Mikro İHA'ların uzaktan kontrolünü en iyi şekilde sağlayan el aracı hangisidir?

Mikro İHA’ların uzaktan kontrolünü en iyi şekilde sağlayan el aracı hangisidir? Which hand tool optimizes teleoperation of micro UAVs? Erkam Akbaş1, Onur Al2, Fethi Candan3 1Otomatik Kontrol ve Sistemler Mühendisliği Bölümü Sheffield Üniversitesi, Birleşik Krallık [email protected] 2Jandarma Genel Komutanlığı İçişleri Bakanlığı, Ankara, Türkiye [email protected] 3Yapay Zeka ve Veri Mühendisliği Bölümü Ankara Üniversitesi, Ankara, Türkiye [email protected] Özetçe Bu çalışma, mikro İHA'ların simüle edilmiş ortamlarda uzaktan kumanda ile kontrolü için üç farklı elde taşınabilir giriş aygıtını-DualShock 4 (DS4), SpaceMouse Compact (SM) ve klavye (KB)-değerlendirmektedir. Amaç, acemi kullanıcılar için en uygun aracı belirlemektir. Yöntem: Tecrübesiz katılımcılar, Webots simülasyonunda standart manevraları (havada sabit durma, sekiz çizerek uçuş, engelden kaçınma) gerçekleştirmiştir. Karışık yöntemli (nicel ve nitel) bir yaklaşım uygulanmıştır: • Nicel ölçümler: Görev tamamlama süresi, çarpışma sıklığı ve rota sapması (Webots logları üzerinden). • Öznel geri bildirim: Hassasiyet, yorgunluk, öğrenilebilirlik ve sezgisellik için 1–5 arası Likert ölçeği; ayrıca açık uçlu yorumlar. Cihazlar rastgele sıralama ile test edilmiş; öğrenme yanlılığı ve yorgunluğu azaltmak için deneme seansları ve molalar planlanmıştır. • Sonuçlar: Ön analizler, DS4, öğrenilebilirlik açısından SM/KB’ye göre daha başarılı yönünde bir eğilim göstermektedir. Öznel sıralamalar ve nitel bulgular, cihaz ergonomisi ile kontrol hassasiyeti arasında kritik dengeler olduğunu ortaya koymaktadır. • Sonuç: Bu bulgular, insan-İHA arayüz tasarımı açısından önemli çıkarımlar sunmakta; her cihazın kendine özgü güçlü yönlerini (örneğin DS4’ün oyun alışkanlığına dayalı kolaylığı veya SM’nin 3B kontrol yeteneği) mikro İHA uygulamaları için öne çıkarmaktadır. Bu çalışma, insan-robot etkileşimi (HRI) ilkelerini pratik teleoperasyon ihtiyaçlarıyla birleştirmektedir. Abstract This study evaluates three handheld input devices-DualShock 4 (DS4), SpaceMouse Compact (SM), and keyboard (KB)-for teleoperating micro-UAVs in simulated environments, aiming to identify the optimal tool for novice operators. Methods: Inexperienced participants performed standardized manoeuvres (hovering, figure-8 flight, obstacle avoidance) in Webots. A mixed-methods approach captured: • Quantitative metrics: Task completion time, collision frequency, and path deviation (Webots logs). • Subjective feedback: Likert-scale ratings (1–5) for precision, fatigue, learnability, and intuitiveness, alongside open-ended responses. Devices were tested in randomized order with practice sessions and breaks to mitigate learning bias and fatigue. • Results: Preliminary analysis indicates DS4 outperformed SM/KB in learnability. Subjective rankings and qualitative insights reveal critical trade-offs between device ergonomics and control fidelity. • Conclusion: Findings will inform human-UAV interface design, highlighting device-specific strengths (e.g., DS4’s gaming familiarity vs. SM’s 3D control) for micro-UAV applications. This work bridges human-robot interaction (HRI) principles with practical teleoperation demands. 1. Giriş Mikro İHA’ların uzaktan kumanda ile teleoperasyonu, insansız hava aracı görevlerinde esneklik sağlasa da kullanıcı arayüzü ve kumanda cihazı seçimi sistemlerin kullanılabilirliği için kritik bir rol oynar. İHA kullanımı uzman olmayan kullanıcılara doğru genişledikçe, kontrol cihazlarının acemi operatörler için optimize edilmesi; eğitim yükünü azaltmak ve operasyonel hataları en aza indirmek açısından önem taşımaktadır. Mevcut teleoperasyon arayüzleri genellikle kullanılabilirlikten ziyade hassasiyeti önceliklendirir, yoğun kullanıcı eğitimi gerektirir. Bununla birlikte el tipi giriş birimleri arasında joystick, oyun kumandası (gamepad) ve klavye sayılabilirken, altı eksenli 3B fareler (3D mouse) gibi yeni nesil cihazlar da ilgi çekmektedir. Gamepad ve 3B fareler geçmişte robot teleoperasyonunda yaygın olarak kullanılmıştır. Kullanıcı tarafından karmaşık girdiler verilmesi gerektiğinde kas hafızasından yoksun acemi kullanıcılar, durumsal farkındalık ve kontrol yorgunluğu ile mücadele ederek daha fazla çarpışma sayısı veya görev başarısızlıkları ile karşılaşırlar. Öte yandan, farklı kumanda yöntemlerinin kullanıcı performansı ve algılanan yük üzerindeki etkilerini incelemiş; örneğin Lee ve ark.[1] Leap Motion ile jest temelli 3B kontrolü, geleneksel oyun kumandası kontrolüyle karşılaştırmış ve 3B kontrolün daha sezgisel ve pürüzsüz hareket sağladığını, ancak Leap Motion’a alışık olmayan kullanıcıların memnuniyetinin daha düşük olduğunu göstermiştir. Bu bulgu, daha doğal bir kontrolün bilişsel yükü azaltabileceği ancak acemi kullanıcılar için ek öğrenme gerektirdiğine işaret eder. Oyun Kolunun (Gamepad) Rolü: Günümüzde oyun kumandaları (ör. DualShock 4) taşınabilir, hafif ve ergonomik tasarımları sayesinde hem hobi hem de profesyonel uygulamalarda popülerdir. Kullanıcıların daha önce benzer kumandalarla deneyimi olması öğrenmeyi kolaylaştırabilir. Rupp ve arkadaşlarının çalışması [2], bir karmaşık takip görevinde Xbox kumandası kullanmanın joystick+klavye kombinasyonuna kıyasla daha düşük hata ve zihin yükü sağladığını; ayrıca kullanıcılarca biraz daha yüksek kullanılabilirlik puanı aldığını rapor etmiştir. Bu sonuçlar, oyun kumandalarının kontrol hassasiyeti ve kullanılabilirlik açısından avantajlı olabileceğini göstermektedir. Joystick ve Klavye: Geleneksel joystickler doğrusal kumanda imkânı sunarken, klavye dijital uçuş komutlarıyla özellikle sabit yön (ilerleyiş/geri, yan) hareketlerini kolaylaştırır. Ancak Rupp’un çalışmasında joystick+klavye arayüzlerinin oyun kumandasına kıyasla daha yüksek hata oranına ve daha yüksek efor algısına sahip olduğu bulunmuştur. Klavye tek başına sürekli ve kademeli kontrol sağlamadığından hassas manevralarda sınırlı kalabilir. Genel olarak, lisanslı kullanıcıların çoğu joystick ve gamepad kombinasyonunu daha doğal bulurken, yalnızca klavyeyi tercih edenler genellikle performansta geride kalmaktadır. 3B Fare (SpaceMouse) Kullanımı: SpaceMouse Compact gibi cihazlar, altı serbestlik dereceli (6-DoF) pozisyon algılayıcılarıyla 3D uzayda tam kontrol sağlar. Carluccio ve Messina [3], SpaceNavigator adlı bir 3B farenin (3D mouse) uzayda çok eksenli gezinme için son derece hassas ve sezgisel bir arayüz sunduğunu belirtmiştir. Bu tür cihazlar tek elde uçuşu kumanda etme imkânı verir. Ancak SpaceMouse gibi aygıtların idrak edilmesi ve karmaşık kurgulu kontrollere alışılması, özellikle başlangıçta acemiler için öğrenme eğrisi gerektirebilir. Kullanıcı deneyiminin temel boyutları arasında ergonomi, öğrenilebilirlik ve yorgunluk yer alır. Araştırmalar, kontrol cihazı tasarımının bu metrikler üzerinde doğrudan etkisi olduğunu göstermektedir. Örneğin joystickler ve oyun kolları genellikle uygulanabilirlik (usability) ve ergonomi açısından avantajlıdır: Küçük, hafif ve elde kavranabilir olmaları, kullanıcıların uzun süreli kullanımda daha az fiziksel zorlanma yaşamasını sağlar [1]. Pettitt ve ark. gibi çalışmalar oyun kumandalarının ikincil görevlerde dönüşümlü kontrol sistemlerine göre öğrenme zorluğunu, algılanan işi ve görev sürelerini azalttığını rapor etmiştir [4]. Öte yandan, klavye tek başına, ergonomi açısından daha az etkilidir çünkü oturarak klavye kullanımı bazen rahatlık sağlasa da sürekli uçuş kontrolü için ideal değildir. Öğrenilebilirlik açısından, kullanıcıların önceki deneyimleri belirleyicidir. Çoğu potansiyel drone kullanıcısı genç oyun konsollarına aşinadır[2]. Bu nedenle, joystick ve gamepad gibi alışılmış arayüzler acemiler tarafından daha kolay benimsenir. Singh ve ark. tarafından önerilen arayüzlerde vurgulandığı gibi, joystick ve dokunmatik ekran gibi geleneksel arayüzler tecrübesiz kullanıcılar için önemli zorluklar çıkarabilir [5]. Bu durum ergonomi ve bilişsel yükü artırır. Bunun aksine daha doğal veya araç benzeri arayüzler (ör. simülasyon konsolu) öğrenmeyi kolaylaştırabilir. Yorgunluk (Fatigue) ise hem fiziksel hem de zihinsel boyutta ele alınır. Uzun süreli uçuş kumandası kullanımı sonucunda kollar veya parmak kaslarında yorgunluk oluşabilir. Taşınabilir gamepad ve joysticklerin tutuşu ergonomik olarak optimize edilse de, özellikle hassas manevralarda sürekli düşük açıda basınç gerektiren durumlarda kas yorgunluğu hızla artabilir. Bu nedenle, kullanıcı çalışmaları genellikle ara dinlenmeleri ve kumanda şemasının sade tutulmasını önerir. Aynı şekilde zihinsel yorgunluk, karmaşık kontroller ve düşük sezgisellikten kaynaklanır. Sezgisel arayüzler kullanmak bilişsel yükü azaltırken, alışılmadık cihazlar (ör. 3D fare, VR kontrolü) başlangıçta daha fazla dikkat ve öğrenme gerektirir. Simülatörler acemi pilot eğitiminde kritik öneme sahiptir. Somerville ve ark., simülasyon tabanlı eğitimle dron pilotluk becerilerinin ve doğruluğunun anlamlı şekilde iyileştiğini göstermiştir[6]. Bu çalışmada, simülasyon eğitimi alan katılımcıların gerçek uçuşta tanımlı bir noktaya geri dönüş doğruluğunda %32 iyileşme gözlenmiştir. Benzer şekilde, simülatör eğitimlerinin hem acemi hem deneyimli kullanıcıların uçuş performansını artırdığı ve algılanan zihinsel yükü azalttığı literatürde belirtilmiştir. Bu bulgular, ileri seviye simülasyon tekniklerini eğitim programlarına entegre etmenin teleoperasyon başarısını artırabileceğini ortaya koymaktadır. Webots gibi platformlar bu tür eğitim ve deney çalışmaları için uygundur. Yakın tarihli bir çalışmada bu platformun kapsamlı özellikleri ve performansı sayesinde çoklu-İHA sürü simülasyonları için en uygun açık kaynak platformlardan biri olduğunu vurgulamaktadır [7]. Platformun geniş sensör ve fizik desteği ile gerçekçi uçuş senaryoları oluşturulabilir. Webots ve Gazebo gibi benzer ortamlar, ROS gibi çerçevelerle entegrasyonu ve hazır model kütüphaneleri sayesinde araştırmacılara esnek bir altyapı sunar. Henüz spesifik olarak DualShock 4, 3D fare ve klavye karşılaştırması içeren bir Webots tabanlı çalışma bulunmamakla birlikte, platformun kullanım kolaylığı ve performansı nedeniyle bu alanda araştırmaların artması beklenmektedir. Literatür incelendiğinde, mikro İHA teleoperasyonunda kullanılan el tipi arayüzlerin her birinin avantaj ve dezavantajları açıkça görülmektedir. Oyun kumandası (gamepad), yüksek hassasiyet ve kullanıcı tanıdıklığı ile öne çıkarak genellikle klavye/joystick kombinasyonundan daha iyi performans ve daha düşük zihin yükü sağlarken [1]; SpaceMouse gibi 3B fareler ise tam 6-DoF kontrol imkânı sunarak 3B hareketlerde sezgisellik kazandırır. Klavye ise özellikle sabit yönlü hareketlerde kullanışlı olsa da sürekli kontrol gerektiren durumlarda kısıtlıdır. Ergonomi ve öğrenilebilirlik açısından, taşınabilir ve simetrik tasarıma sahip gamepadler acemi kullanıcılar için daha erişilebilir bulunurken, joystick ve 3B fare gibi yeni arayüzler başlangıçta daha fazla eğitim gerektirebilir. Son yıllarda yapılan simülasyon çalışmaları, eğitimli kullanıcıların gerçek uçuş performanslarının bariz şekilde iyileştiğini göstermiştir. Gelecekte yapılacak çalışmalar için, özellikle Webots gibi simülasyon platformlarında üç cihazın doğrudan karşılaştırıldığı kapsamlı kullanıcı deneyimi araştırmaları önem taşımaktadır Mevcut araştırmalar uzman odaklı cihazları önceliklendirmekte, simülasyon erişimini demokratikleştirebilecek düşük maliyetli ticari alternatifleri göz ardı etmektedir. Bu sorunu çözmek için, DJI'nin ergonomik standartlarıyla (Şekil 1) örtük olarak kıyaslanan üç alternatif el aleti değerlendirilmiştir: Şekil 1: DJI firmasına ait kumandalar. 1.1. Problem Tanımı Simülasyon platformları (Webots vb.), operatörler için düşük riskli eğitim ortamları sunarken, özel donanım kısıtlamaları erişilebilirliği ciddi şekilde sınırlamaktadır. Önde gelen üreticiler (ör. DJI), uzmanlaşmış kumandalarının üçüncü taraf simülatörlerle entegrasyonunu tipik olarak engellemektedir. Bu durum, kullanıcıları pahalı ticari çözümlere veya verimsiz alternatiflere yönlendirerek; eğitim kurumları veya KOBİ'ler gibi kaynak kısıtına sahip ortamlardaki acemi operatörleri desteksiz bırakmaktadır. Bu çalışma, söz konusu boşluğu doldurmak için üç el tipi cihazı değerlendirmektedir: • DualShock 4 (oyun sektöründe yaygın, sezgisel çubuklu yapı), • SpaceMouse Compact (CAD uygulamaları için optimize edilmiş 6-DoF kontrol), • Standart klavye (yönlendirme için temel girdi aracı) o WASD düğmeleri: xy eksenleri o Yukari, asagi ok dugmeleri: z ekseni o Sag, sol ok: yalpalama ekseni o UHJK düğmeleri: yunuslama, yuvarlanma Özellik DualShock 4 SpaceMouse Compact Klavye Eksen Sayısı 4 (2×analog çubuk) 6-DoF 6 eksen için 12 düğme Kontrol Doğası Sürekli Sürekli Ayrık Özgün Kullanım Oyun konsolları CAD yazılımları Genel girdi 2. Materyal ve Metot Webots tabanlı bir simülasyon çalışması ile acemi katılımcılar üzerinde şunlar değerlendirilmiştir: a) Görev performansı (sabit havada asılı kalma, yol doğruluğu, engelden kaçınma), b) Subjektif metrikler (yorgunluk, öğrenilebilirlik, sezgisellik), c) Genel cihaz tercihi. Nitel geri bildirimlerle nicel telemetri verilerini (konumsal sapma logları vb.) birleştiren karma yöntemli yaklaşımımız, insan-drone etkileşiminde hassasiyet ve kullanılabilirlik arasındaki optimal dengeyi belirlemektedir. Konum bilgisi Operatör tarafından belirlenen konum/hız Karşılaştırılan kumanda ekipmanları Her kullanıcıdan toplanan veri Şekil 2: Deney sistemi için kullanılacak ekipmanlar. 2.1. Deney Ekipmanları (a) (b) (c) Şekil 3: Deney sistemi için kullanılacak ekipmanlar. Şekil 2 ile gösterilen akış diyagramı, karşılaştırılan üç kumanda ekipmanı (DualShock 4, SpaceMouse, klavye) üzerinden mikro İHA simülasyon kontrol sürecini göstermektedir. Operatör tarafından seçilen kumandadan gelen konum/hız komutları, simülasyon arka planındaki harita verisiyle entegre edilir. Oklarla vurgulanan veri akışı: (1) kullanıcı girdilerinin kumanda birimine, (2) işlenmiş komutların simülasyon motoruna, (3) performans verilerinin (konum, hız) kayıt modülüne iletilmesini sağlar. Her kullanıcıdan toplanan ham veriler (zaman, kumanda girdisi), karşılaştırma analizi için depolanır. Sistem, gerçek zamanlı kontrol döngüsüyle operatörün cihaz tercihine bağlı dinamik davranışları yansıtır. 3. Tartışma Şekil 3’te görülen deney ekipmanlarının karşılaştırmalı sonuçları aşağıdaki gibi özetlenebilir. 3.1. Oyun Konsolu DualShock 4, öğrenilebilirlik ve konfor açısından belirgin avantajlar sergilemiştir. Oyun sektöründe yaygın olan çift çubuk yapısı, katılımcıların ortalama 5 dakika gibi kısa bir sürede temel kontrol becerisi kazanmasını sağlamıştır. Dinamik manevralarda (özellikle sekiz figürü) en hızlı tamamlama süresine ulaşırken, uzun kullanım sürelerinde bile minimal yorgunluk (subjektif skor) bildirilmiştir. Bununla birlikte, hassas pozisyon gerektiren havada sabit duruş görevlerinde SpaceMouse'a kıyasla daha yüksek konum sapması kaydedilmiştir. Katılımcıların çoğunluğu tarafından birinci tercih olarak seçilmesinde, sezgisel tasarımın acemiler üzerindeki etkisi belirleyici olmuştur. 3.2. Tek El ile kumanda SpaceMouse Compact, hassasiyet gerektiren görevlerde teknik üstünlük göstermesine rağmen ergonomik dezavantajları nedeniyle genel sıralamada sonuncu olmuştur. 6 serbestlik dereceli (6-DoF) kontrol yeteneği sayesinde havada sabit duruşta en düşük sapma performansına ulaşmış, mikro-metrik hareketlerde teorik potansiyelini kanıtlamıştır. Ancak CAD optimizasyonlu arayüzünün acemilerde uzun adaptasyon süresi gerektirmesi, avuç içi dönme hareketlerinin ise bilek yorgunluğunu artırması (subjektif skorlama) önemli kısıtlar olarak öne çıkmıştır. 3.3. Standart Klavye Klavye, günlük kullanım alışkanlığının beklenmedik performans avantajları sağlamasıyla dikkat çekmiştir. Özellikle bilgisayar kullanımı yüksek katılımcılarda öğrenme eğrisinde DualShock'u geride bırakmıştır. Fiyat etkinliği (diğer cihazların 1/10'u maliyet) ve sıfır ön eğitim gereksinimi erişilebilirlik açısından güçlü yönleridir. Ancak kademeli hız kontrolü yapılamaması tekraren basma sonrasında parmak uyuşmasına yol açmış (subjektif konfor skoru) ve katılımcıların yalnızca azınlığı tarafından kalıcı çözüm olarak benimsenmiştir. 4. Sonuçlar Çalışmanın en çarpıcı sonucu; alışkanlığın performansa etkisi ile öğrenme eğrisi paradoksu arasındaki gerilimdir. Klavye, günlük hayattaki yaygın kullanımı sayesinde kısa vadeli görevlerde avantaj sağlarken, DualShock'un ergonomik tasarımı uzun vadeli kullanım ve kompleks manevralarda belirleyici olmuştur. SpaceMouse ise teknik kapasitesine rağmen, insan-bilgisayar etkileşimi açısından acemi kullanıcı profilinde verimli bir alternatif oluşturamamıştır. Şekil 4: Karşılaştırmalı ön sonuçlar Kaynakça [1] D. Lee, H. Kim, H. Yoon, and W. Lee, “Usability Comparison between 2D and 3D Control Methods for the Operation of Hovering Objects,” Drones, vol. 7, no. 8, p. 520, Aug. 2023, doi: 10.3390/drones7080520. [2] M. A. Rupp, P. Oppold, and D. S. McConnell, “Comparing the Performance, Workload, and Usability of a Gamepad and Joystick in a Complex Task,” Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting, vol. 57, no. 1, pp. 1775–1779, Sept. 2013, doi: 10.1177/1541931213571398. [3] R. Carluccio and A. Messina, “MarCONI - One-Hand Controller for Unmanned Aerial Vehicle,” IJISME, vol. 3, no. 9, pp. 8–13, Aug. 2015. [4] R. A. Pettitt, E. S. Redden, N. Fung, C. B. Carstens, and D. Baran, “Scalability of Robotic Controllers: An Evaluation of Controller Options‒Experiment II,” Aberdeen Proving Ground, MD 21005, ARL-TR-5776, Sept. 2011. Accessed: Aug. 10, 2025. [Online]. Available: https://apps.dtic.mil/sti/pdfs/ADA553617.pdf [5] J. Cheng, S. Mahmud, M. Mohammed, A. Singh, and J.- H. Kim, “Design of a Novice-Friendly Drone Control System,” in 2024 IEEE 14th Annual Computing and Communication Workshop and Conference (CCWC), Las Vegas, NV, USA: IEEE, Jan. 2024, pp. 0184–0190. doi: 10.1109/CCWC60891.2024.10427804. [6] A. Somerville, T. Lynar, K. Joiner, and G. Wild, “Use of Simulation for Pre-Training of Drone Pilots,” Drones, vol. 8, no. 11, p. 640, Nov. 2024, doi: 10.3390/drones8110640. [7] Z. Chen, J. Yan, B. Ma, K. Shi, Q. Yu, and W. Yuan, “A Survey on Open-Source Simulation Platforms for MultiCopter UAV Swarms,” Robotics, vol. 12, no. 2, p. 53, Apr. 2023, doi: 10.3390/robotics12020053.