Internet of Unmanned Aerial Vehicles—A Multilayer Low-Altitude Airspace Model for Distributed UAV Traffic Management

The rapid adoption of Internet of Things (IoT) has encouraged the integration of new connected devices such as Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) to the ubiquitous network. UAVs promise a pragmatic solution to the limitations of existing terrestrial IoT infrastructure as well as bring new means of delivering IoT services through a wide range of applications. Owning to their potential, UAVs are expected to soon dominate the low-altitude airspace over populated cities. This introduces new research challenges such as the safe management of UAVs operation under high traffic demands. This paper proposes a novel way of structuring the uncontrolled, low-altitude airspace, with the aim of addressing the complex problem of UAV traffic management at an abstract level. The work, hence, introduces a model of the airspace as a weighted multilayer network of nodes and airways and presents a set of experimental simulation results using three UAV traffic management heuristics

Review of air traffic management systems for UAV integration into urban airspace

The role of Unmanned Aircraft Systems have increased substantially in recent years and are now not only used for personal use but for commercial, search and rescue and military application. The increase of the UAS will pose a significant safety risk to not only buildings and property but to the public and general air travel. This increase will undoubtedly cause a significant strain on Air Traffic Control (ATC) system and will lead to UAS not being used to their full potential. The use of autonomous UAS will increase over the coming years, and a reliable system of Unmanned Traffic Management (UTM) will be needed both for effective safety and reliability. Currently, there is no real framework in place to accommodate low level UAS in urban airspace. This research aims to discover the current state of the art technologies and innovations developed to create a workable UTM framework giving an overview of the various methods available to analyse the likelihood of a UTM being developed. The findings of the paper show that there is a definitive need for such a system to be developed and maintained if UAVs are to be incorporated into everyday life

A Framework to Develop Urban Aerial Networks by Using a Digital Twin Approach

The new concept of Urban Air Mobility (UAM) and the emergent unmanned aerial vehicles are receiving more and more attention by several stakeholders for implementing new transport solutions. However, there are several issues to solve in order to implement successful UAM systems. Particularly, setting a suitable framework is central for including this new transportation system into the existing ones—both ground and aerial systems. Regulation and definition of aerial networks, but also the characterization of ground facilities (vertiports) to allow passengers and freight to access the services are among the most relevant issues to be discussed. To identify UAM transportation networks, suitably connected with ground transportation services, digital twin models could be adopted to support the modelling and simulation of existing—and expected—scenarios with constantly updated data for identifying solutions addressing the design and management of transport systems. In this perspective, a digital twin model applied to an existing urban context—the city of Bologna, in northern Italy—is presented in combination with a novel air transport network that includes the third dimension. The 3D Urban Air Network tries to satisfy the principle of linking origin/destination points by ensuring safe aerial paths and suitable aerial vehicle separations. It involves innovative dynamic links powered by a heuristic cost function. This work provides the initial framework to explore the integration of UAM services into realistic contexts, by avoiding the costs associated with flight simulations in reality. Moreover, it can be used for holistic analyses of UAM systems

Development Of Inertial Navigation System With Applications To Airborne Collision Avoidance

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Ülkemizde ve dünyada insansız hava araçlarının kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Sadece insansız hava aracı kullanımı değil, kullanıldığı alanlar da artış göstermektedir. Bu da insansız hava aracı marketini daha cezbedici kılmaktadır. Bu artış sonucu dünyada bir çok insansız hava aracı şirketi kurulmuş ve bazıları bu araçları seri üretim şeklinde üreterek ihtacat yapabilmektedirler. Dünyadaki bu ekonomik büyümenin bir yansıması olarak dünyadaki insansız hava aracının sayısı da gün geçtikçe artmaktadır. Bu talebin büyüklüğüne bakılarak, 20 yıl sonra meydana gelecek insansız hava aracı çarpışmaları ve trafikleri otoriteleri bu konu ile ilgili çalışmaya sevketmiştir. Bununla beraber uygulama alanlarının artması ve daha da detaylanması nedeniyle belirli özellikleri ve otonom uçuşu gerçekleştirebilen insansız hava araçları artık yetersiz kalmaktadır. Günümüzde genel olarak DJI, Pixhawk, ardupilot gibi markaların araçları veya otopilotları kullanılmaktadır. Bazıları açık kaynak kodlu olsalar bile kod içerisinde değişiklik yapmak veya farklı bir donanım entegre etmek oldukça zor. Bunun haricinde piyasada baskın olup market değeri de en yüksek olan DJI firmasının ürünleri tamamiyle kapalı kutu şekilde satılmaktadır. Otonom uçui, rota takibi, havada asılı kalma ve video çekme, canlı yayın yapma gibi temel isterleri yapabilmelerine ragmen, genişleyen sektörde endüstrinin istekleri, artık insansız hava aracının sadece canlı yayın yapması için değil, harici eklenecek donanımlar ile beraber çalışabilirliği veya başka sistemlerle entegre çalışabilirliği gibi problemleri ortaya çıkarmıştır. Bu nedenle piyasada ciddi bir şekilde müşteri isteğine göre configure edilebilen otopilot sistemleri ihtiyacı doğmuştur. Diğer yandan insansız hava aracı trafiğine bile yol açacak kadar büyüyen bu sektör ve sivil havacılığın da benzer bir şekilde büyüdüğü iki sektör ile karşı karşıyayız. Sivil havacılığın artan trafiği ve çarpışma önleme sistemlerinin yetersiz kalması gibi durumlara çözümler aranmaktadır. Yapılan çalışmalar sonucu [1] insansız hava aracı sahası ile sivil havacılık sahasının birleştirilmesi ve bu birleştirmelerin nasıl yapılması gerektiği konusu ortaya çıkmıştır. Bunun üzerine bir çok üniversite, bu konu üzerine çalışmalar yapmış ve yayınlar ortaya çıkmıştır. Genel olarak problem ise elbette eski teknolojinin hüküm sürdüğü sivil havacılıkta kullanılan ürünlerin, insansız hava araçlarına entegrasyonu imkansızdır. Doğal olarak tüm hava araçlarının kontrolü için tek bir iletişim ağı hepsini kapsayacak şekilde kurulması amaçlanmıştır. Tüm bu hava araçlarının gözlemlenmesi aynı anda yapılabilmeli ki tehlike durumlarında gerekli müdahaleler ve tedbirler önceden veya o an alınabilsin. Bu tezde iki farklı problemin çözümü önerilmiştir. Önerilerin ilki bahsedilen müşteri odaklı insansız hava aracının tasarlanmasıdır. İnsansız hava aracı tasarımındaki en önemli modüllerden biri de INS-AHRS sistemidir. İstanbul Teknik Üniversitesi Kontrol ve Aviyonik Laboratuvarında yapılan bu çalışma öncesinde, otopilot kontrolcü tasarımı çalışmaları yapılmış ve system oturtulmuştur. Yapılan uçuşlarda piyasadaki pahalı sistemler kullanılmaktaydı. Fakat sistemden sisteme farklılıklar göstermesi gereken bu ürünler, platform değişikliklerinde sıkıntılara yol açabiliyordu. Buna örnek vermek gerekirse sabit kanatlı insansız hava aracında sıkıntısız uçabilirken, multi-copter platformunda sapma açısında uçuş anında düzensizlikler ortaya çıkıyordu. Bunun nedeni ise alınan üründe sapma açısı sadee GPS verilerinden elde ediliyor olmasıydı. Hareketli platformun her zaman bir sapma açısı olacağından sabit kanatlı sistemlerde çalışması gayet normaldi. Fakat multi-copter platformunda havada asılı kaldığı zamanlarda sapma açısında bir hız vektörü olmadığından GPS hesaplayamıyor ve bu yüzden salınımlara neden oluyordu. Bu gibi problemlerin çözümü ve tamamiyle yerli, dışarıda çalışabilen, istenilen tüm platformlara tasarım değişiklikleriyle entegre edilebilecek bir INS-AHRS tasarımı yapılmaya çalışılmıştır. Bu tasarım yapılırken literatürde yapılan çalışmalar referans alınmış, ve filtreleme tekniklerinden navigasyon koordinat sistemlerine kadar çalışmalar yapılmıştır. Sensor çıkışlarının gürültülerini bastırmak için alçak geçiren filtrelerden geçirildikten sonra gerekli dönüşümler yapılarak filter seviyesine kadar getirilmiştir. Filtre kısmında iki farklı filter testi yapılmıştır. Biri tamamlayıcı filter ve diğeri kalman filtresidir. Bu filtrelerin her bir INS-AHRS üzerinde testleri yapılmış ve nihai olarak AHRS’de tamamlayıcı filter, INS’de ise kalman filtresinin kullanımı kararlaştırılmıştır. Yapılan çalışmalar İstanbul Teknik Üniversitesi Stadyumunda ve İstanbul Teknik Üniversitesi Havacılık Araştırma Merkezinde test edilmiştir. Yapılan testler 6 aydan fazla sürmesine ragmen nihai sonuca ulaşılabilmiştir. Bu süre zarfında tecrübe edilen en önemli nokta ise gerçek hayatta karşılaşılan problemler ile simulasyon ortamının farklı olmasıdır. Gerçek hayatta en küçük problemde bile aracınız yere çakılabilir ve her çakılmada 200-1000 TL zarar alabilirsiniz. Test yaptığımız süre içerisinde bizden kaynaklı olmayan, fakat üretim hatası olan pervanelerin kopması nedeni ile de kırımlar yaşanmıştır. Bu nedenle sistemin argesinin yapılması pahalıya mal olmuştur. Yapılan test sonuçlarının videoları çekilmiş ve sosyal mecralarda paylaşılmıştır. Bir diğer problem ise insansız hava araçlarının sivil hava sahasına entegrasonudur. Bu entegrasyonun yapılması için gereken teknolojik gelişmeler ve algoritmik çalışmalar gerekmektedir. Önerilen sistemde araç bazlı ve uçuş bazlı haberleşme verileri belirlenip, hangi sistemler üzerinden bu haberleşmenin gereçekleşmesi gerektiği gösterilmiştir. Daha sonra tüm bu sistemler hem hava araçlarında, yer istasyonlarında ve hava trafik kontrolcülerinde olacağından tüm haberleşme ortak bir platform için toplanmış oldu. Bu nedenle uçuş kontrollerinin yapılması daha da kolaylaşacaktır. Bununla beraber çarpışma önleme sistemi için günümüzde kullanılan 2B system değil, zamanın da içine dahil olduğu 4B istem önerilmiştir. Bu algoritmaının adı RRT-Star olup, olasılıksal yaklaşarak çarpışmadan kaçmayı hedefler. Bu kaçışı hedeflerken de en optimal yolu bulmaya çalışır ve o yoldan rotasına devam eder. Olasılıksal yaklaşımların savunduğu argüman sonsuz sayıda örnek sayısında bulunacak yol limitte en optimal yola doğru gider. Bu nedenle olasılıksal çözüm bulma, deterministic yöntemlere göre çok daha hızlı olmaktadır. Fakat algoritmada optimale ne kadar yaklaşmak istenirse o kadar örnekleme sayısını arttırmak gerekmektedir. Bu artış daha çok araştırma yapması ve sistemin uzun zaman boyunca rota üretmesi demektir. Buradaki dengeyi iyi tutturarak hem uygun yolu bulmaya ve en uygun kısa sürede bulmayı amaçlanması istenmektedir. Sistemin testi için donanımla benzetim çalışması gerçekleştirilmiştir. Bu tezde donanım benzetimi öncesi otopilot şeması verilmiş, buna bağlı test düzeneklerinin sistemi gösterilmiştir. Simulasyon olarak XPLANE programı kullanılmış ve programdan gelen sensor verilerine göre donanım sistemi uçurmaya çalışmıştır. Daha sonra çarpışma önleme algoritmasının entegrasyonu ile system testleri gerçekeştirilmiş ve sonuçları paylaşılmıştır. Nihai olarak bu tez, insansız hava aracı sektöründeki günümüzde ve gelecekte meydana gelecek problemleri öngörüp bunlara çözüm bulmak amaçlanmıştır. INS-AHRS tasarımları gerçekleştirilip, gerçek ortamda dışarıda testleri gerçekleştirilmiştir. Çarpışma önleme algoritması üzerine çalışmalar yapılarak da bu sistemin entegrasyonu yapılmış ve donanımsal benzetim ile testleri gerçekleştirilmiştir.Last years, the market growth of UAV is increasing day by day. This market growth is not just for some typical applications, but also application areas are increasing, too. This demand also increases the market value of the UAV. For competition in the market, UAV companies try to develop UAVs more efficient, cost effective and adding different capabilities. However, this growth generates some dangerous situations, moreover, because of the growth in application area, common UAVs are become not enough for applications or missions. In this thesis, I present and demostrate INS-AHRS Design and also Flight Management System with Collision Avoidance for UAV. These algorithms and demonstrations are made by the funding of ITU Control and Avionics Laboratory. In Laboratory, we already have autopilot system for multi-copter platforms and fixed-wing platforms. Before development of this INS-AHRS, we used other products from industry. But these products do not let you manage all system. But with the growth on the UAV applications, in the world also even in our laboratory, many projects required to solve specific problems with UAV. Industry products are designed for just one specific platform which may not be work on another platform. That is the main reason of necessity to develop new INS-AHRS, which can be used for multi-copter platforms. To develop INS-AHRS, filtering techniques and other conversation equations are studied. In this study, it is decided to use one IMU and one GPS. But after encounter with different problems, external magnetometer is added to the system. Then, as datasheet recommended, scaling and also alignment and offset shifting is studied. Before developing the all system, for inner loop, controller all need is attitude and attitude rate feed back. So first, with complimentary filter, gyroscope and accelerometer filtering is developed and tried to test at outside. In simulation, decision of coefficient of complimentary filter is easy to find. But these coefficients do not work at the outside. This shows the most important challenge that simulation platform can never be the same with outside real flight. For INS design, inertial frame to NWU frame conversation is developed. Accelerometers gravity vector and Coriolis vector is removed. Gyroscope outputs are also converted to the NWU frame. At least, all sensor outputs become the type of navigation frame. Whenever all datas gathered are become the type of the same frame, kalman filter is designed for INS. AS a result of INS-AHRS design, after 6 months of testing with other industrial INS, final coefficient of both INS and AHRS is decided. After few more development, test videos are recorded. For the growth of the UAV problem, this thesis presents Flight Management System (FMS) with multi-level autonomy modes that meet the requirements of future flight operations for unmanned aerial systems (UAS). It is envisioned that the future of airspace will become highly heterogeneous and integrate non-standardized aerial systems. In that case, only ground systems will be able to predict future trajectories based on performance models (stored in huge parametric databases). Meanwhile, airborne systems are required to share information. The proposed FMS structure integrates new functionalities such as (1) formal intent and information exchange and collaboration in tactical planning utilizing air-to-air and air-to-ground data links and (2) decentralized, short-term collision detection and avoidance. The air-to-ground data link enables intent sharing and allows field operators (i.e., flight operators or air traffic controllers) to interpret, modify, or re-plan UAS flight intent. The onboard FMS persistently monitors the airspace, tracks potential collisions with the other aircraft and the terrain, and requests re-planning when it detects a possible issue. When an immediate response is needed, the onboard FMS generates a 3D evasive maneuver and executes it autonomously. Flight traffic information is obtained from ADS-B/In transponders and air-to-air data links. ADSB-In/Out implementations make the unmanned systems more visible to the systems in 3D. In addition, the air-to-air data links enable intent sharing between airborne systems and are traceable in four dimensions (i.e., space and time). The experimental FMS was deployed in quadrotor UASs and a ground station and GUI was designed to perform demonstrations and field experiments for the issues introduced in the paper.Yüksek LisansM.Sc

Rule-based conflict management for unmanned traffic management scenarios

The growing use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) operations will require effective conflict management to keep the shared airspace safe and avoid conflicts among airspace users. Conflicts pose high risk and hazard to human lives and assets as they ma may result in financial and human loss. The proposed rule-based conflict management model consists of three main stages. The first stage includes strategic deconfliction during the flight plan generation. The second stage, pre-tactical deconfliction, applies a ground delay to the agent to resolve the conflict. The third stage corresponds to the tactical deconfliction, where the drone hovers or loiter in the last waypoint before the conflict area until the conflict time window passes. The proposed method differs from most existing conflict management approaches in that it applies deconfliction methods sequentially using a rule-based strategy. Furthermore, a high number of published studies do not consider realistic airspace constraints and potential airspace modernization concepts such as dynamic flight restrictions Assessment and validation are performed in three simulation scenarios that consider different patterns of the airspace availability in the areas where flights may be restricted, such as airfields, recreational areas, and prisons. The Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm was used for drone path planning. For the simulated scenarios all of the conflicts were resolved after implementation of the proposed method. The implemented method is simple, flexible and suitable for the management of more complex and dense airspaces

Modelling and simulation of a tethered UAS

Battery lifetime is one of the most challenging problems for Unmanned Aircraft System (UAS) applications. Multi-rotor platforms usually suffer limited payload capabilities and flight time. To overcome this problem, tethered vehicle solutions have been developed. In this paper, we propose a mathematical model able to describe the dynamic behaviour of a tethered UAS. The approach is based on the Finite Element Method and Lagrange’s Equation of motion. The cable is divided into segments linked to each other by spherical joints. An additional virtual element is used to represent the vehicle dynamics. Compared to other works, a variable cable length is implemented as well as wind effects on overall system are included. Simulation results corroborate that the proposed approach is able to simulate how the cable and UAS work in different operating conditions, such as take-off and hovering in both still air and wind scenario

an innovative algorithm to estimate risk optimum path for unmanned aerial vehicles in urban environments

Abstract The diffusion of the Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) requires a suitable approach to define safe flight operations. In this paper, an innovative algorithm able to quantify the risk to the population and to search for the minimum risk path is proposed. The method has two main phases: in the former, a risk-map is generated quantifying the risk of a specific area, in the latter, a path planning algorithm seeks for the optimal path minimizing the risk. The risk-map is generated with a risk assessment method combining layers related to the population density, the sheltering factor, no-fly zones and obstacles. The risk-aware path planning is based on the well-known Optimal Rapidly-exploring Random Tree, with the minimization of the risk cost with respect to the flight time. Simulation results corroborate the validity of the approach