0
2021 TÜBİTAK ULUSLARARASI İNSANSIZ HAVA ARAÇLARI YARIŞMASI
DETAYLI TASARIM RAPORU
1
ULUSLARARASI İNSANSIZ HAVA ARAÇLARI YARIŞMASI DETAYLI TASARIM RAPORU TAKIM ADI: GTU-PARS
ARAÇ TÜRÜ: SABİT KANAT
ÜNİVERSİTE: GEBZE TEKNİK ÜNİVERSİTESİ TAKIM KAPTANI: SEMİH YANAĞ
1. PROJE ÖZETİ
1.1 Tasarımda İzlenen Yöntem
Gökalp isimli İnsansız Hava Aracımız, GTU-PARS takımı tarafından, 2021 Teknofest İnsansız Hava Araçları Yarışması kapsamında, sabit kanat kategorisinde yarışmak üzere tasarlanmış bir insansız hava aracıdır. Aracın tasarımı, yarışmanın görev ve kurallarına uygun olacak şekilde SolidWorks CAD programı kullanılarak özgün bir biçimde yapılmıştır. Aracın mekanik tasarımı sürüklenme, taşıma ve ağırlık parametreleri üzerinden değerlendirilerek yapılmıştır.
Ağırlığın olabildiğince düşük tutulabilmesi için gövde ve kanatların yapımında XPS malzeme kullanılmıştır. Atış mekanizması, ağırlık merkezinin etkilenmemesi için denge merkezinin üzerine yerleştirilmiştir. Ayrıca sürüklemeyi azaltmak amacıyla atış mekanizmasının havayla temasını en aza indirerek gövde içine yerleştirilmiştir. Kanat profili seçimi yapılırken kalınlık, kaldırma katsayısı (CL), sürüklenme katsayısı (CD) ve moment katsayısı (CM) gibi kanat profil özellikleri dikkate alınmıştır. Yapılan değerlendirmeler sonucunda MH114 kanat profilinin uygun olduğuna karar verilmiştir. Yeterli manevra kabiliyetini sağlamak amacıyla kuyruk dümeni, irtifa dümeni ve kanatçıkların yüzey alanları tasarıma uygun bir biçimde boyutlandırılmıştır. Kanattaki hava akışının bozulmaması ve aracın stabil bir biçimde uçuşunu gerçekleştirebilmesi için motor, gövdenin arka üst kısmına konumlandırılmıştır. Aracın tasarımsal özellikleri göz önünde bulundurularak motor, elektronik hız kontrolcüsü ve pervane kombinasyonu belirlenmiştir. Aracın yeterli süre havada kalmasını sağlamak ve elektronik bileşenlerin sağlıklı bir şekilde çalışabilmesi için gerekli akım değerini karşılayabilecek bir batarya seçilmiştir. Otonom uçuşun gerçekleşmesi için gerekli olan uçuş kontrol kartı ve ikinci görevi gerçekleştirebilmek için kullanılacak görev bilgisayarı belirlenmiştir.
1.2 Takım Organizasyonu
Şekil SEQ Şekil \* ARABIC 1: Takım Organizasyonu Şekil 1: Takım Organizasyonu
2 1.3 İş Zaman Çizelgesi Planlanan ve Gerçekleşen
Tablo 1: İş Zaman Çizelgesi Planlanan ve Gerçekleşen Başlık Planlanan İçerik Planlanan Başlık Gerçekleşen İçerik Gerçekleşen
3 2. Detay Tasarım
2.1 Tasarımın Boyutsal Parametreleri
İHA’nın yüksüz haldeki parçalarının adetleri ve ağırlıkları Tablo 2’de gösterilmiştir. Tablolardaki toplam ağırlıklar, parçaların kablolarla bağlantıları sağlanmadan önceki ağırlıklarını göstermektedir. Yarışma alanında İHA’nın içine yerleştirilecek olan 2 adet topun toplam ağırlıkları 200 gram olarak belirlenmiştir. Parçaların toplam ağırlıkları, aracın Görev-1’deki yüksüz ağırlığı ve Görev-2’deki yüklü ağırlığı Tablo 2’de 40 ve 41. satırlarda belirtilmiştir.
Bağlayıcı madde ağırlığıyla beraber uçağın yüksüz toplam ağırlığının 2 kg civarında olacağı düşünülmüştür.
No Parça Adı Ağırlık
(gram)
Adet Toplam Ağırlık (gram)
1 CNHL 5000mAh 4S 30C Lipo Batarya 476,00 1 476,00
2 Racerstar RS80A V2 80A ESC 55,00 1 55,00
3 Hobbywing UBEC 3A 2-6S 11,00 1 11,00
4 Pixhawk 4 Uçuş Kontrol Kartı 33,00 1 33,00
5 HolyBro Pixhawk 4 M8N GPS Modülü 34,00 1 34,00 6 V5 Radyo Telemetrisi 433 MHz 1000MW 43,00 1 43,00
8 Raspberry Pi 4 57,00 1 57,00
9 FS-IA6B 2.4 Ghz Alıcı 17,00 1 17,00
10 Anten 25,00 1 25,00
11 Devre Kesici 48,00 1 48,00
12 Bıçak Sigorta 42,00 1 42,00
13 Holybro Pixhawk 4 Güç Dağıtım Kartı 54,00 1 54,00
14 AT2820 1050 KV Motor 158,00 1 158,00
15 MG90S Servo Motor 14,00 6 84,00
16 Gövde Ana Parça 46,00 1 46,00
17 Sağ Kanat 88,00 1 88,00
18 Sol Kanat 88,00 1 88,00
19 Gövde Üst Kapağı 13,00 1 13,00
20 Gövde Yan Kapağı 35,00 2 70,00
21 Raspberry Pi 4 Yuvası 27,00 1 27,00
22 Pil Yatağı 6,00 1 6,00
23 Pixhawk 4 Uçuş Kontrol Kartı Yatağı 10,00 1 10,00
24 PLA Motor Yuvası 62,00 1 62,00
25 11x7 APC Pervane 16,00 1 16,00
4
26 Pervane Somunu ve Pulu 4,00 1 4,00
27 Kuyruk-Gövde Tutucu 38,00 1 38,00
28 Stabilizatör Tutucu 25,00 1 25,00
29 Dikey Stabilizatör 25,00 1 25,00
30 Yatay Stabilizatör 16,00 1 16,00
31 Atış Mekanizması Üst Parça 17,00 1 17,00
32 Atış Mekanizması Alt Parça 16,00 1 16,00
33 Atış Mekanizması Top Tutucu 2,00 2 4,00
34 Kontrol Parçası 3,00 4 12,00
35 Servo Motor Yuvası 7,00 2 14,00
36 Dış/İç Çap:10mm/8mm 131 cm Karbon Fiber
Boru 55,00 1 55,00
37 Dış/İç Çap:16mm/14mm 54.5 cm Karbon Fiber
Boru 37,00 1 37,00
38 Kuyruk Dümeni 10,00 1 10,00
39 Sağ Kanatçık 10,00 1 10,00
40 Sol Kanatçık 10,00 1 10,00
41 İrtifa Dümeni 12,00 1 12,00
42 TOPLAM AĞIRLIK 1868,00
43 MAKSİMUM AĞIRLIK 2068,00
Tablo 2: Sabit Kanatlı İHA Parça ve Toplam Ağırlık Tablosu
Şekil 2: İHA Bileşenlerinin Modüler Görünümü
5
No Parça Adı Ağırlık
(gram) X uzaklığı (mm)
Y uzaklığı (mm)
Z uzaklığı (mm) 1 CNHL 5000mAh 4S 30C Lipo Batarya 476,00 -10,45 211,79 -80 2 Racerstar RS80A V2 80A ESC 55,00 33,45 -61,45 -48,91
3 Hobbywing UBEC 3A 2-6S 11,00 33,45 -51,45 -30
4 Pixhawk 4 Uçuş Kontrol Kartı 33,00 1,02 7 -24,51
5 HolyBro Pixhawk 4 M8N GPS Modülü 34,00 1,85 -5,66 30,67
6
V5 Radyo Telemetrisi 433 MHz
1000MW 43,00 -36,6 -80,09 -3,65
8 Raspberry Pi 4 57,00 -3,54 173,09 -12,28
9 FS-IA6B 2.4 Ghz Alıcı 17,00 -38 89 -49,49
10 Anten 25,00 -14,12 -60,32 -29,04
11 Devre Kesici 48,00 -3,4 217,81 -10,34
12 Bıçak Sigorta 42,00 -3,4 220,4 -7,23
13 Holybro Pixhawk 4 Güç Dağıtım Kartı 54,00 36,68 130 -28,71
14 AT2820 1050 KV Motor 158,00 0,16 -175,63 64,09
15 Gövde Ana Parça 46,00 0 9,97 -70,11
16 Sağ Kanat 88,00 167,49 -12,61 2,47
17 Sol Kanat 88,00 -167,51 -12,61 2,47
18 Gövde Üst Kapağı 13,00 0 84,1 6,01
19 Gövde Sağ Yan Kapağı 35,00 44 57,16 -53,77
20 Gövde Sol Yan Kapağı 35,00 -44 57,16 -53,77
21 MG90S Servo Motor-Sağ Kanat 14,00 379,23 -40,25 -7,26 22 MG90S Servo Motor-Sol Kanat 14,00 -377,98 -44,75 -7,45
23 MG90S Servo Motor-Ön Yük 14,00 0,43 85,4 -105,25
24 MG90S Servo Motor-Arka Yük 14,00 -0,43 -53 -105,25 25 MG90S Servo Motor-İrtifa Dümeni 14,00 26,6 -703,62 -77,8 26 MG90S Servo Motor-Kuyruk Dümeni 14,00 11,2 -629,93 8,56
27 11X7 APC Pervane 16,00 0 -216,75 72,44
28 Pervane Somunu ve Pulu 4,00 0 -211,75 69,42
29 PLA Motor Yuvası 62,00 0 -146,94 36,65
30 Kuyruk-Gövde Tutucu 38,00 0 -190,41 -90,5
31 Stabilizatör Tutucu 25,00 2,5 -600,57 -73,94
32 Dikey Stabilizatör 25,00 -2,5 -617,07 8,5
33 Yatay Stabilizatör 16,00 5,71 -725,5 -89,5
6
34 Atış Mekanizması Üst Parça 17,00 -3,3 -27,61 -122,56
35 Atış Mekanizması Alt Parça 16,00 0 14,6 -125,75
36 Atış Mekanizması Ön Top Tutucu 2,00 9,41 60,3 -122,56 37 Atış Mekanizması Arka Top Tutucu 2,00 -3,3 -27,61 -122,56 38 Kontrol Parçası-Sağ Kanatçık 3,00 351,08 -114,19 -13,63 39 Kontrol Parçası-Sol Kanatçık 3,00 348,48 114,42 -12,34 40 Kontrol Parçası-Kuyruk Dümeni 3,00 12 -698,45 -14,41 41 Kontrol Parçası-İrtifa Dümeni 3,00 51,58 -754,52 -73,54 42 Servo Motor Yuvası Sağ Kanat 7,00 374,75 -41,44 -1,58 43 Servo Motor Yuvası Sol Kanat 7,00 -375,03 -41,88 -1,78
44 Pil Yatağı 6,00 -10,45 260,79 -78
45 Raspberry Pi 4 Yuvası 27,00 -3,54 170,09 -12,28
46 Pixhawk 4 Uçuş Kontrol Kartı Yatağı 10,00 0 10,1 -32
47
Dış/İç Çap:10mm/8mm 131 cm
Karbon Fiber Boru 55,00 0 0 0
48
Dış/İç Çap:16mm/14mm 54.5 cm
Karbon Fiber Boru 37,00 0 -401,9 -90,5
49 Kuyruk Dümeni 10,00 12 -650 -10
50 İrtifa Dümeni 12,00 30 -814,52 -73,54
51 Sağ Kanatçık 10,00 348 -111 -10,63
52 Sol Kanatçık 10,00 -344,48 116,48 -10,31
53 TOPLAM -0,27179 -3,43218 -31,8639
Tablo 3: Sabit Kanatlı İHA Malzeme Ağırlık ve Denge Tablosu 2.2 Gövde ve Mekanik Sistemler
Aracın özgün tasarımı SolidWorks CAD programı kullanılarak yapılmıştır. İki görevi de en uygun şekilde gerçekleştirmek için ilk olarak görev gereksinimleri belirlenmiş olup aracın tasarımı bu gereksinimler gözetilerek oluşturulmuştur. İlk görevde manevra kabiliyeti önemli olduğu için kanatçık ve kuyruk dümeni geniş yüzey alanına sahip olacak şekilde boyutlandırılmıştır. Yapılan uçuşlarla kontrol yüzeyleri test edilmiş ve revizyon yapılıp nihai boyutlandırılma tamamlanmıştır. Motor, üç avantaj doğrultusunda aracın arka üst kısmına yerleştirilmiştir; bunlardan ilki kanattaki hava akışının bozulmamasını ve aracın stabil bir biçimde uçuşunu gerçekleştirebilmesini sağlamaktır, ikinci avantaj ise görüntü işleme sisteminin daha verimli çalışabilmesi ve kameranın daha stabil görüntü alabilmesi için kameranın öne yerleştirilmesidir. Son olarak olası sert iniş durumlarında motor korunmuş olacaktır. Aracın tork dengesinin sağlanması için motor 15°lik açı ile gövdeye monte edilmiştir.
Montaj işlemlerinin kolay bir şekilde gerçekleştirilebilmesi için gövde modüler bir yapıya sahip
7
olacak şekilde tasarlanmıştır. Gövde; bir ana parça, iki yan yüzey ve bir kapak parçası olmak üzere toplam 4 adet parçadan oluşmaktadır. Gövde geometrisi aerodinamik özelliklere uygun bir biçimde tasarlanmış olup araç elektroniği için kolay ulaşılabilir bir yapıya sahiptir. Araç kuyruğu, gövdeye 16 mm çapında karbon fiber boruyla bağlanmış olup karbon fiber boru, titreşiminin azaltılması için gövdeye PLA malzemeden oluşan bir parça ile sabitlenmiştir. Uçuş güvenliğini sağlamak ve elektronik kaynaklı problemlerin önüne geçmek için kuyrukta bulunan hareket yüzeylerini kontrol eden servo motordan çıkan kablolar karbon fiber borunun içinden geçerek gövdeye ulaşmaktadır. Motor açısından dolayı araca burun aşağı yönlü uygulanacak momenti dengelemek için yüksek taşıma kuvvetine sahip MH114 kanat profili seçilmiş ve kanat yüzey alanı geniş tutulmuştur. Kanatlar, uçuş sırasında gerekli mukavemetin sağlanması için 10 mm çaplı karbon fiber boru kullanılarak desteklenmiş ve gövdeye sabitlenmiştir.
Kanattaki hava akışını bozmamak için kanatçıkları hareket ettirecek servo motorlar, servo motor yuvaları sayesinde kanada gömülmüş, servo motor uzatma kabloları ise kanadın içinden gövdeye ulaştırılmıştır. Yük bırakma mekanizması, toplar bırakıldığında uçağın ağırlık merkezinin bozulmaması için ağırlık merkezine denk gelecek şekilde yerleştirilmiştir. Araçta kullanılacak olan motor yuvası, kuyruk bağlantı parçası, kuyruk parçası, yük bırakma mekanizması ve servo motor yuvaları PLA malzeme kullanılarak 3 boyutlu yazıcı ile üretilmiştir.
Şekil 3: Kuyruk-Gövde Tutucu Şekil 4: Motor Yuvası
Şekil 5: İHA Sistem Yerleşimi
8 2.3 Aerodinamik, Stabilite ve Kontrol Özellikleri
Kanat profili seçimi yapılırken profil, geniş bir hücum açısı aralığında incelenmiştir. Kanat profili analizi XFLR5 programı kullanılarak yapılmış ve analiz sonuçları Şekil 9'da gösterilmiştir.
Profile ait irtifa kaybı açısı, kaldırma katsayısı, sürükleme katsayısı, moment katsayısı, kaldırma katsayısının sürükleme katsayısına oranı gibi değerlerin hücum açısına bağlı olarak değişimi incelenmiştir. Kanat profilinin gerekli taşımayı sağlayabilmesi için yüksek CL değerine, düşük sürüklemeye sahip olması için düşük CD değerine, uçağın stabil uçuşunun sağlanması için düşük CM değerine sahip olması kanat profil seçimindeki en önemli parametreler olmuştur.
Yapılan incelemeler sonucunda MH114 kanat profilinin yüksek taşıma katsayısına sahip olmakla birlikte düşük sürükleme katsayısına sahip olması nedeniyle bu kanat profilinin kullanılmasına karar verilmiştir.
Şekil 6: Kuyruk Tutucu Şekil 7: İHA Genel Boyutları
Şekil 8: Gövde Ana Parça
9
Kanat profil seçiminin yapılmasının ardından tasarıma kanat boyutlandırılması ile devam edilmiştir. XFLR5 programı kullanılıp uçuş simüle edilerek 15 m/s sabit hızda yapılan analizler sonucunda 0,29 m2 kanat alanına sahip, 2 derece hücum açılı kanat tasarımının gerekli taşıma kuvvetini sağladığı görülmüştür. Analiz sonuçları Şekil 10’da gösterilmiştir.
Yapılan araştırmalar ve motor üreticisinin sunduğu bilgiler neticesinde APC 11x7 pervanenin gerekli itkiyi sağlayacağı öngörülmüş ve deneylerle desteklenip kullanılmasına karar verilmiştir.
Aracın stabilite karakteristiğini incelemek için XFLR5 stabilite analizi yapılarak boylamsal ve yanal olmak üzere 5 adet uçuş modu incelenmiştir. Kısa periyot ve phugoid boylamsal modları oluştururken roll damping, dutch roll ve spiral ise yanal modları oluşturmaktadır. Ayrıca inceleme yapılırken modların sönüm oranları ve periyotları da dikkate alınmıştır. Tablo 4’te gösterildiği gibi pozitif değere sahip olan spiral modun kararsız olduğu ve diğer modların kararlı
Şekil 9: XFLR5 kanat analizi sonuçları
Şekil 10: Hücum Açısı-Kanat Taşıma Grafiği
10
olduğu görülmektedir. Spiral mod, sabit kanatlı insansız hava araçları için kararsız olması göz ardı edilebilecek bir mod olup yapılan analiz sonucu İHA’nın kararlı uçuşa sahip olduğu anlaşılmıştır. İHA’ya yeterli manevra kabiliyetini sağlamak amacıyla kuyruk dümeni, irtifa dümeni ve kanatçıkların yüzey alanı yapılan uçuş testleri sonucunda uygun yüzey alanı olarak belirlenmiştir.
2.4. Görev Mekanizması Sistemi
Görev mekanizması, görev esnasında aracın ağırlık ve denge merkezini etkilememesi, aracın stabil uçuşunu bozmaması için ağırlık ve denge merkezinin bileşenleri hizasında konumlandırılmıştır. Görev mekanizmasının çalışma prensibi şu şekildedir: İHA, görev uçuşunun 1. turunda topun bırakıldığı kırmızı bölgeyi hedef olarak tanımlar ve kırmızı bölgenin koordinatlarını belirler. Buradan elde ettiği veriler sayesinde görev mekanizması aktif hale gelir.
İHA, görev uçuşunun 2. turunda, 1. turda hedef olarak tanımladığı kırmızı bölgenin üstüne geldiğinde görev mekanizması çalışır. Topu tutan kapak, MG90S servo motor yardımıyla yana dönerek açılır. Topu tutan kapağın açılmasıyla birlikte İHA, görev uçuşunun 1. turunda hedef olarak tanımladığı kırmızı bölgeye topu bırakır. Top, atış mekanizmasından çıkış yaptıktan sonra, topu tutan kapak servo motor yardımıyla kapanır. İHA, atış mekanizmasının içinde bulunan 2. topu da görev uçuşunun 1. turunda hedef olarak tanımladığı kırmızı bölgenin üstüne yukarıda belirtilen çalışma prensibi doğrultusunda bırakır ve görevi tamamlamış olur. Görev mekanizmasının çalışma prensibi detaylı tasarım video çekimi bölümünde 3.2.6 numaralı başlık altında gösterilmiştir.
Modlar Özdeğer Periyot Sönüm Oranı
Boylamsal Mod
Kısa Periyot - 4.922 ± 3.716i 0,9 s 0,798 Phugoid
Boylamsal -0.02669 ± 0.8124i 7,75 s 0.037
Yanal Mod
Dutch Roll -1.954 ± 5.759i 1,033 s 0.345 Roll
Damping -22.74 - 1
Spiral Yanal 0.4741 Kararsız -
Tablo 4: İHA Stabilite Analiz Sonuçları
11
Şekil 11: Görev Mekanizması Elemanları Şekil 12: Görev Mekanizması Boyutları
2.5 Elektrik Elektronik Kontrol ve Güç Sistemleri Servo Motor
Araçta servo motor seçimi yapılırken dayanıklı ve ihtiyaç duyulan torku sağlayabilecek güçte bir servo motor olmasına dikkat edilmiştir. Bu kriterler doğrultusunda Tower Pro MG90S servo motor kullanılmıştır. Bu modelin metal dişlilere sahip olması servo motora kullanım sonucu aşınmaya ve zorlanmaya karşı daha dayanıklı bir yapı kazandırmıştır. Ayrıca yaklaşık 5V gerilimde yaklaşık 1,8-2 kgf/cm çalışma torkuna sahip olması ve İHA'ya entegrasyon kolaylığı sağlayan minimal boyut ve ağırlığı bu modelin seçiminde etkili olmuştur.
Uçuş Kontrol Kartı
Araçta Pixhawk 4 uçuş kontrol kartı kullanılmıştır. Gelişmiş otonom desteği, yüksek performansı ve içinde bulunan ivmeölçer, pusula ve barometre sensörleri desteğinden dolayı Pixhawk 4 uçuş kontrol kartı seçilmiştir. Pixhawk 4 uçuş kontrol kartının beraberinde gelen güç dağıtım panosu; üzerinde bulunan 8’den fazla PWM servo çıkışının olması, maksimum akım algılama değerinin kullandığımız akım değerlerini karşılayabilecek seviyede olması, güç modül çıkışının 4.9 ile 5.5V arasında olması, maksimum giriş voltajının 6V gibi avantajlarının yanı sıra elektronik ekipmanların uçak içerisindeki yer dağılımında oldukça kolaylık sağlamıştır. I2C veriyolu ile GPS ile uçuş kontrol kartı arasında bilgi alışverişi yapılmaktadır.
GPS
GPS olarak Pixhawk 4'ün beraberinde gelen ve Pixhawk 4 ile uyumlu çalışabilen HolyBro Pixhawk 4 Neo-M8N GPS Modülü kullanılmıştır.
Modülün yüksek navigasyon hassasiyetine sahip olması, üzerinde pusula bulundurması ve uçağın dış kapağına konumlandırılacağından dolayı hafif ve dayanıklı olması GPS seçiminde etkili olmuştur.
Şekil 13: Servo Motor
Şekil 14: Uçuş Kontrol Kartı
Şekil 15: GPS
12 Telemetri
Telemetri olarak V5 Radyo Telemetrisi kullanılmıştır. Telemetri 1000 mW verici gücüne ve 433 MHz verici frekansına sahip olup 5000 metreye kadar kontrol alanı sağlamaktadır. Kullandığımız uçuş kontrol kartı olan Pixhawk 4 ve yer istasyonumuz Mission Planer ile uyumlu olması bu modeli seçmemizdeki önemli etkenlerdendir.
Motor
Aracın kalkışı ve uçuşu sırasında yeterli itki gücünü sağlayabilmesi ve İHA'nın yaptığı dönüş, süzülme gibi hareketler esnasında artıp azalabilen itki değişimlerini karşılayabilmesinden dolayı T Motor AT2820 1050KV modeli kullanılmıştır. Motor üzerinde yapılmış olan test raporlarına bakıldığında APC11x7 pervane seçimi ile İHA için gerekli itki gücünün elde edilebildiği saptanmıştır. Kullanılan motor, maksimum 65A akım çekmekte olup buna uygun elektronik hız kontrolcüsü seçimi yapılmıştır.
Elektronik Hız Kontrolcüsü
Yukarıda da belirtildiği gibi motorun ihtiyaç duyduğu beslemeyi yapabilecek kapasitede olmasından dolayı Racerstar RS80A V2 80A elektronik hız kontrolcüsü kullanılmıştır. Elektronik hız kontrolcüsü devamlı olarak 80A, 10 saniyeye kadar sürede de 90A akım verebilmektedir. Ayrıca küçük boyut ve hafiflik avantajı sağlaması seçimimizde etkili olmuştur.
Batarya
Yapılan araştırmalar ve hesaplamalar neticesinde aracı yaklaşık olarak 8 dakika uçuş süresi sağlayabildiği görülmüştür. Elektronik bileşenlerin ihtiyaç duyduğu yeterli akımı sağlayabildiği için CNHL 5000mAh 4S 14.8V 30C Li-Po batarya kullanılmıştır. Ayrıca İHA'nın tasarımsal boyutlarına uygunluğu pil seçiminde etkili olmuştur.
Sigorta-Akım Kesici
Araç içinde güvenliği sağlamak için olası bir acil duruma karşı bir bıçak sigorta ve otomatik akım kesici kullanılmıştır. 80 amper elektronik hız kontrolcüsü kullanıldığından dolayı bıçak sigorta 100 amper olarak seçilmiştir.
Şekil 16:
Telemetri 6:
Şekil 17: Motor
7
Şekil18: Elektronik Hız Kontrolcüsü
Şekil 19: Batarya
Şekil 20:
Bıçak Sigorta
Şekil 21:
Akım kesici
13 Kumanda-Alıcı
Araçta 10 kanal desteğine sahip Flysky FS-İ6X kumanda ve bu kumandayla uyumlu olarak çalışan FS-iA6B alıcı kullanılmaktadır. 6 kanal desteği bulunan alıcı, ayrıca 500m’den fazla menzile sahiptir. Kumandanın düşük güç tüketimi ve yüksek alıcı hassasiyetine sahip olması muadillerine göre bu modeli seçmemizin önemli etkenlerindendir. Kumanda da PPM ve PWM veri bağlantı noktaları bulunmaktadır. Ayrıca kumanda ile alıcı arasında bağlantı kopması anında fail-safe modu ile güvenlik sağlanmaktadır.
Soket
Elektronik sistemlerimizde XT60 soket kullanılmıştır.
Sürekli olarak 60 amper, anlık olarak 90 ampere kadar akım taşıyabilen bu soketleri tercih etmemizin sebebi yüksek akım taşıyan bağlantılarda ve Li-Po pillerde kullanılabilir olmasının yanı sıra izole ve dayanıklı dış kaplamaya sahip olmasıdır. Elektronik hız kontrolcüsü ve motor arasında 3.5 mm banana soketler kullanılmıştır. Bu soketler sahip oldukları koruma aparatı sayesinde yanlış kullanımı engellemektedir.
AWG Kablo
Araçta bulunan güç dağıtım panosu ile bağlanan elektronik hız kontrolcüsü ve motor arasındaki bağlantılarda 14 AWG kablo kullanılmıştır. Batarya ve güç dağıtım panosu arasındaki bağlantıyı sağlamak için ise 12 AWG kablo kullanılmıştır. AWG kabloların tercih edilmesinin nedeni devreden geçen akım değerlerini karşılayabilecek kapasite ve dayanıklılıkta olmasıdır.
BEC
Araçta kullanılan elektronik hız kontrolcüsü BEC içermediğinden, elektronik hız kontrolcüsü için ve ayrıca görev bilgisayarı için birer BEC kullanılmıştır.
Kullanılan model Hobbywing UBEC 3A 2-6S'dir. Sürekli çıkış akımı 3 amper olup hafifliği, minimal boyutları ve metal bir kalkan filtreye sahip olduğu için elektromanyetik paraziti önemli ölçüde engelleyebilmesi bu modelin seçiminde etkili olmuştur.
Görev Bilgisayarı
Araçta görev bilgisayarı olarak Raspberry Pi 4 Model B tercih edilmiştir.
Oldukça hafif bir yapıda olması, alanında öncül bir mini bilgisayar olması sebebiyle segmentindeki diğer mini bilgisayarlara göre daha fazla yazılım desteği sağlaması, hızlı CPU ve GPU desteği sayesinde daha iyi bir fan yönetimi ile ısınmaya karşı dayanıklı bir yapıya sahip olması bu mini Şekil 22: Alıcı Şekil 23:
Kumanda
Şekil 24: XT60 Soket
Şekil 25:
Banana Soket
Şekil 26: AWG Kablo
Şekil 27: BEC
Şekil 28: Görev bilgisayarı
14 bilgisayarın tercih edilmesinde önemli rol oynamıştır.
Kamera
Araçta kamera olarak Raspberry Pi Kamera Modülü V2 kullanılmıştır.
Kamerada bulunan görüntü algılayıcı sensör sayesinde yüksek hassasiyetli video çekimi yapılabilmektedir. Minimal boyutu ile araca kolaylıkla entegre edilebilmektedir.
Şekil 30: Devre Şematiği Şekil 29: Kamera
15
Uçuşun yapılması için Pixhawk’a Ardupilot yazılımı kurulmuştur. Yer İstasyonu uygulaması olarak Mission Planner kullanılmıştır. Mission Planner ile Pixhawk arasındaki bağlantıyı sağladıktan sonra Plan sekmesinden görev çizimi yapılmıştır. Kalkış ve iniş manuel olduğu için sadece komut olarak görev noktası seçilmiştir. Yapılan deneme uçuşlarından elde edilen veriler sonucunda görev yarıçapı 25 metre, irtifa ise 50 metreye düzeltilmiştir.
Şekil 31: Örnek görev çizimi 2.6 Hedef Tespit ve Tanıma Sistemi
İHA üzerine yerleştirilen kameradan alınan görüntüyü, OpenCV kütüphanesi kullanılarak yazılan program sayesinde kameradan alınan görüntü kareleri üzerinde kırmızı, dairesel ve yaklaşık 3 metre çaplı bir alanı tespit edebilmek için sırasıyla belirtilen aşamalar uygulanmıştır.
İlk olarak kameradan alınan görüntü karesi üzerinde daha doğru bir şekilde daireyi tespit edebilmek için görüntü karesi üzerinde cvtColor() metodu ile COLOR_BGR2GRAY ayarlarıyla grileştirme efekti uygulanmıştır. Hedef Tespit ve Tanıma Programı, daireyi daha doğru tespit edebilmek için keskin bir fotoğraf üzerinde değil, hafif bulanıklaştırılmış bir görüntü karesi üzerinde daire aranmaktadır. Alınan görüntü karesi üzerinde bulanıklaştırma işlemi için Gaussian Elimination yöntemi kullanılır. Bu sayede alınan görüntü karesi bulanıklaştırılmış hale getirilir. Bu aşamaya kadar görüntü karesi üzerinde yapılan işlemler hedef daireyi tespit edebilmek için görüntü karesini hazır hale getirir. Hazır hale gelen görüntü karesi üzerinde daire tespiti için openCV içerisindeki Hough Circle algoritması kullanılarak mevcut daireler tespit edilir. Son aşama olarak tespit edilen bu dairelerden hedef dairenin özellikleri ile eşleşen bir dairenin olup olmadığı sorgulanır. Eğer eşleşen daire tespit edilirse hedeflenen dairenin konumu tespit edilir.
16
Görev uçuşunun ilk turunda İHA, daireyi tespit ettikten sonra dairenin koordinatlarını belirler ve koordinat GPS modülü sayesinde kaydedilir. Görev uçuşunun ikinci turunda elde edilen dairenin koordinatlarına tekrar geldiği zaman atış mekanizması tetiklenir ve top serbest bırakılır.
Şekil 33: Görüntü İşleme Elektronik Blok Diyagramı
Bu verileri yer istasyonunda eş zamanlı olarak görebilmek, 2. görevde uygun konumu tespit edebilmek ve hesaplamada ihtiyaç duyulacak barometre, hava hız sensörü, yerden yükseklik gibi verileri gözlemlemek için Pixhawk’ın telemetri cihazı ile eşleştirilen Mission Planner uygulamasından veriler alınıp yerli arayüz sayesinde yer istasyonunda gözükmektedir.
2.7 Uçuş Performans Parametreleri
İHA’nın Görev-1 ve Görev-2 için gereksinim duyulan; uçağın ağırlık, batarya, motor ve pervane bilgileri girilerek yapılan matematiksel hesaplamalar doğrultusunda elde edilen uçuş performans değerleri Tablo 5’te verilmiştir. Pixhawk’a kaydedilen uçuş testlerindeki performans parametreleri, Mission Planner yer istasyonundan taranarak İHA’nın maksimum uçuş hızının 31 m/s olduğu belirlenmiştir. Ayrıca bataryanın İHA’ya verdiği ortalama voltaj değeri 15.66
Şekil 32: Görüntü İşleme Testi
17
V’dir. XFLR5 analiz programı kullanılarak uçağın tutunma kaybı açısı ve aerodinamik katsayı değerleri Tablo 5’te verilmiştir. Maksimum uçuş ağırlığı olan 4 kilogramı geçmemek ve İHA’nın havada daha hızlı hareket edebilmesi için ağırlık, Görev-1’de 2000 g ve Görev-2’de 2200 g olarak belirlenmiştir. İHA’da kullanılan AT2820 1050KV T-Motor sayesinde yapılan hesaplamalara göre Görev-1’ uçuş süresi 120 saniye olarak belirlenmiştir.
Uçuş Performans Parametreleri
Görev-1 Görev-2
Batarya kapasitesi(mAh) 5000 5000
Cl Maks 0,715 0,72
Cl Seyir 0,715 0,72
Cd Seyir 0,029 0,03
Stall Açısı(°) 14 14
Stall Hızı(m/s) 8,06 8,36
Seyir Hızı(m/s) 14 15
L/D 24,31818182 24,31372549
Toplam Uçuş Süresi(s) 120 200
Hava Aracının
Dönüş Yarıçapı(metre) 25 30
Toplam Ağırlık(gram) 2000 2200
Tablo 5: Uçuş Performans Parametreleri 2.8 Hava Aracı Maliyet Dağılımı
No Parça Adı Birim
Fiyatı (TL) Miktarı Toplam Fiyatı (TL)
1 CNHL 5000mAh 4S 30C Lipo Batarya 657,27 1 657,27
2 Hobbywing SkyWalker 60A ESC 179,90 3 539,70
3 Racerstar RS80A V2 80A ESC 310,30 4 1241,21
4 Hobbywing UBEC 3A 2-6S 87,55 1
5 Pixhawk 4 Uçuş Kontrol Kartı ve Pixhawk 4 M8N
GPS Modülü 2700,00 1 2700,00
6 V5 Radyo Telemetrisi 433 MHz 1000MW 640,80 2 1281,60
8 Raspberry Pi 4 700,00 1 700,00
9 Raspberry Pi Kamera 379,17 1 379,17
10 FS-IA6B 2.4 Ghz Alıcı 161,91 1 161,91
11 Devre Kesici 59,90 1 59,90
12 Bıçak Sigorta 66,19 1 66,19
18
14 SunnySky X2814 1100 KV Motor 425,21 2 850,41
15 AT2820 1050 KV Motor 588,37 4 2353,48
16 PROPDRIVE v2 2836 2200 KV Motor 497,93 2 995,86
17 MG90D Servo Motor 25,06 10 250,60
18 MG90S Servo Motor 20,41 10 204,10
19 Dış/İç Çap:10mm/8mm 131 cm Karbon Fiber Boru 76,50 1 93,09 20 Dış/İç Çap:16mm/14mm 54.5 cm Karbon Fiber Boru 75,40 1 79,03
21 9x6 APC Pervane 15,27 10 152,70
22 10x5 APC Pervane 18,50 16 296,00
23 11x7 APC Pervane 22,01 10 220,10
24 Kumanda 696,66 1 696,66
25 XPS Köpük (1 blok) 357,00 2 714,00
26 PLA Malzeme Filament (1kg) 122,00 1 122,00
27 Bant 78,00
28 Mermi Konektörü 3,90 47 181,28
29 M3 Vida 3,37 40 134,75
30 TOPLAM 15209,012
Tablo 6: İHA Malzeme Maliyet Tablosu
2.9 Yerlilik
Yerlilik kapsamında arayüz çalışması yapılmıştır. Arayüz yapılırken MVVM mimarisi kullanılarak Swift dili ile Mac bilgisayarlar için yazılmıştır. Pixhawk’a bağlı olan telemetriden verileri çekebilmek için MAVLink protokolünü kullanan MAVSDK kullanılmıştır. Swift Packages üzerinden MAVSDK-Swift [1] projeye eklenmiştir. MAVSDK, Homebrew üzerinden kurulmuştur.
[2 ]Ardından bilgisayara MAVProxy kurulmuştur.[3] Adobe Illustrator[4] programı yardımıyla arayüzde kullanılacak fotoğraflar Basic-T düzenine uygun olarak hazırlanmıştır. Tasarım hazırlanırken hava hızı göstergesi, altimetre ve dikey hız göstergesi için göstergeler ve ibreler ayrı çıktı olarak alınmıştır. Aynı zamanda yön göstergesi ve dönüş koordinatörü için de uçak ve dış görüntü ayrı çıktı olarak alınmıştır.
Şekil 34: Hava Hızı Göstergesi ve İbresi
19
Programda RxSwift[5] kullanılmıştır. Multithread[6] olarak kullanabilmek için gerekli ayarlar kullanıldı ve MAVSDK adlı bir sınıf oluşturup model içindeki değişiklikleri alabilmek için gözlemlenebilir bir sınıf oluşturulmuştur. Holybro Pixhawk 4 cihazını bilgisayara bağladıktan sonra bağlı USB’leri görmek için gerekli kod kullanılmıştır. USB bağlandıktan sonra Ardupilot MAVLink ve Ardupilot SLCAN olmak üzere iki yeni cihaz eklenmiştir. MAVProxy kullanılarak port sayısı çoğaltılmıştır. Daha sonra bu porttan MAVSDK Server başlatılmıştır. Bununla birlikte model kısmı kullanılır hale gelmiştir. View’leri hazırlamak için SwiftUI kullanılmıştır.
View Model kısmında ObservableObject olarak TelemetryDetailViewModel sınıfı içinde istenen değişkenler oluşturulmuş ve RxSwift’in observeOn() ve disposeBag gibi fonksiyonlarıyla değişken değiştiğinde View’lere bildirilmiştir. Veriler MAVSDK’in Telemetry API’ı[7] kullanılarak işlenmiştir. Arayüzün son hali Şekil 10’daki gibidir. Kodlar, detaylı tasarım video çekiminde 3.2.10 numaralı başlık altında anlatılmıştır. Kaynak kodlarının linki[8]
verilmiştir.
Şekil 35: Yerli Arayüz Tasarımı Kaynaklar
1 – https://github.com/mavlink/MAVSDK-Swift
2 - https://mavsdk.mavlink.io/main/en/cpp/quickstart.html
3 - https://ardupilot.org/mavproxy/docs/getting_started/download_and_installation.html 4 - https://www.adobe.com/tr/products/illustrator.html
5 - https://github.com/ReactiveX/RxSwift
6 - https://en.wikipedia.org/wiki/Multithreading_(computer_architecture) 7 - https://mavsdk.mavlink.io/v0.18.0/en/guide/telemetry.html
8-https://drive.google.com/file/d/1P4stMhtrvYRfWY62uDuxsN7_4YdEyGEl/view?usp=sharing
Detaylı Tasarım Videosu Linki: https://youtu.be/yEJ1Ngh6aT4
