Ismail Bayezit:
gg.aa.yyyy/no
DERS PROGRAMI
FORMU
COURSE SYLLABUS FORM
Dersin Adı: Güdüm Seyrüsefer Kontrol
Kod (Code)
Course Name: Guidance Navigation and Control
Kredi
Yarıyıl
AKTS Kredi
(Semester) (Local Credits) (ECTS Credits)
UCK468E
6/7
Bölüm / Program
(Department/Program)
Dersin Türü
(Course Type)
Dersin Önkoşulları
(Course Prerequisites)
Dersin Mesleki Bileşene
Katkısı, %
(Course Category
by Content, %)
Dersin Tanımı
(Course Description)
15.10.2020/Rev 02
Ders Uygulaması, Saat/Hafta
(Course Implementation, Hours/Week)
Ders
(Theoretical)
Uygulama
(Tutorial)
Laboratuar
(Laboratory)
3
5
3
Uçak Mühendisliği (Aeronautical Engineering)
Uzay Mühendisliği (Astronautical Engineering)
Seçmeli (Elective),
Dersin Dili
İngilizce
Mühendislik Tasarım
(Course Language) (English)
(Engineering Design)
UCK362E min DD veya/or UCK362 min DD veya/or
UCK 360 MIN DD veya/or UCK 360E MIN DD
Temel Bilim ve
Temel
Mühendislik/Mimarlık Genel Eğitim
Matematik
Tasarım
Mühendislik
(General
(Basic Sciences
(Engineering
(Engineering/ArchiEducation)
Science)
and Math)
tecture Design)
%30
%70
Güdüm, Navigasyon ve Kontrol’e Giriş, lineer cebir metodları, Lineer Zamanla
Değişmeyen (LTI) sistem ve Durum Hal Uzayı modeli, Durum Geribeslemeleri
Kontrol, Kutup Atama, Kontrol Edilebilirlik ve Gözlenebilirlik Kavramları, Kanonik
Yapılar. P, PI, PID Kontrol, LTI sistemlerin frekans cevabı, Bode ve Nyquist analiz
metodlarının hava araçlarının stabilite analizinde kullanılması, Faz ve Genlik payı
kavramları, kararlılık kavramı. insansız hava platformları için Güdüm, Navigasyon ve
Kontrole giriş, Tasarım Süreci ve Mimarisi, Koordinat Sistemleri ve Dönüşümleri,
Kinematik Modeller, Hava Araçlarının Boylamsal ve Lateral Dinamikleri. Hava
Araçlarında Kullanılan Sensörler ve Sensörlerin Matematiksel Modelleri: İvmeölçer,
Jiroskop, Basınç Sensörü, Global Konumlama Sistemi. Lineer Tasarım Modelleri ve
Ardışık Çevrim Kapama (Succesive Loop Closure) metodu ile Otopilot Tasarımı.
Kinematik ve Dinamik Güdüm Modelleri. Referans Pozisyon Takibi, Düz Çizgi
Referansı ve Orbit Takibi Tabanlı Navigasyon, Yörünge Tanımı ve Ara Referans
Noktaları arası Manevra ve Geçiş, Fillet yapıları.
Dersin proje çalışmasında sabit kanatlı insansız hava araçlarına yönelik otopilot
tasarımı ve ara nokta navigasyonunun yapılması beklenmektedir.
This course presents the fundamentals of Guidance, Navigation and Control. Linear
Design Models: Linear Algebra Basics, LTI and State Space models, State Feedback
Control, Pole Placement, Controllability, Observability and Canonical Forms. P, PI,
PID Control, Frequency Response of LTI Systems, Details of Bode and Nyquist
methods in order to analyze the stability of aerial vehicles, Phase Margin and Gain
Margin notions, Stability. Introduction to Guidance, Navigation and Control for
Unmanned Aerial Platforms, Design Process, Architecture, Coordinate Frames,
Kinematics, State Equations, and Longitudinal and Lateral Dynamics of UAVs.
Sensors and Mathematical Modeling of Sensors for unmanned vehicles:
Accelerometers, Rate Gyros, Pressure Sensors, GPS sensors. Linear Design Models
and Autopilot Design using Successive Loop Closure. Autopilot Models, Kinematic
and Dynamic Guidance Models. Path Following, Navigation: Waypoint Navigation
Straight-Line Path and Orbit following, Path Definition, Waypoint Switching, and
Fillet Structures
Class project aims to ensure high performing autopilot design for and waypoint
navigation of a conventional UAV of enrolled students.
Dersin Amacı
(Course Objectives)
Dersin Öğrenme
Çıktıları
(Course Learning
Outcomes)
1. Mekanik ve mekatronik sistemlere yönelik dinamik modelleme ve kontrol
tasarımının prensipleri kavranacaktır. Böylece daha kompleks olan hava
araçlarınında modellesi konusunda da yetenek kazandırmaktır,
2. Çeşitli araçların hareket denklemleri ve sensörlerin dinamik ve matematiksel
modelleri çıkarılacaktır,
3. Gerçek platformlara uygun modelleme ve kontrol teorisi uygulanacaktır,
4. Güdüm ve Kontrol için farklı sensör mekanızmaları kavranacaktır,
5. Otopilot ve Güdüm sistemine yönelik çeşitli modeller incelenecektir,
6. Düz çizgi şeklinde yörünge takibi, ara koordinat noktaları arasında hava aracının
seyrüseferi ve yörünge takibi,
Yazılım/Hesaplama perspektifinden ise,
7. Dersler ve proje çalışmaları vasıtasıyla öğrencilere Matlab/Simulink yazılımı
tabanlı çalışmalara yoğunlaşma imkanı sunulacaktır.
By the end of this course, you should be able to:
1. Build mathematical models of basic mechanical and mechatronic systems and,
based on these models, know how to build mathematical models of more complex
systems,
2. Develop motion and measurement models for a variety of vehicles and sensors,
3. Implement modeling and feedback control theory on real testbeds,
4. Understand different sensor mechanisms for guidance and control,
5. Design models for guidance and autopilot
6. Straight-line path following, way-point navigation and orbit following,
from the computational perspective,
7. Throughout the lectures and class projects, you will see (and you will actually build
your own skills, too) extensive usage of Matlab and Simulink.
Bu dersi başarıyla geçen öğrenciler:
1. Havacılık alanında gerçek kontrol sistemlerini ve donanımlarını tanımak
2. LTI tabanlı kontrol modellerini genel olarak tanımak
3. Navigasyon için kullanılan sensörleri, matematiksel modellerini ve dinamiklerini
kavramak
4. Frekans cevabını, Bode ve Nyquist Analiz metodlarını kavramak ve uygulamak
5. Faz ve Genlik Payı kavramlarını ve frekans tanım bölgesinde kararlılığı anlamak ve
uygulamak
6. Ardışık Çevrim Kapama (Succesive Loop Closure) metodu ile otopilot kontrol
katsayılarını tasarlamak
7. Proje çalışması yapma ve proje sonuçlarını tartışma
8. Kinematik and Dinamik Güdüm Modellerini kavramak
9. Referans Pozisyon Takibi, Düz Çizgi Referansı ve Orbit Takibi Tabanlı Navigasyonu
anlamak
1. Understand the realistic control systems and hardware in the field of Aerospace
Engineering
2. Learn LTI based linear control approaches
3. To be familiar with various navigation sensors and mathematical modeling of
sensor dynamics
4. To comprehend and implement frequency response, Bode and Nyquist Analysis
methods
5. To understand and implement phase and gain margin, frequency domain
stability analysis
6. To design autopilot parameters with Successive Loop Closure method
7. To be able to perform team work, to discuss experimental results
8. To understand Kinematic and Dynamic Guidance Models
9. To learn path following, waypoint navigation with Straight-Line Path and Orbit
following.
DERS PLANI
Hafta
Konular
1
2
Giriş: Güdüm, Navigasyon ve Kontrol Kavramları
İnsansız Teknolojiler ve İlgili Literatürün İncelemesi
Lineer Sistem Modelleri: Lineer Cebir Temelleri, Lineer Zamanla Değişmeyen (LTI)
Sistem ve Durum Hal Uzayı Modeli, Durum Geribeslemeleri Kontrol, Kutup Atama,
Kontrol Edilebilirlik ve Gözlenebilirlik Kavramları, Kanonik Yapılar
Geribeslemeli Kontrol Teorisi: Lineer Kontrol, LTI sistemlerin Frekans Cevabı, Bode
Analiz Metodu
Frekans Cevabı ve Bode Analiz Metodunun Hava Araçlarına Yönelik Kullanılması
Uygulama Dersi 1
İnsansız Hava Platformları için Güdüm, Navigasyon ve Kontrole giriş, Tasarım Süreci ve
Mimarisi, Koordinat Sistemi ve Dönüşümleri
Sabit Kanatlı İnsansız Hava Platformları için Kinematik Modelleme, Durum Denklemleri,
ve Rotasyonel ve Translasyonel Dinamikler
Uygulama Dersi 2
Kısım I: Lineer Tasarım Modelleri ve Ardışık Çevrim Kapama (Succesive Loop Closure)
metodu ile Lateral Otopilot Tasarımı
Kısım II: Lineer Tasarım Modelleri ve Ardışık Çevrim Kapama (Succesive Loop Closure)
metodu ile Boylamsal Otopilot Tasarımı
Hava Araçlarında Kullanılan Sensörler ve Sensörlerin Matematiksel Modelleri:
İvmeölçer, Jiroskop, Basınç Sensörü, Global Konumlama Sistemi
Kinematik and Dinamik Güdüm Modelleri, Yörünge Tanımı ve Ara Referans Noktaları
arası manevralar, B-Ball ve Half-Plane metodu ile dönüş planlama, fillet geometrisi
Yörünge Takibi, Düz Çizgi Referansı ve Dönel Yörünge Takibi Tabanlı Navigasyon,
Yörünge Planlaması ve RRT, RRT* Algoritmalarının İncelenmesi
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Dersin
Öğrenme
Çıktıları
2, 4
2, 4,6,7
1
1
1
1
1
1
1, 3, 5,6,7
1, 3, 5,6,7
1
1, 3, 5
1, 3, 5
COURSE PLAN
Weeks
Topics
1
2
Syllabus of and Introduction to Guidance, Navigation and Control
Review on Unmanned Technologies and its literature
Linear Design Models: Linear Algebra Basics, LTI and State Space models, State
Feedback Control, Pole Placement, Controllability, Observability concepts
Feedback Control Theory: Linear Control, Frequency Response of LTI Systems, Details of
Bode Analysis Method
Implementation of Frequency Analysis Approaches on UAV Systems
Tutorial 1
Introduction to Guidance, Navigation and Control for Unmanned Aerial Platforms,
Design Process, Architecture, Coordinate Frames
Conventional Fixed Wing UAV Kinematics, State Equations, and Rotational and
Translational Dynamics
Tutorial 2
Part I: Linear Design Models, Lateral Autopilot Design w/ Successive Loop Closure
Part II: Linear Design Models, Longitudinal Autopilot Design w/ Successive Loop Closure
Sensors and Mathematical Modeling of Sensors for unmanned vehicles:
Accelerometers, Rate Gyros, Pressure Sensors, GPS sensors
Kinematic and Dynamic Guidance Models, Path Definition and Waypoint Switching, BBall and Half-Plane turns, Fillet Transition
Path Following, Navigation: Waypoint Navigation Straight-Line Path and Orbit
following, Review on Path Planning and RRT, RRT* Algorithms
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Course
Learning
Outcomes
2, 4
2, 4,6,7
1
1
1
1
1
1
1, 3, 5,6,7
1, 3, 5,6,7
1
1, 3, 5
1, 3, 5
Dersin Uçak Mühendisliği Öğrenci Çıktılarıyla İlişkisi
Programın mezuna kazandıracağı bilgi ve beceriler (programa ait çıktılar)
1
2
3
4
5
6
7
Mühendislik, fen ve matematik ilkelerini uygulayarak karmaşık mühendislik problemlerini belirleme,
formüle etme ve çözme becerisi.
Küresel, kültürel, sosyal, çevresel ve ekonomik etmenlerle birlikte özel gereksinimleri sağlık, güvenlik ve
refahı göz önüne alarak çözüm üreten mühendislik tasarımı uygulama becerisi.
Farklı dinleyici gruplarıyla etkili iletişim kurabilme becerisi.
Mühendislik görevlerinde etik ve profesyonel sorumlulukların farkına varma ve mühendislik
çözümlerinin küresel, ekonomik, çevresel ve toplumsal bağlamdaki etkilerini göz önünde bulundurarak
bilinçli kararlar verme becerisi.
Üyeleri birlikte liderlik sağlayan, işbirlikçi ve kapsayıcı bir ortam yaratan, hedefler belirleyen, görevleri
planlayan ve hedefleri karşılayan bir ekipte etkili bir şekilde çalışma yeteneği becerisi.
Özgün deney geliştirme, yürütme, verileri analiz etme ve yorumlama ve sonuç çıkarmak için mühendislik
yargısını kullanma becerisi.
Uygun öğrenme stratejileri kullanarak ihtiyaç duyulduğunda yeni bilgi edinme ve uygulama becerisi.
Ölçek:
Katkı
Seviyesi
1
2
3
X
X
X
X
X
X
X
1: Az, 2: Kısmi, 3: Tam
Relationship of the Course to Aeronautical Engineering Student Outcomes
Program Student
Outcomes
1
2
3
4
5
6
7
An ability to identify, formulate, and solve complex engineering problems by applying principles of
engineering, science, and mathematics.
An ability to apply engineering design to produce solutions that meet specified needs w/ consideration
of public health, safety, and welfare, as well as global, cultural, social, environmental, and economic
factors.
An ability to communicate effectively with a range of audiences.
An ability to recognize ethical and professional responsibilities in engineering situations and make
informed judgments, which must consider the impact of engineering solutions in global,
economic, environmental, and societal contexts.
An ability to function effectively on a team whose members together provide leadership, create a
collaborative and inclusive environment, establish goals, plan tasks, and meet objectives.
An ability to develop and conduct appropriate experimentation, analyze and interpret data, and use
engineering judgment to draw conclusions.
An ability to acquire and apply new knowledge as needed, using appropriate learning strategies.
Scaling:
1: Little, 2: Partial, 3: Full
Level of
Contribution
1
2
3
X
X
X
X
X
X
X
Ders kaynakları ve Başarı değerlendirme sistemi (Course materials and Assessment criteria)
Ders Kitabı
(Textbook)
Diğer Kaynaklar
(Other References)
Ödevler ve Projeler
(Homework & Projects)
Laboratuar Uygulamaları
(Laboratory Work)
Bilgisayar Kullanımı
(Computer Usage)
Diğer Uygulamalar
(Other Activities)
− Randal W. Beard & Timothy W. McLain, Small Unmanned Aircraft: Theory and
Practice, 2012.
− Siegwart, R., Nourbakhsh, I. R., & Scaramuzza, D., Introduction to Autono- mous
Mobile Robots, 2nd Ed., the MIT Press, Cambridge, 2011.
− Zarchan, P., Tactical and Strategic Missile Guidance, AIAA, Inc., 2007.
− Richard C. Dorf, Robert H. Bishop, Modern Control Systems, 12 edition, 2010
İnsansız ve Birlikte Sürüş
Drone ve İnsansız Hava Aracı Teknolojilerine Yönelik Literatür Araştırması ve
Raporlanması, Matlab/Simukink ya da LMS AMESim/AMESet kullanarak Sabit Kanatlı
İHA’lara yönelik Otopilot Tasarımı
Self Driving and Collaborative Cars
Drone and UAV Technologies Literature Review Report, Lateral and Longitudinal
Autopilot Design using either Matlab/Simulink or LMS AMESim/AMESet software
Yok
None
Matlab/Simulink programı Lab uygulamalarında yoğun bir şekilde kullanılacaktır.
Tasarımlar için alternatif olarak LMS AMESim/AMESet kullanılabilir.
Extensively using Matlab/Simulink and toolboxes during Labs and Lab Calculations.
Students can use LMS AMESim/AMESet software for their design, alternatively.
Matlab/Simulink ve AMESim/AMESet yazılımları tantılacaktır.
Tutorials on Matlab/Simulink and AMESim/AMESet software.
Faaliyetler
(Activities)
Başarı Değerlendirme
Sistemi
(Assessment Criteria)
Yıl İçi Sınavları
(Midterm Exams)
Kısa Sınavlar
(Quizzes)
Ödevler
(Homework)
Projeler
(Projects)
Dönem Ödevi/Projesi
(Term Paper/Project)
Laboratuar Uygulaması
(Laboratory Work)
Diğer Uygulamalar
(Other Activities)
Final Sınavı
(Final Exam)
Adedi
(Quantity)
Genel Nota
Katkı, % (Effects
on Grading, %)
─
─
2
14%
6
36%
1/2
20%
─
─
─
─
─
─
1
30%