İnsansız Hava Aracı Sistemlerinde Hata Tespit Yaklaşımları -1-

İnsansız Hava Aracı Sistemlerinde Hata Tespit Yaklaşımları -1-
Genişletilmiş Kalman Filtresi (GKF) – Extended Kalman Filter (EKF)

İnsansız Hava Araçları teknolojilerinin gelişiminde de aynı Maslow’un ihtiyaçlar
piramidine benzer bir sıralama bulunmaktadır. En basit anlamda bir İHA üreticisinin ilk sırada
istediği şey, hava aracının başarılı bir şekilde uçmasıdır. İkinci sırada görev gelir. Hava aracı
üretilme amacını yerine getirebilmelidir. Başarılı bir şekilde uçabilen ve görevini yerine
getirebilen bir insansız hava aracı sisteminde üçüncü ve en önemli kısım gelir: Güvenlik. İçinde
insan bulunmamasına, boyut olarak küçük, maliyet olarak ucuz olmasına rağmen insansız hava
aracı sistemlerinde güvenlik o kadar önemli bir kriter ki, birçok ülke ve birçok uluslararası
antlaşmaya bakıldığında, güvenlik piramidin en tepesinde yer alabilmektedir. İşte bu yüzden
üreticiler aynı işi yapan, birbirinin yedeği olabilecek entegreli sistemler geliştirmişlerdir.
Örneğin bir hava aracı kendi hızını ölçmek için 3 ayrı sensörden gelen 3 ayrı veriyi
kullanabilmektedir. Bunlar GNSS verisi, ivmeölçer ve pitot tüplerinden gelen dinamik/statik
basınç hesaplaması olabilir. Peki bu verilerden hangisi daha güvenilirdir? Ya da iki ayrı veri
gördüğümüzde hangisi doğru hangisi hatalı ölçüm yapmaktadır? Bizim yerimize buna karar
verecek bir sistem var mıdır? İşte bu makalede İnsansız Hava Araçlarında hata tespiti
yaklaşımlarını göreceğiz.

İlk konumuz Failsafe çeşitlerinden biri olan EKF Fail. İşin matematiğine girmeden önce
mantığını açıklamak istiyorum. “Arabanızda, entegre bir GPS sisteminizin olduğunu ve hareket
halinde iken düzenli olarak konumunuzu kontrol ettiğinizi düşünelim. Günlük yaşantımızdan
alışık olacağımız gibi (telefondan konum atarken veya hareket halindeki bir araçta
konumumuzu takip ederken fark edeceğimiz gibi) ara ara konumunuzda kaymalar ve hatalar
olacaktır. Bu hatalar güzergahınızda bulunan GPS sinyalinin koptuğu kör noktalar (alt geçitler
buna örnek olabilir) veya yol üzerinde bulunan sinyal karışıklığına sebep olan yerleşkeler
olabilir. (kamu kurum ve kuruluşlarındaki sinyal kesiciler veya sinyal yönlendiriciler). Ya da
aracınızdaki GPS alıcısının pozisyon bilgisini 2 saniyede bir aldığını varsayalım. Hareket
halinde olduğunuz için konumunuz 2 saniye boyunca, 2 saniye önceki konumunuz olarak
görünecektir ve bu sebeple konum bilginiz geriden gelecektir. Hızınıza bağlı olarak hata payı
da yüksek olacaktır. Size konum bilgisini veren sistem GPS’ten aldığı verilere ek olarak, gaza
bastığınızda aracınızın ne kadar hızlandığını ve ne kadar yol alabileceğinizi hesaplayan bir
cihaz ile beraber çalışsaydı, 2 saniyelik GPS verisinin güncellenmediği zamanlarda da hızınıza
bağlı olarak ne kadar ilerleyebileceğinizi hesaplayıp, tahmini olarak konumunuzun nerede
olduğunu gösterebilirdi. Aynı şekilde normal zamanlarda da GPS ile eş zamanlı çalışarak daha
doğru bir konum bilgisi almamızı da sağlayabilirdi. İşte EKF’nin yani Genişletilmiş Kalman
Filtresinin çalışma mantığı budur. EKF olasılıksal durum kestirim yöntemidir ve İnsansız Hava
Aracının konum, hız ve açısal yönelimini, hava aracınızda bulunan sensörleri kullanarak
hesaplamaktadır. (GPS, jiroskop, ivmeölçer, manyetometre, barometre vb.)

EKF “değeri”, sensörlerden gelen verileri kullanarak yaptığı tahminlerin güvenirliğini
gösteren rakamlardır. Değerler 0 ile 1 arasındadır; EKF değeri 0 ise sensörlerden gelen verilerin
birbirlerini doğruladığını ve güvenilir olduğunu, EKF 1 ise sensörlerden gelen verilerde
tutarsızlıklar olduğunu yani güvenilmez olduğunu söyleyebiliriz. İşte bu sebepten uçuş sırasında
EKF değerini sürekli takip etmeniz çok önemlidir. Son zamanlarda birçok İHA Pilotunun
korkusu olan, İlter benzeri Spoofing özellikli Drone Tespit ve Engelleme Sistemleri, GPS
sinyalini kesmek veya YKİ ile İHA arasındaki bağlantıyı koparmak yerine sahte GNSS
sinyalleri yayarak İHA’nın aslında olmadığı bir bölgede olduğunu düşündürmektedir. Böylece
hava aracını acil inişe zorlar veya RTH moduna geçmesini sağlayarak hatalı bir Home
konumuna yönlendirir. Bu ve benzeri güvenlik sistemleri genellikle GNSS sinyallerine
müdahale etmektedir. Ama EKF birden fazla sensörden gelen veriyi karşılaştırarak kestirim
yapmaktadır. Örneğin, uçuş yaparken GPS konumu aniden atlarsa ama ivmeölçerler ani bir
hızlanma göstermezse, uçuş kontrol sistemi bir hata olduğunu anlayacak ve EKF değeri
artacaktır. Buna benzer bir durumda sadece EKF değerini takip ederek bu hatayı veya
müdahaleyi fark edebilir ve bir kaza/kırım yaşanmadan önce hızlıca harekete geçebilirsiniz.

Konumunuzdaki, hızınızdaki ve açısal yöneliminizdeki bu hatalı veriler bir sensör
arızasından veya dış müdahale sebebiyle olabilmektedir. Eğer bir sensör arızası ve benzeri bir
sebep ile EKF değeri artmışsa, manuel olarak müdahale edip hava aracınızı güvenli bir bölgeye
indirebilir ve kontrollerinizi yapabilirsiniz. Fakat EKF değerinin artmasının sebebi dış
müdahale ise aynı zamanda sizin hava aracınıza komut vermenizi de engelleyebilmektedir. İşte
burada EKF Failsafe yani arıza güvenliği modu devreye girer. Bu mod hava aracından hava
aracına değişebileceği gibi, kullanıcının ayarlayacağı parametreler ile de özelleştirilebilmektedir. Ama özetle şu şekilde çalışmaktadır:

Hava aracınız ile YKİ arasındaki bağlantınız kopsa dahi, EKF değerleri 5 saniye boyunca 1,0
olursa EKF Failsafe otomatik olarak tetiklenir. Ve hava aracı LAND moduna geçiş yaparak
olduğu yere acil iniş yapar. EKF Failsafe’te RTH/RTL tercih etmeyiz çünkü Home konumu
hatalı olabilir. Genelde DJI Consumer cihazlarda ayarlanan RC Failsafe ile karıştırılmamalıdır.
Orada geçerli olan durum; hava aracınız ile kumanda arasındaki sinyalin araya yapı girmesi,
uzak mesafe veya benzeri bir sebeple kopması durumunda geçmesi gereken uçuş modudur. Ve
genelde RTH modu seçilip güvenli irtifa ayarlaması yapılarak, RC Failsafe durumunda hava
aracının kumandaya yaklaşması sağlanır. EKF Failsafe ise GPS Failsafe’e çok benzemektedir.
İkisinde de hatalı veya GPS verisinin hiç olmadığı durumlar geçerli olduğu için GPS verisine
ihtiyaç duyulan RTH modu tercih edilmemektedir.

Özetle, EKF parametresi birden fazla sensörden gelen veriyi analiz ettiği için en
güvenilir hata tespit yöntemlerinden biridir. EKF uçuş sırasında sensörlerden gelen yanlış
verileri filtrelemek, sensörlerin olası kalibrasyon bozulmalarını tespit edip kompanse etmek,
sensör verilerini birbirleriyle kıyaslamak ve sensör verisinin ortama göre mi değiştiğinin
(örneğin manyetik alanlarda değişen compass değerleri) yoksa bozuk mu çalıştığının tespitine
kadar pek çok kritik görevi yapar. Ve unutulmamalıdır ki EKF Failsafe ayarlamalarında GPS
verisine ihtiyaç duymayan uçuş modları tercih edilmelidir. Başka bir hata tespit yaklaşımı ve
arıza güvenliği (failsafe) konusunda görüşmek üzere, herkese kırımsız uçuşlar dilerim.

KAYNAKÇA – İNTİHAL oranı sadece %2’dir.
Resim1: https://ardupilot.org/copter/_images/ekf-failsafe-variance-viewer.png
https://ardupilot.org/copter/docs/failsafe-landing-page.html
https://ardupilot.org/copter/docs/ekf-inav-failsafe.html
https://ardupilot.org/copter/docs/common-apm-navigation-extended-kalman-filter-overview.html
https://gcris.etu.edu.tr/handle/20.500.11851/3514
https://www.youtube.com/watch?v=3SXbLH20L70
https://www.researchgate.net/publication/354535121_Insansiz_Hava_Araclari_Icin_Dusuk_Butceli_INSGNSS_Sistemi_Entegrasyonunda_Genisletilmis_Kalman_Filtresi_EKF_ve_Kokusuz_Kalman_Filtresi_UKF_Yontemlerinin_Karsilastirilmasi
https://ibrahimcahitozdemir.com/2021/09/23/otopilot-ile-otonom-ucus-arasindaki-farklar-algoritma/

Furkan BOZANBAŞI
İHA Pilotu – Eğitmen – Faydalı Yük Operatörü