrol problemini çözmek üzere tasarlanmaktadır. Örneğimizdeki kontrol sistemi dört (4) motora verdiği bağımsız komutlar sayesinde pervaneler aracılığıyla yaratılan kuvvet ve torklarla aracın istediğimiz dönüş ve manevralarını yapmasını sağlamaktadır. Böylece motorlar sayesinde oluşan itki ve dönüş hava aracının üç (3) boyutlu uzayda ileri/geri, yukarı/aşağı ve sağ/ sol doğrusal hareketleri ile yuvarlanma, yunuslama ve yönlenme olarak ifade edebileceğimiz dönüşsel hareketlerini yani altı (6) serbestlik derecesini kontrol etmeyi içerir. Kontrolcünün dört (4) eyleyicisine karşılık altı (6) serbestlik derecesi bulunması kontrol eylemlerinin birbiri ile etkileşimini doğurur. Örneğin yunuslama aynı zamanda ileri/geri ve yukarı/aşağı doğrusal harekette değişikliğe sebep olur.
Dört (4) rotorlu sistemlerin geometrisi motorlarda itki kuvveti üretilirken pervanelerdeki torktan dolayı oluşan tepki torkunu dengelemek için iki (2) motorun saat yönünde diğer iki (2) motorun ise saat yönünün tersinde dönecek şekilde yerleştirilmesini gerektirmektedir. Hava aracı dönüş yapmak istediğinde şekilde gösterildiği gibi saat yönüne (m3-motor 3 ve m1-motor 1) dönen motorların itkisi azaltılırken, diğerlerininki net itki eşit olacak şekilde artırılır. Bu haldeyken motorlar arasındaki itkide oluşan fark motorların dizilim geometrisi sayesinde istenmeyen yuvarlanma ve yunuslama etkisi yaratmazken, aracın baş açısında saat yönünde dönüşüne sebep olur. Benzer olarak yunuslama ve ileri yönde hız kazanmak istenirse motor 1 ve motor 4 üzerindeki itki azaltılırken motor 2 ve motor 3 üzerindeki itki artırılır.
Yukarıda açıkladığımız geri beslemeli kontrol döngülerinin çalışması için açısal hız, yönelim açıları, dikey ve yatay hızların kontrolcüye beslenmesi gerekmektedir. Bu da öncelikle dönü ve ivme ölçer sensörü kullanımını gerektirmektedir. Kontrolcü mimarisi uygulamaya bağlı farklılık gösterse de açısal hız, açı, hız ve pozisyonu kontrol eden ayrık ve sıralı kontrolcü yapısı en temel kontrolcü yaklaşımına örnek olarak verilebilir. Hava aracının istenen bir noktaya belirlenen yörüngede gitmesi, pozisyon ve hız durum değişkenlerinin de kestirimini gerektirdiğinden uçuş kontrol sistemlerinde bir veya daha fazla destek sensörü daha bulunur. Bunlar GNSS sistemleri, statik ve dinamik basınç sensörleri, manyetik pusula ve GNSS desteği olmadığı durumlar için görüntü destek sistemleri olarak örneklenebilir. Buraya kadar anlatılan uçuş kontrol sistemini kontrol, güdüm ve navigasyon işlevleri olarak bölmek daha anlamlı olacaktır. Temelde GNSS, IMU ve diğer destek sensörlerini kullanarak hava aracının konum, hız, yönelim gibi değişkenlerinin kestirimi, ataletsel navigasyon işlevi olarak tanımlanabilir. Bu kestirimler kapalı döngü kontrolcüler tarafından kullanılır. Güdüm işlevini hava aracının bulunduğu konumdan, hedeflenen konuma gitmesi için gereken yörüngenin ve dolayısıyla bu yörüngede kalmak için kontrolcü tarafından kullanılacak dönü, hız ve ivme değişimlerinin hesaplanması olarak tanımlamamız mümkündür. Bu noktada dört (4) rotorlu örneğimizde kontrol işlevini, güdüm komutlarını ve kararlı uçuşu gerçekleştirmek için GNSS destekli ataletsel navigasyon sistemi ölçümlerini kullanarak motor girişlerinde gereken itki komutlarını üretmek olarak tanımlayabiliriz.
Temel uçuş kontrol işlevlerine ek olarak iniş, kalkış, seyir ve otonomi modlarına göre farklı tepkiler verecek bir görev yönetim ve durum geçiş algoritması bulunması gerekir. Bu algoritma kontrolcü döngülerinin bazılarını devreden çıkarma, kontrolcü girişlerini anahtarlama gibi üst seviye bir yazılımdır. Ayrıca kullandığı sensör ve destek sistemlerinde oluşan hatalara göre uçuş modunu değiştirmek, kontrolcü komutlarını ve kullanılan sensörleri anahtarlamak bu yazılımın görevi olarak tanımlanabilir. Acil iniş ve iletişim koptuğunda eve dönme gibi işlevler yine bu sistemin sorumluluğundadır. Bunlara ek olarak pek çok sistemde uçuş kontrolcüsü faydalı yük ve yer kontrol sistemi ile haberleşerek keşif ve gözetleme amaçlı kullanım için gereken görev yönetimi işlemlerini de gerçekleştirir.
Hava aracının durumsal farkındalığı uçuş emniyeti ve görev başarımı açısından önemlidir. Yere yakın uçan mini çok rotorlu hava araçlarında engel tanıma sistemi bulunabilir. Daha yüksek irtifalarda ve ayrılmamış hava sahalarında uçan İHA’larda ise çarpışma önleyici gelişmiş destek sistemleri gereklidir. Bu durumda çarpışma olasılığının tespiti ve kaçınma hareketi algoritmasının, uçuş kontrol sistemi ile uyumlu çalışması gerekir. Buradan uçuş kontrol sisteminin, hava aracı üzerindeki tüm sensörler, faydalı yükler ve yer kontrol sistemi ile düşük gecikmeli haberleşmesi, bunun yanında uçuş kontrol döngülerini gerçek zamanlı sistem prensibine uygun olarak çalıştırması gerektiği görülebilir.
Özellikle düşük maliyetli mini hava araçlarında açık kaynak kodlu hazır donanımlar küçük hava aracı üreticileri tarafından yaygın şekilde kullanılmaktadır. Bu yaklaşım entegrasyon süresi ve maliyetini düşürse de uçuş emniyeti açısından ve algoritmaların özelleştirilmesi sırasında bazı zorluklar da doğurabilir. Alternatif olarak hazır ürünler sağlayan otopilot üreticisi firmalar bulunmaktadır. Bu firmalar kullanım amacına yönelik özelleştirmeyi mümkün kılan açık kaynak olmayan uçuş kontrol yazılımları sağlar. Bu tip uçuş kontrol sistemi üreticileri test ve yazılım olgunluğu açısından bazı mini İHA üreticileri tarafından tercih edilmektedir. Genellikle mini İHA’larda gerçek zamanlı çalışabilecek mikro işlemci tabanlı uçuş kontrol sistemleri kullanılmakla beraber LINUX işletim sistemi kullanan bir işlemci ve destek amaçlı gerçek zamanlı çalışabilen bir mikro işlemciyi bir arada barındıran donanımlar da mevcuttur. Ayrıca FPGA ve System-on-Chip kullanan Uçuş Kontrol Sistemi (UKS) donanımları da görmek mümkündür
ASELSAN İnsansız ve Otonom Sistemler Sistem Mühendisliği Müdürlüğü bünyesinde geliştirilen hava araçları için özgün yazılım ve donanımına sahip UKS tasarımları bulunmaktadır. Döner kanatlı, tek rotorlu ve yakıtlı bir motora sahip olan ARI1-T sistemi için geliştirilen sistem, yazılım ve donanımı ASELSAN’da tasarlanmış ilk özgün İHA UKS sistemimizdir. Bu sistemde bir DSP işlemcisi kullanılarak gerçek zamanlı kontrol, navigasyon, güdüm ve uçuş kontrol algoritmaları çalıştırılmaktadır. Sensör ve servo arayüzleri için FPGA barındıran bir arayüz kartı bulunmaktadır.
SAKA mikro İHA sistemi için, kullanım ihtiyaçları göz önüne alınarak ağırlık ve maliyet etkin özgün bir UKS donanımı ASELSAN tarafından geliştirilmiştir. 19 gram ağırlığındaki söz konusu donanım üzerinde koşan özgün UKS yazılımı kullanılarak SAKA uçuş testleri başarı ile gerçekleştirilmiştir.
Son yıllarda teknolojide yaşanan gelişmeler sayesinde, yakın geçmişe kadar gerçek zamanlı olarak çalıştırılması mümkün olmayan ileri kontrol metotları da küçük ve orta sınıf sistemler üzerinde uygulanabilir hale gelmiştir. Gelişen teknoloji ile beraber endüstrinin yönelimini araştırmak için IFAC tarafından çalışma yapılmış ve 2017’de IEEE’de yayımlanmıştır. Buna göre yakın gelecekte endüstriyel etkisinin yüksek olması öngörülen Model Öngörülü Kontrolcü (Model Predictive ControllerMPC) ve sistem tanımlama öne çıkmaktadır. Bu bağlamda ASELSAN İnsansız ve Otonom Sistemler Sistem Mühendisliği Müdürlüğü de bu alandaki gelişmeleri yakından takip etmekte ve potansiyel oluşturan alanlarda çalışmalar yapmaktadır. Bu çalışmalara örnek olarak Model Öngörülü Kontrolcülü (Model Predictive Controller - MPC) kontrol sistemi testlerinden bahsedilebilir.
Kısaca açıklamak gerekirse Model Öngörülü Kontrolcü, sistemin dinamik modelini kullanarak gelecekte yapacağı hareketleri öngörür ve istenen cevabı oluşturması için gerekli kontrol dizisini üretir. Bir örnek üzerinden açıklamak gerekirse, askı durumunda bekleyen birçok rotorlu hava aracına ileri hız vermek istediğimizi düşünelim. Bu hareketin gerçekleşmesi için öncelikle hava aracına yaptırmak istediğimiz referans komut MPC’ye gider. MPC mevcut ölçümlere bakarak aracın bu hareketi yapması için nasıl bir manevrada bulunması gerektiğini öngörür. Burada kontrolcü tasarımında kritik olan bir noktaya da değinmek gerekir. Kontrolcü ileri hızla gitmeye çalışırken diğer değişkenlere karşı da bir cevap üretmesi gerekir. Örneğin ileri uçuşa hızına erişirken yunuslama açısının çok hızlı değişmesine izin vermek istemiyoruz. Böyle bir durumda dengeyi kurmak için ise her değişkenin ya da durumun ağırlığının belirlendiği bir ağırlıklandırma matrisinden faydalanılır. MPC tüm durumların ağırlıklarının olduğu bu matrisi öngörü ufku boyunca her zaman adımında denkleme dâhil ederek istenen referansı oluşturacak en iyilenmiş kontrol dizisini üretir. Bu dizinin uzunluğu belirlenen kontrol ufku kadardır. Fakat o an sadece o zaman adımı için gerekli olan kontrol girdisi sisteme uygulanır ve aynı işlem tekrarlanır. Böylece modelleme eksikleri ya da dış etkiler gibi sebeplerden ötürü cevap tamamen beklenen gibi olmasa da bu hatayı da bir sonraki zaman adımında kapatarak beklenen cevaba en yakın hareket elde edilmesi amaçlanmış olur.
Böyle bir kontrolcü yapısı büyük matris çarpımları gerektirdiği için yüksek bir işlem gücü kapasitesine ihtiyaç duymaktadır. Yaklaşık 60 yıllık bir teorik geçmişe sahip olsa da yakın bir geçmişe kadar gerçek zamanlı çalıştırmak mümkün olmamıştır.
ASELSAN İnsansız ve Otonom Sistemler Sistem Mühendisliği Müdürlüğünde yapılan çalışmalarda, sistem tanımlama metodu ile elde edilen model ile çalışan bir Model Öngörülü Kontrolcü geliştirilmiş ve prototip hava araçları üzerinde başarılı uçuşlar yapılmıştır. Böylece gelecekte etkin olması beklenen alanlardaki çalışmalara önem verilerek literatürdeki gelişmelerin yakından takibi amaçlanmıştır. Elde edilen prototip uçan sistem ile teknoloji olgunluk seviyemiz artırılmıştır.
UKS çalışmalarında model tabanlı tasarım ve benzetim altyapıları etkin şekilde kullanılmakta olup sırasıyla döngüde model, döngüde yazılım ve döngüde donanım metotları kullanılarak yazılım geliştirme ve testleri yapılmaktadır. Bu yapının sağlıklı çalışması için doğrusal ve doğrusal olmayan hava aracı modelleri oluşturulmaktadır. Hava aracı modelleri hava araçlarından alınan uçuş verileri ile doğrulanmakta ve özgün yer kontrol yazılımına entegre edilmektedir. ASELSAN’ın özgün Uçuş Kontrol Sistemleri farklı hava araçları ve kullanım senaryolarını destekleyecek şekilde tasarlanan altyapısı ile yeni görevlere hazırdır.
İnsansız Hava Araçları (İHA) ağırlıkları, uçuş irtifaları ve süreleri, itki sistemleri, taşıdıkları faydalı yükler ve kullanım alanları gibi pek çok açıdan sınıflandırılabilir. Sabit kanatlı orta irtifada uzun uçuş kabiliyetine sahip askeri keşif ve gözlem amaçlı geliştirilen İHA’ların ağırlıkları yarım tona kadar çıksa da, günümüzde yarım kilogramın altına düşmüş herkesin erişimine açık ve genelde havadan video çekimi için kullanılan otonomi seviyesi yüksek çok rotorlu hava araçları da İHA olarak kabul edilebilir. Bu sebeplerle Uçuş Kontrol Sistemleri (UKS) de kullanıldıkları İHA’lara göre çeşitlilik göstermektedir. Yüksek ya da orta irtifada saatlerce uçabilen askeri İHA’ların uçuş kontrol sistemleri, bu sistemlerin emniyet gereksinimleri, tasarım süreçleri, kullandıkları yüksek maliyetli aviyonik sensör ve bilgisayarlar nedeniyle yolcu uçaklarındaki otopilot sistemlerine benzemektedir.
Model uçak olarak tanımlanan mini hava araçları RC (radyo) kontrollü servolar ile hava aracının kontrol yüzeylerini (kanatçık) yerdeki pilotun komutlarına göre hareket ettiren basit elektronik sistemlere sahiptir. Zaman içinde elektronik teknolojisindeki gelişmelere paralel olarak mikro-elektronik dönüölçerlerin maliyeti düşmüş ve amatör kullanıcılar için erişilebilirliği artmıştır. Bu durum, örneğin model helikopterlerde, baş açısının kontrol edilebilmesi için gerekli torkun kuyruk motoru tarafından elektronik bir kontrolcü ile sağlanmasını mümkün kılmıştır. Ucuz dönü-ölçerlerin ve mikroişlemcilerin kullanımı kısa bir süre içerisinde kararsız mini hava araçlarının da otonomi kazanmalarının önünü açmıştır. Çok rotorlu drone olarak tanımlanan küçük hava araçlarının ticari ve kişisel kullanımdaki talebinin artışı ve buna paralel olarak arz patlamasını bu şekilde açıklamak mümkündür. Böylece açık kaynaklı, düşük maliyetli hazır donanıma sahip uçuş kontrol sistemleri amatörlerin ve araştırmacıların kullanımına açılmış ve uzak doğu kaynaklı düşük maliyetli çok rotorlu hazır hava araçları ulaşılabilir hale gelmiştir. Bu sayede mini İHA ve UKS sistemlerinin kişisel kullanım dışında aynı zamanda hava fotoğrafçılığı, haritalama, trafik kontrolü, tarım gibi pek çok uygulama alanında kullanımı yaygınlaşmıştır.
Uçuş kontrol sistemleri yukarıdaki açıklamalardan da anlaşılacağı gibi kullanım amacına bağlı olarak tasarım yöntemi, donanımı ve yazılımı bakımından farklılıklar içerir. Basit sistemler için tasarlanan düşük maliyetli uçuş kontrol sistemleri özellikle işlemci ve sensör teknolojisindeki gelişimle evrilerek askeri sistemlerde kullanılan alternatiflerinin işlevselliğine günden güne yaklaşmaktadır. Düşük maliyetli mini İHA’lar, hava postacılığı uygulamalarında şehir üstü uçuş örneğindeki gibi kullanım senaryoları dolayısıyla uçuş emniyeti açısından pahalı sistemlere benzer gereksinimlere sahip hale gelmektedir. Bu da uçuş kontrol sistemi tasarım süreçlerini zorlaştırmakta ve maliyetleri mini İHA’lar için uygulanabilir olmayacak şekilde artırmaktır. Maliyet açısından büyük hava araçları için geliştirilmiş uçuş kontrol sistemlerinin tasarım yaklaşımlarının, daha küçük ve basit hava araçlarında da kullanılabilecek şekilde uyumlandırılması gerektiği gözlenmektedir.
Mini İHA uçuş kontrol sistemlerini daha detaylı açıklamak için popüler dört (4) rotorlu quad-rotor drone olarak isimlendirilen mini hava araçlarını örnek olarak kullanabiliriz. Uçuş kontrol sistemi temelde bir kontrol problemini çözmek üzere tasarlanmaktadır. Örneğimizdeki kontrol sistemi dört (4) motora verdiği bağımsız komutlar sayesinde pervaneler aracılığıyla yaratılan kuvvet ve torklarla aracın istediğimiz dönüş ve manevralarını yapmasını sağlamaktadır. Böylece motorlar sayesinde oluşan itki ve dönüş hava aracının üç (3) boyutlu uzayda ileri/geri, yukarı/aşağı ve sağ/ sol doğrusal hareketleri ile yuvarlanma, yunuslama ve yönlenme olarak ifade edebileceğimiz dönüşsel hareketlerini yani altı (6) serbestlik derecesini kontrol etmeyi içerir. Kontrolcünün dört (4) eyleyicisine karşılık altı (6) serbestlik derecesi bulunması kontrol eylemlerinin birbiri ile etkileşimini doğurur. Örneğin yunuslama aynı zamanda ileri/geri ve yukarı/aşağı doğrusal harekette değişikliğe sebep olur.
Dört (4) rotorlu sistemlerin geometrisi motorlarda itki kuvveti üretilirken pervanelerdeki torktan dolayı oluşan tepki torkunu dengelemek için iki (2) motorun saat yönünde diğer iki (2) motorun ise saat yönünün tersinde dönecek şekilde yerleştirilmesini gerektirmektedir. Hava aracı dönüş yapmak istediğinde şekilde gösterildiği gibi saat yönüne (m3-motor 3 ve m1-motor 1) dönen motorların itkisi azaltılırken, diğerlerininki net itki eşit olacak şekilde artırılır. Bu haldeyken motorlar arasındaki itkide oluşan fark motorların dizilim geometrisi sayesinde istenmeyen yuvarlanma ve yunuslama etkisi yaratmazken, aracın baş açısında saat yönünde dönüşüne sebep olur. Benzer olarak yunuslama ve ileri yönde hız kazanmak istenirse motor 1 ve motor 4 üzerindeki itki azaltılırken motor 2 ve motor 3 üzerindeki itki artırılır.
Yukarıda açıkladığımız geri beslemeli kontrol döngülerinin çalışması için açısal hız, yönelim açıları, dikey ve yatay hızların kontrolcüye beslenmesi gerekmektedir. Bu da öncelikle dönü ve ivme ölçer sensörü kullanımını gerektirmektedir. Kontrolcü mimarisi uygulamaya bağlı farklılık gösterse de açısal hız, açı, hız ve pozisyonu kontrol eden ayrık ve sıralı kontrolcü yapısı en temel kontrolcü yaklaşımına örnek olarak verilebilir. Hava aracının istenen bir noktaya belirlenen yörüngede gitmesi, pozisyon ve hız durum değişkenlerinin de kestirimini gerektirdiğinden uçuş kontrol sistemlerinde bir veya daha fazla destek sensörü daha bulunur. Bunlar GNSS sistemleri, statik ve dinamik basınç sensörleri, manyetik pusula ve GNSS desteği olmadığı durumlar için görüntü destek sistemleri olarak örneklenebilir. Buraya kadar anlatılan uçuş kontrol sistemini kontrol, güdüm ve navigasyon işlevleri olarak bölmek daha anlamlı olacaktır. Temelde GNSS, IMU ve diğer destek sensörlerini kullanarak hava aracının konum, hız, yönelim gibi değişkenlerinin kestirimi, ataletsel navigasyon işlevi olarak tanımlanabilir. Bu kestirimler kapalı döngü kontrolcüler tarafından kullanılır. Güdüm işlevini hava aracının bulunduğu konumdan, hedeflenen konuma gitmesi için gereken yörüngenin ve dolayısıyla bu yörüngede kalmak için kontrolcü tarafından kullanılacak dönü, hız ve ivme değişimlerinin hesaplanması olarak tanımlamamız mümkündür. Bu noktada dört (4) rotorlu örneğimizde kontrol işlevini, güdüm komutlarını ve kararlı uçuşu gerçekleştirmek için GNSS destekli ataletsel navigasyon sistemi ölçümlerini kullanarak motor girişlerinde gereken itki komutlarını üretmek olarak tanımlayabiliriz.
Temel uçuş kontrol işlevlerine ek olarak iniş, kalkış, seyir ve otonomi modlarına göre farklı tepkiler verecek bir görev yönetim ve durum geçiş algoritması bulunması gerekir. Bu algoritma kontrolcü döngülerinin bazılarını devreden çıkarma, kontrolcü girişlerini anahtarlama gibi üst seviye bir yazılımdır. Ayrıca kullandığı sensör ve destek sistemlerinde oluşan hatalara göre uçuş modunu değiştirmek, kontrolcü komutlarını ve kullanılan sensörleri anahtarlamak bu yazılımın görevi olarak tanımlanabilir. Acil iniş ve iletişim koptuğunda eve dönme gibi işlevler yine bu sistemin sorumluluğundadır. Bunlara ek olarak pek çok sistemde uçuş kontrolcüsü faydalı yük ve yer kontrol sistemi ile haberleşerek keşif ve gözetleme amaçlı kullanım için gereken görev yönetimi işlemlerini de gerçekleştirir.
Hava aracının durumsal farkındalığı uçuş emniyeti ve görev başarımı açısından önemlidir. Yere yakın uçan mini çok rotorlu hava araçlarında engel tanıma sistemi bulunabilir. Daha yüksek irtifalarda ve ayrılmamış hava sahalarında uçan İHA’larda ise çarpışma önleyici gelişmiş destek sistemleri gereklidir. Bu durumda çarpışma olasılığının tespiti ve kaçınma hareketi algoritmasının, uçuş kontrol sistemi ile uyumlu çalışması gerekir. Buradan uçuş kontrol sisteminin, hava aracı üzerindeki tüm sensörler, faydalı yükler ve yer kontrol sistemi ile düşük gecikmeli haberleşmesi, bunun yanında uçuş kontrol döngülerini gerçek zamanlı sistem prensibine uygun olarak çalıştırması gerektiği görülebilir.
Özellikle düşük maliyetli mini hava araçlarında açık kaynak kodlu hazır donanımlar küçük hava aracı üreticileri tarafından yaygın şekilde kullanılmaktadır. Bu yaklaşım entegrasyon süresi ve maliyetini düşürse de uçuş emniyeti açısından ve algoritmaların özelleştirilmesi sırasında bazı zorluklar da doğurabilir. Alternatif olarak hazır ürünler sağlayan otopilot üreticisi firmalar bulunmaktadır. Bu firmalar kullanım amacına yönelik özelleştirmeyi mümkün kılan açık kaynak olmayan uçuş kontrol yazılımları sağlar. Bu tip uçuş kontrol sistemi üreticileri test ve yazılım olgunluğu açısından bazı mini İHA üreticileri tarafından tercih edilmektedir. Genellikle mini İHA’larda gerçek zamanlı çalışabilecek mikro işlemci tabanlı uçuş kontrol sistemleri kullanılmakla beraber LINUX işletim sistemi kullanan bir işlemci ve destek amaçlı gerçek zamanlı çalışabilen bir mikro işlemciyi bir arada barındıran donanımlar da mevcuttur. Ayrıca FPGA ve System-on-Chip kullanan Uçuş Kontrol Sistemi (UKS) donanımları da görmek mümkündür
ASELSAN İnsansız ve Otonom Sistemler Sistem Mühendisliği Müdürlüğü bünyesinde geliştirilen hava araçları için özgün yazılım ve donanımına sahip UKS tasarımları bulunmaktadır. Döner kanatlı, tek rotorlu ve yakıtlı bir motora sahip olan ARI1-T sistemi için geliştirilen sistem, yazılım ve donanımı ASELSAN’da tasarlanmış ilk özgün İHA UKS sistemimizdir. Bu sistemde bir DSP işlemcisi kullanılarak gerçek zamanlı kontrol, navigasyon, güdüm ve uçuş kontrol algoritmaları çalıştırılmaktadır. Sensör ve servo arayüzleri için FPGA barındıran bir arayüz kartı bulunmaktadır.
SAKA mikro İHA sistemi için, kullanım ihtiyaçları göz önüne alınarak ağırlık ve maliyet etkin özgün bir UKS donanımı ASELSAN tarafından geliştirilmiştir. 19 gram ağırlığındaki söz konusu donanım üzerinde koşan özgün UKS yazılımı kullanılarak SAKA uçuş testleri başarı ile gerçekleştirilmiştir.
Son yıllarda teknolojide yaşanan gelişmeler sayesinde, yakın geçmişe kadar gerçek zamanlı olarak çalıştırılması mümkün olmayan ileri kontrol metotları da küçük ve orta sınıf sistemler üzerinde uygulanabilir hale gelmiştir. Gelişen teknoloji ile beraber endüstrinin yönelimini araştırmak için IFAC tarafından çalışma yapılmış ve 2017’de IEEE’de yayımlanmıştır. Buna göre yakın gelecekte endüstriyel etkisinin yüksek olması öngörülen Model Öngörülü Kontrolcü (Model Predictive ControllerMPC) ve sistem tanımlama öne çıkmaktadır. Bu bağlamda ASELSAN İnsansız ve Otonom Sistemler Sistem Mühendisliği Müdürlüğü de bu alandaki gelişmeleri yakından takip etmekte ve potansiyel oluşturan alanlarda çalışmalar yapmaktadır. Bu çalışmalara örnek olarak Model Öngörülü Kontrolcülü (Model Predictive Controller - MPC) kontrol sistemi testlerinden bahsedilebilir.
Kısaca açıklamak gerekirse Model Öngörülü Kontrolcü, sistemin dinamik modelini kullanarak gelecekte yapacağı hareketleri öngörür ve istenen cevabı oluşturması için gerekli kontrol dizisini üretir. Bir örnek üzerinden açıklamak gerekirse, askı durumunda bekleyen birçok rotorlu hava aracına ileri hız vermek istediğimizi düşünelim. Bu hareketin gerçekleşmesi için öncelikle hava aracına yaptırmak istediğimiz referans komut MPC’ye gider. MPC mevcut ölçümlere bakarak aracın bu hareketi yapması için nasıl bir manevrada bulunması gerektiğini öngörür. Burada kontrolcü tasarımında kritik olan bir noktaya da değinmek gerekir. Kontrolcü ileri hızla gitmeye çalışırken diğer değişkenlere karşı da bir cevap üretmesi gerekir. Örneğin ileri uçuşa hızına erişirken yunuslama açısının çok hızlı değişmesine izin vermek istemiyoruz. Böyle bir durumda dengeyi kurmak için ise her değişkenin ya da durumun ağırlığının belirlendiği bir ağırlıklandırma matrisinden faydalanılır. MPC tüm durumların ağırlıklarının olduğu bu matrisi öngörü ufku boyunca her zaman adımında denkleme dâhil ederek istenen referansı oluşturacak en iyilenmiş kontrol dizisini üretir. Bu dizinin uzunluğu belirlenen kontrol ufku kadardır. Fakat o an sadece o zaman adımı için gerekli olan kontrol girdisi sisteme uygulanır ve aynı işlem tekrarlanır. Böylece modelleme eksikleri ya da dış etkiler gibi sebeplerden ötürü cevap tamamen beklenen gibi olmasa da bu hatayı da bir sonraki zaman adımında kapatarak beklenen cevaba en yakın hareket elde edilmesi amaçlanmış olur.
Böyle bir kontrolcü yapısı büyük matris çarpımları gerektirdiği için yüksek bir işlem gücü kapasitesine ihtiyaç duymaktadır. Yaklaşık 60 yıllık bir teorik geçmişe sahip olsa da yakın bir geçmişe kadar gerçek zamanlı çalıştırmak mümkün olmamıştır.
ASELSAN İnsansız ve Otonom Sistemler Sistem Mühendisliği Müdürlüğünde yapılan çalışmalarda, sistem tanımlama metodu ile elde edilen model ile çalışan bir Model Öngörülü Kontrolcü geliştirilmiş ve prototip hava araçları üzerinde başarılı uçuşlar yapılmıştır. Böylece gelecekte etkin olması beklenen alanlardaki çalışmalara önem verilerek literatürdeki gelişmelerin yakından takibi amaçlanmıştır. Elde edilen prototip uçan sistem ile teknoloji olgunluk seviyemiz artırılmıştır.
UKS çalışmalarında model tabanlı tasarım ve benzetim altyapıları etkin şekilde kullanılmakta olup sırasıyla döngüde model, döngüde yazılım ve döngüde donanım metotları kullanılarak yazılım geliştirme ve testleri yapılmaktadır. Bu yapının sağlıklı çalışması için doğrusal ve doğrusal olmayan hava aracı modelleri oluşturulmaktadır. Hava aracı modelleri hava araçlarından alınan uçuş verileri ile doğrulanmakta ve özgün yer kontrol yazılımına entegre edilmektedir. ASELSAN’ın özgün Uçuş Kontrol Sistemleri farklı hava araçları ve kullanım senaryolarını destekleyecek şekilde tasarlanan altyapısı ile yeni görevlere hazırdır.
