TEKNOFEST İSTANBUL
HAVACILIK, UZAY VE TEKNOLOJİ FESTİVALİ SAVAŞAN İHA YARIŞMASI
ÖN TASARIM RAPORU
TAKIM ADI: BLACKBIRD
YAZARLAR: Cahit Yusuf Taş
İçindekiler
1. Takım Şeması 3
2. Mekanik ve Aerodinamik 3
3. Donanım ve Yazılım 5
3.1. Uçuş Kontrol Sistemi 5
3.2. Görev Kontrol Sistemi 6
4. Planlamalar 7
4.1. Zaman Çizelgesi 7
4.2. Bütçe Planı 8
4.3. Uyumluluk Analizi 9
4.4. Malzeme Planı ve Destek 9
5. Özgünlük 10
6. Referanslar 10
1. Takım Şeması
Blackbird takımı Teknofest Savaşan İHA yarışmasına katılmak için 2019 yılında bireysel olarak ODTÜ Elektrik Elektronik Mühendisliği 4. sınıf öğrencisi Cahit Yusuf Taş tarafından kurulmuştur. Takım, yarışma süresi boyunca daha önce elde edilen bilgileri uygulayarak ortaya yenilikçi ve özgün bir çözüm koymanın gayreti içerisindedir. Takımın tek üyesi temelde elektronik, donanım ve yazılım geliştirmeden sorumlu olmakla birlikte tasarlanan İHA’nın bütün alt sistemleriyle entegre edilmesinden de sorumludur. Takım bu alanda daha önce çalışmalar yapmıştır ve çeşitli boyutlarda, görüntü işlemenin de kullanıldığı İHA üretmiştir. Takımın danışmanı Orta Doğu Teknik Üniversitesi Elektrik Elektronik bölümü öğretim görevlisi Prof. Dr. Murat Eyüboğlu’dur. Organizasyon şeması Şekil 1’de belirtilmiştir.
Şekil 1: Takım Organizasyonu
2. Mekanik ve Aerodinamik
Takım yarışmaya multikopter kategorisinde katılmaktadır. Multikopter kategorisinde farklı opsiyonlar üzerinden İHA geliştirmek mümkündür. Tricopter, quadcopter, hexacopter vs.
bunlara örnek olarak gösterilebilir. Bunların içerisinde en yaygın olanı dört adet DC brushless motor sayesinde uçuş yapabilen quadcopterdir. Blackbird takımı olarak geliştireceğimiz araç da quadcopter konfigürasyonuna sahiptir. İHA üzerinde çeşitli elektronik ekipman, haberleşme modülleri, uçuş bilgisayarı ve yardımcı bilgisayar bulunduğu için ana çerçeve çok katlı olarak tasarlanmıştır. Bu tasarım İHA’nın taşıması gereken ekipmanların ölçüleri göz önüne alınarak ekipmanları yerleştirmede optimum bir sonuç alınacak şekilde yapılmıştır. Orta katta uçuş bilgisayarı, güç dağıtım ünitesi ve motor sürücüler bulunmaktadır. Üst katta iki adet batarya İHA’nın dengesini bozmadan karşılıklı olarak yerleştirilebilmektedir. Alt katta ise yardımcı bilgisayar ve kameranın yerleştirilmesi planlanmıştır. Ana çerçevenin 3 boyutlu çizimi Şekil 2’de belirtilmiştir.
Şekil 2: Ana Çerçeve
Ana çerçeveyi oluşturan dört parçanın detaylı 2 boyutlu çizimleri Şekil 3’de görülebilir. Ana çerçeveyi üretmek için kontrplak, sertleştirilmiş plastik, fiberglass ve karbon fiber gibi opsiyonlar mevcuttur. Fakat bu malzemelerin arasında karbon fiber diğerlerine karşı dayanıklılığı ile öne çıkmakta[1] ve İHA dünyasında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. O yüzden bu yarışma için geliştirilecek İHA’nın ana çerçevesi de karbon fiberden yapılmıştır.
Şekil 3: Ana çerçeveyi oluşturan parçalar
Ana çerçevenin ölçüleri 16cm x 18cm’dir. Bu ölçüler İHA üzerinde yerleştirilecek ekipmanlar göz önüne alınarak belirlenmiştir. Yukarıda bahsedilen sebeplerden dolayı İHA’nın kolları da 16mm karbon fiber tüplerden oluşmaktadır. İHA’nın kolları katlanabilir bir şekilde tasarlanmıştır. Alüminyumdan yapılmış yaylı bir düzeneğe sahip parça sayesinde kollar kolay bir şekilde katlanıp açılabilmektedir. Bu parça ve İHA’da kullanılan iniş takımı Şekil 4’te belirtilmiştir.
Şekil 4: Katlanabilir alüminyum parça ve iniş takımı
4 ayrı brushless motora bağlı pervaneler sayesinde oluşturulan itme kuvvetiyle İHA havalanmakta ve kullanıcıdan gelen komutlara göre motorların hızları uçuş bilgisayarı tarafından ayarlanarak istenilen yöne hareket sağlanmaktadır. Kullanılan pervaneler karşılıklı olarak iki motor saat yönünde iki motor da saat yönünün tersi yönünde takılmıştır. Bu sayede İHA kendi ekseni etrafında hareket(yaw hareketi) yapabilmektedir. Pervane seçilirken kullanılan brushless motor(Racerstart BR3508) için önerilen boyutlar[2] de göz önüne alınarak 15 inç(38.1 cm) boyunda ve 50 derece eğim açısına sahip bir pervane seçilmiştir. Bu sayede her bir motordan yaklaşık 1500g itme kuvveti alınabileceği hesaplanmıştır.
3. Donanım ve Yazılım
3.1. Uçuş Kontrol SistemiİHA’nın kullanıcıdan gelen komutları işlemesinden ve onları ivmeölçer, açıölçer, barometre ve GPS gibi çeşitli sensörleri kullanarak motorların hızını ayarlamasından sorumlu sistem uçuş bilgisayarıdır. Yukarıda adı geçen sensörlerden okunan değerlerin doğruluğu ve güvenilirliği uçuşun güvenli olması için büyük önem arz etmektedir. Dolayısıyla bunların birden fazla yedekli olması tercih sebebidir. Ayrıca, uçuş bilgisayarının çeşitli arayüzlere ve ek sensör bağlantılarına sahip olması hem geliştiriciler için hem de kullanıcılar için kolaylık sağlamaktadır. Bu yüzden birçok arayüze sahip, iki yedekli sensörleri ve mikrokontrolcüsü bulunan ve açık kaynaklı bir donanım olan Pixhawk Autopilot uçuş bilgisayarı olarak seçilmiştir.
Kullanıcı İHA’yı RC kumanda sayesinde kontrol edebilmektedir. Bu kumandanın üzerinde joystick axisleri ve çeşitli switchler bulunmaktadır. Bu switchler yardımıyla uçuş modu değiştirilebileceği gibi çeşitli diğer fonksiyonlar da kullanılabilir. Kumandanın alıcısı İHA üzerinde bulunur ve otopilota kullanıcıdan gelen komutları aktarır. Bunun için açık alanda 2 km mesafeden çekebilen FlySky Fs-i6 RC kumanda kullanılmıştır. Şekil 5’te kumanda ve Pixhawk uçuş kontrol bilgisayarı gösterilmiştir.
Şekil 5: Uçuş kontrol bilgisayarı ve RC kumanda
Uçuş kontrol bilgisayarı, üzerinde voltaj dönüştürücü regülatörü olan bir modül sayesinde Li-Po batarya ile beslenir. Bu batarya aynı zamanda motorlara da güç verir. Ayrıca uçuş kontrol bilgisayarına GPS, switch, buzzer ve telemetri modülleri de bağlanır. Otopilot tarafından kontrol edilen motor hızlarını temsil eden PWM sinyalleri motorları sürmek için kullanılan Electronic Speed Controller(ESC)’lere aktarılır ve ESC’ler motorlara gerekli elektriksel gücü iletir. Böylece itme kuvveti oluşur ve kullanıcı İHA’yı istediği şekilde kontrol edebilir.
3.2. Görev Kontrol Sistemi
Uçuş için kullanılan donanım sadece uçuş işine özgü olduğundan dolayı görevi icra etmek için İHA üzerinde ek olarak başka bir yardımcı bilgisayara ihtiyaç vardır. Temel olarak bu bilgisayar görüntünün işlenmesi, analiz yapılması ve hedeflerin belirlenmesinden sorumludur. Aynı zamanda yardımcı bilgisayar, uçuş bilgisayarı ile seri bağlantı üzerinden haberleşmektedir ve belirlenen hedeflere İHA’nın yönlendirilmesi için komut göndermektedir.
Bu ikili arasındaki haberleşme Mavlink[3] protokolü üzerinden gerçekleşir. Bu bağlantı sayesinde yardımcı bilgisayar, İHA’nın o anki verilerine(konum, yükseklik vs.) erişebilir ve bunları kilitlenme algoritmalarında kullanabilir. Aynı zamanda belirlenen hedeflere hareket edilmesi için uçuş bilgisayarına komut gönderebilir. Otonom ve manuel modlar kullanıcının verdiği komutlarla başlatılır ve kullanıcı her an bu işlemi durdurabilir.
Yardımcı bilgisayar İHA üzerinde kullanılacağı için ağırlığı, ölçüleri ve işlem gücü önemlidir. Bu bilgisayarlar arasında çeşitli alternatifler vardır. Örneğin Raspberry Pi, Odroid, NVIDIA Jetson Nano vs. Şekil 6’da görülen NVIDIA Jetson Nano bunların arasında işlem gücü en yüksek olan bilgisayardır. Bu bilgisayarlar üzerinde Linux’un farklı bir versiyonu
çalışmaktadır ve çeşitli programlama dillerini destekler. Bu projede görüntü işleme için OpenCV ve yapay zeka uygulamaları için TensorFlow, Keras gibi çeşitli Python kütüphaneleri kullanılacaktır. Temel olarak İHA’lara özgü şekillerin ayırt edilmesi ve yapay zeka uygulamaları sayesinde önceden etiketlenmiş datasetler kullanarak multikopter cinsindeki diğer İHA’lar algılanmaya çalışılacaktır.
Şekil 6: NVIDIA Jetson Nano
Yukarıda bahsedilen bütün işlemler gerçek zamanlı olarak İHA üzerinde gerçekleşecektir. Telemetri modülü sayesinde varsa hedef İHA kilitlenme bilgisi ile beraber İHA’nın o anki konum, hız ve yükseklik gibi çeşitli bilgileri de yer istasyonuna gönderilir. Yer istasyonunda ise İHA’nın o anki durumunu gözlemenin haricinde ek bir yazılım daha çalışır.
Bu yazılım İHA’nın bilgilerini ana sunucuya aktarır. Telemetri bilgileri USB arayüzüne takılan telemetri modülü sayesinde elde edilir. Python dilinde yazılacak program, bu modüle bağlanıp İHA ve kilitlenme bilgilerini aldıktan sonra ‘socket’ kütüphanesini kullanarak TCP/IP protokolü aracılığıyla ana sunucuya aktarır. Bu program aynı zamanda sunucuyu dinler ve diğer İHA’ların pozisyonlarını öğrenebilir.
4. Planlamalar
4.1. Zaman ÇizelgesiŞu ana kadar İHA’nın ana çerçevesi Çin Halk Cumhuriyeti’nde karbon fiber CNC kesimi yapılmış ve elimize ulaşmıştır. Aynı zamanda motorlar, pervaneler, motor sürücüler, uçuş kontrol kartı, kumanda ve batarya gibi İHA’nın temel malzemeleri hazırda bulunmaktadır.
Prototip üretimi ve tasarımın sonlandırılması için herhangi bir sorun bulunmamaktadır.
Planlanan zaman çizelgesi Şekil 7’de gösterilmiştir.
Şekil 7: Zaman Çizelgesi 4.2. Bütçe Planı
İHA’da kullanılan malzemeler ve fiyatları Tablo 1’de görülebilir.
Tablo 1: Malzeme Fiyatları
Ürün Fiyat
Karbon Fiber Çerçeve (CNC) 34$
İniş Takımı 7.5$
Güç Dağıtım Ünitesi 3$
Karbon tüp kollar 15$
4x Brushless DC Motor(Racerstar 3508) 80$
4x ESC 20$
Pixhawk Autopilot 50$
GPS modülü 15$
Telemetri modülü 15$
NVIDIA Jetson Nano 800 TL
FlySky Fs-i6 50$
2x 4S Lipo 38$
Toplam: 427.5$
4.3. Uyumluluk Analizi
FlySky Fs-i6 Rc kumanda iki farklı opsiyonda sinyal aktarabilmektedir. Bunlardan biri PWM diğeri de PPM metodudur. PPM olarak aktarılan kullanıcı komutları alıcı tarafında otopilot tarafından başarılı bir şekilde okunabilmektedir. Otopilot komutları aldıktan sonra her bir motorun hızını ESC’lere farklı genişlikte PWM sinyalleri göndererek ayarlar. Kullanılan ESC ve otopilot donanımı bu kabiliyete sahiptir ve birbirleri arasında uyumludur. Telemetri, GPS, switch ve buzzer modülleri otopilot ile beraber satın alınmıştır ve kart üzerinde kendilerine ait yerlere takılarak kullanılabilir. Satın alınacak yeni yardımcı bilgisayar ise otopilot ile serial bağlantı kullanarak haberleşmektedir. Otopilot üzerinde 4 adet serial bağlantı yeri vardır ve bunların ikisi GPS ve telemetri modülleri tarafından kullanılmaktadır. Bundan dolayı yardımcı bilgisayarla otopilot arasında haberleşme sorunu bulunmamaktadır. Yardımcı bilgisayar otopilot ile Mavlink protokolü aracılığıyla haberleşir. Kullanılmak istenen görüntü işleme ve yapay zeka algoritmaları yardımcı bilgisayar tarafından desteklenmektedir. Sonuç olarak sistem kendi içerisinde birbiriyle uyumlu parçalardan oluşmaktadır.
Otopilot olarak Pixhawk’ı seçmemizin nedeni hem açık kaynaklı bir donanım olması ve ayrıca yazılımının da aktif bir topluluk tarafından yine açık kaynaklı bir şekilde geliştiriliyor olmasıdır. Ayrıca bu kontrol kartı, içerisinde yedekli sensör ve işlemci barındırır. Sensörlerden alınan değerlerin doğruluğu havacılık uygulamalarında büyük bir önem arz etmektedir.
GPS modülü olarak Neo-8m markasını kullanmaktayız. GPS çözümü olarak farklı kesinlikte konum bilgisi verebilen çözümler vardır. Neo-8m ise yaklaşık olarak 1.2m kesinlikle İHA’nın konumunu belirleyebilmektedir. Bu kesinlik istenilen düzeydedir.
İHA’nın ana çerçevesi, kolları ve iniş takımı dayanıklı olması için tamamen karbon fiberden oluşmaktadır.
4.4. Malzeme Planı ve Destek
NVIDIA Jetson Nano hariç olmak üzere yukarıda bütçe planı kısmında anlatılan malzemelerin tamamı elimizde bulunmaktadır. Bu projede geliştirme yapabilmek için yeterli derecede işlem gücüne sahip yardımcı bir bilgisayar ihtiyacı bulunmaktadır. Fakat hedef İHA tespitinin yapılacağı yardımcı bilgisayar olarak elimizde sadece Raspberry Pi bulunmaktadır ve bu kartın daha önce yapmış olduğumuz testlerde bu işler için yetersiz olduğu görülmüştür. Bu kartın yetersizliği, görüntü işleme yapma kabiliyetinin otopilotun istediği düzeltme hızından daha düşük bir seviyede kalmasından dolayıdır. NVIDIA Jetson Nano kartını satın almak için
destek talebimizi ön tasarım raporuyla beraber iletmiş olacağız. Toplamda 800TL destek ihticaı bulunmaktadır.
5. Özgünlük
İHA’nın karbon fiberden yapılmış ve CNC makinesi tarafından kesimi yapılmış ana çerçevesinin tasarımı tamamen bana aittir. Üzerinde imzamı(CYT) görebilirsiniz. Tasarım Autodesk Fusion 360 programı kullanarak yapılmıştır. Tasarım yapıldıktan sonra yurtiçi ve yurtdışı firmalardan teklif alınmış ve Çin Halk Cumhuriyeti’nde kesim işlemleri yapılmıştır.
Bu ana çerçeve daha önce toplamış olduğum dronelarda ortaya çıkan sorunlara çözüm bulmak için tasarlanmıştır. Alt, orta ve üst kattan oluşmakta ve her katta farklı elektronik ekipmanlar için yeterli alan bulunmaktadır. Ana çerçevenin kesimden gelmiş hali ve toplanıp bir İHA olmuş halini Şekil 8’de görebilirsiniz.
Şekil 8: Kesimden gelmiş ve bir araya getirilmiş ana çerçeve
İHA’da kullanılan elektronik ekipmanlar ve modüller hazır alınmış olup neredeyse tamamı açık kaynaklıdır. Önemli olan geliştirme kısmı yardımcı bilgisayar üzerinde yapılacak olup diğer takımlar arasındaki fark burada ortaya çıkacaktır. Ayrıca hedef belirleme ve kaçınma algoritmalarımız da yarışmada derece elde edebilmek için önemli olacaktır.
6. Referanslar:
[1]: https://infogram.com/carbon-fiber-vs-fiberglass-1gdk8pd471dvpq0
[2]: https://www.racerstar.com/Racerstar-Racing-Edition-3508-BR3508-700KV-2-6S-Brushless- Motor-For-600-700-800-for-RC-Drone-FPV-Racing-p-76.html
[3]: https://mavlink.io/en/
