AESK İHA TAKIMI DETAYLI TASARIM RAPORU

(1)

AESK İHA TAKIMI DETAYLI TASARIM RAPORU

(2)

TAKIM ADI: Aesk İha

ARAÇ TÜRÜ: DÖNER KANAT

ÜNİVERSİTE: Yıldız Teknik Üniversitesi TAKIM KAPTANI: Yakup Gündüz

1. PROJE ÖZETİ

1.1 Tasarımda İzlenen Yöntem

Dörtten fazla kanat sayısının getireceği maliyet ve üretim zorluğu, dörtten az kanat sayısının getireceği stabilite problemleri göz önüne alınarak 4 kanatlı ve rotorlu quadcopter tipi bir döner kanat, İHA’nın görev koşullarını

optimum düzeyde karşılayacağı düşünülmüştür.

Quadcopter tarzı İHA’larda yaygınca kullanılan

“+” ve “x” konfigürasyonları arasından da gözlemler sonucu “+” konfigürasyonuna göre daha iyi manevra kabiliyeti sunan “x”

konfigürasyonunu kullanma kararı alınmıştır.

1.2 Takım Organizasyonu

1.3 İş Zaman Çizelgesi Planlanan ve Gerçekleşen

Şekil 1.1 X Konfigürasyonuna ait İHA’nın CAD Ortamında Üstten Görüntüsü

Şekil 1.2 Takım Organizasyon Şeması

Şekil 1.3 İş Zaman Çizelgesi

(3)

Kavramsal tasarım raporunda belirtilen ilk aşama olan araştırma ve ilk tasarım bölümü gerçekleştirilmiştir. İkinci bölümde ekipmanların seçimi ve mekaniksel tasarımın geliştirilmesi tamamlanmıştır. Uçuş kontrol kartı tasarımı Altium Designer programında tamamlanıp baskı devresi gerçekleştirilip testleri tamamlanmıştır. Kavramsal tasarım raporunda kontrol kartı ve güç kartı birlikte olacak şekilde bir tasarım gerçekleştirilmişti. Yapılan testler sonucunda aracın kontrol kartında oluşan yüksek akımın manyetometre ve diğer sensörleri etkilediği gözlemlenmiştir. Bunun üzerine güç kartı ve kontrol kartı ayrı olacak şekilde revize edilmiştir.

ESC donanım tasarımı yine Altium Designer programı üzerinde devam etmektedir. Üçüncü bölümde yer alan ilk imalat, montaj ve su alma bırakma mekanizmasının imalatı tamamlanıp gerekli testleri gerçekleştirilmiştir. Kontrol kartı yazılımı STM32 Cube IDE ortamında geliştirilmiştir. Otonom yazılımı ise Python dili kullanılarak yazılmıştır. Ara yüz tasarımı ve yazılımı C# dilinde geliştirilmiştir. ESC’nin STM32 Cube IDE ortamında geliştirme işlemleri ise devam etmektedir. Fırçasız elektrik motoru tasarımı ANYSY MAXWELL programı kullanılarak analizleri devam etmektedir. Dördüncü bölümde ise gerçekleştirilmesi gereken PID katsayı testleri başarılı bir şekilde gerçekleştirilip sistem için gerekli değerler elde edilmiştir. Dolu bir bataryanın aracı kaç dakika havada tutabileceğine dair testler de başarılı bir şekilde tamamlanmıştır. Tasarlanan hava aracının manuel ve otonom olarak testleri yapılmaktadır. Su alma bırakma mekanizma sistemi ve görevler için testler devam etmektedir. Bu testler sonucunda elde edilen veriler doğrultusunda gerekli düzenlemeler yapılmaktadır.

2.DETAYLI TASARIM

2.1 Tasarımın Boyutsal Parametreleri

No Parça Adı Ağırlık

(gram) Adet Toplam Ağırlık (gram)

1 Kanat 26 4 104

2 Batarya Paketleme Katmanı 39 1 39

3 Raspberry Paketleme Katmanı 11 1 11

4 AESK-PCB Paketleme Katmanı 20 1 20

5 Ayak 23 4 92

6 EMAX XA2212 1400 KV DC Motor 49 4 196

7 8045 Pervane 5.2 4 20.8

8 AESK Oto-Pilot Kartı 36.3 1 36.3

9 AESK Güç Kartı 77.2 1 77.2

10 Raspberry Pi 3B+ 53.2 1 53.2

11 JetFire 4200mAh Lipo Batarya 316.6 1 316.6

12 Görev Mekanizması Su Haznesi 125 1 125

13 Kamera 19.7 1 19.7

(4)

14 M3x10 Civata 0.85 16 13.6

15 M3x10 Aralayıcı 1.8 8 14.4

16 Kumanda Alıcısı 23.2 1 23.2

Toplam 1162

Şekil 2.1 İha Ağırlık Tablosu

No Parça Adı Ağırlık

(gram)

X uzaklığı (mm)

Y uzaklığı (mm)

Z uzaklığı (mm)

1 Kanat (4 Adet) 104 0 0 -15.4

2 Batarya Paketleme Katmanı 39 0 -0.85 -71.3

3 Raspberry Paketleme Katmanı 11 0 0.36 -31

4 AESK-PCB Paketleme Katmanı 20 0 0 -1

5 Ayak (4 Adet) 92 0 0 -176

6 EMAX XA2212 1400 KV DC Motor

(4 Adet) 196 0 0 12.3

7 8045 Pervane (4 Adet) 20.8 0 0 30.8

8 AESK Oto-Pilot Kartı 36.3 -4 1.5 27

9 AESK Güç Kartı 77.2 2.7 -1 6.5

10 Raspberry Pi 3B+ 53.2 14.5 0.35 24

11 JetFire 11.1V 4200mAh 40C Lipo

Batarya 316.6 0 0 -57.5

12 Görev Mekanizması Su Haznesi 125 0 0 -204

13 Kamera 19.7 -10 0 -57.5

14 M3x10 Civata (16 Adet) 13.6 0 0 -39

15 M3x10 Aralayıcı (8 Adet) 14.4 0 0 11.76

Toplam 1138.8 0.31 1.21 -70.92

Şekil 2.2 Malzeme Ağırlık ve Denge Tablosu Referans merkezi ve eksenler Şekil 1.1’de ve Şekil 2.3’ de verilmiştir.

2.2 Gövde ve Mekanik Sistemler

Tasarım yapılırken gövde ağırlığının uçuşa zorluk çıkarmaması ve stabil bir biçimde havada kalabilmesi için 600 gramdan az olması hedeflenmiştir. İHA gövdesinin üretimi için üretim süresi, kolaylığı ve dışa bağımlılığı azaltması sebebiyle 3 boyutlu yazıcıdan eklemeli imalat tercih edilmiştir. Filament seçimi yapılırken dayanım özelliği ve esnekliği sebebiyle PLA tipi filament seçilmiştir. Gözlemler sonucu gövdenin doluluk oranının getirdiği sağlamlık ve eklediği ağırlık oranı göz önünde bulundurularak %20 doluluğun optimal olduğuna karar kılınmıştır.

(5)

Düşünülen ilk tasarımda ortaya konulan gövdenin tek parçadan oluşması fikri, gövde üzerindeki bölgesel deformasyon ve kırılmalar durumunda bütün gövdenin tekrar üretilmesi durumunu ortaya çıkarması sebebiyle değiştirilmiş ve parçalı sisteme geçilmiştir.

İHA genel olarak 4 kanat ve 3 katmanlı bir gövdeden oluşmaktadır. Bu katmanlardan en altta konumlandırılmış olan batarya paketleme katmanının görevi, bataryanın İHA üzerinde sabit kalmasını, kameranın yerleştirilmesini ve su mekanizmasının drone ile olan bağlantısını sağlamaktır. Batarya paketleme katmanının en altta konumlandırılmasının sebebi ağırlık merkezini z ekseninde aşağıya çekmektir.

Şekil 2.3 İHA Gövdesinin CAD Ortamında İzometrik Görüntüsü

Batarya paketleme katmanının üstünde kanatlara sürgülü bir şekilde monte edilen bir Raspberry paketleme katmanı bulunmaktadır. Bu katman hızlı erişim sağlanabilmesi amacıyla cıvata somun bağlantısı kullanılarak monte edilmemiştir. Bu katmanın amacı Raspberry Pi ve modüllerini sabit tutmaktır. En üst katman, İHA’nın kanatları arasındaki bağlantıyı sağlama ve AESK tarafından tasarlanan Oto Pilot Kartı ve Güç Kartını sabit tutma görevlerini yerine getirmektedir.

Şekil 2.4 Tasarlanan İHA'ya Ait Teknik Resim

Ayak tasarımı yapılırken İHA’nın görev mekanizması eklendikten sonra güvenli bir şekilde yere inebileceği bir tasarıma gidilmiştir. Ayaklar sadece görev aşamasında İHA’ya sabitlenecek olup ilk görevde kullanılmayacaktır.

(6)

2.3 Aerodinamik, Stabilite ve Kontrol Özellikleri

Tasarımı yapılacak olan İHA için pervane seçimi yapılırken hesaplanan Reynolds sayısı için elde edilebilecek maksimum Cl/Cd oranı göz önünde bulundurulmuştur. Belirlenen kanat açıklığı, sahip olduğu Cl/Cd oranı ve kolay elde edilebilir olması sebebiyle 8045 kodlu pervane seçilmiştir. Seçilen pervanenin uygunluğunun kontrolü amacıyla pervane üzerinden kesitler alınarak STARCCM+ yazılımında simüle edilmiş olup simülasyon girdileri ve elde edilen sonuçlar aşağıdaki gibi kaydedilmiştir.

Tablo 2.1 Simülasyon Girdileri Tablo 2.2 1. Kesit için Analiz Sonuçları

Şekil 2.5 1. Kesitin Sürüklenme ve Kaldırma Kuvveti Katsayıları Grafikleri

Şekil 2.6 1. Kesit için Basınç ve Hız Gradyenleri

Tablo 2.3 2. Kesit için Analiz Sonuçları

Akışkan Hızı 127

Havanın Yoğunluğu 12,041

Türbülans Modeli 2D Spalart-

Allmaras Prism Layer Katman Sayısı 27 Prism Layer Stretching Değeri 1,05

Surface Growth Rate 1,05

(7)

Tablo 2.4 3. Kesit için Analiz Sonuçları

(8)

2.4 Görev Mekanizması Sistemi

Görev mekanizması 3 kısımdan oluşmaktadır. Bu kısımlar su haznesi, askı ipleri ve servo motor şeklindedir. Bu kısımlardan servo motor, batarya paketleme katmanı ile doğrudan bağlantılı olup su haznesi askı ipleri yardımıyla gövde ve servo motora bağlanmıştır.

Mekanizmanıın işleyişi şu şekildedir:

- Su haznesi İHA gövdesine yer ile belli bir açı yapacak şekilde iplerle bağlıdır. Bu sayede su yüzeyine iniş gerçekleştiği esnada su haznesine doğrudan su girişi başlar.

- Yeteri kadar su, su haznesine dolduğunda İHA gövdesine bağlı olan servo motor çalışmaya başlar.

- Çalışmaya başlayan servo motor taşıma gövdesi ile bağlantısını sağlayan ipi sarar ve gerginleşen ip su haznesini dik konuma getirir.

- Drone su boşaltma alanına doğru hareket etmeye başlar. Dikey konumdaki taşıma gövdesinin hareket esnasında su taşırmaması için üzerinde tam ortada konumlandırılmış bir kapak yapısı vardır.

- Drone su boşaltma alanına ulaştıktan sonra servo motor daha önceden sardığı askı iplerini serbest bırakır. Bu sayede taşıma mekanizmasının içindeki su boşaltılmış ve görev tamamlanmış olur.

Şekil 2.11 Gövde, Gövdeye Bağlı Görev Mekanizması ve Servo Motorun CAD Ortamında Görüntüsü

Şekil 2.12 Görev Mekanizmasında Kullanılacak Su Haznesinin ve Servo Motorun Resmi 2.5 Elektrik Elektronik Kontrol ve Güç Sistemleri

2.5.1 Oto Pilot Kartı: Yapılan hava aracının yerli ve milli olması göz önünde bulundurulduğundan Şekil 2.13’te verilen oto pilot kartı takımımız tarafından tasarlanmıştır.

Bu kartın üzerinde uçuş için gerekli olan IMU, barometre, manyetometre, GPS gibi sensörler bulunmaktadır. Sensörlerden gelen verilerin güvenirliliğini test etmek amacıyla kartta test noktaları da kullanılmıştır. Tasarlanan kartta STM32F407VGT6 mikrodenetleyicisi kullanılmıştır. Uzaktan haberleşmenin gerçekleştirilmesi için nRF24L01 kablosuz haberleşme modülü kullanılmıştır.

(9)

.

Şekil 2.13 Tasarlanan Oto Pilot Kartının 2 boyutlu ve 3 Boyutlu Gösterimi

Seçilen STM32F407VGT6 mikrodentleyicisine ait gerekli osilatörler ve bunlara bağlı kapasitörler referans kitapçıkları baz alınarak çizilmiştir. Sensörlerin, kablosuz haberleşme modülünün ve motorlara gidecek PWM değerleri için gerekli çevre birimine ait pinler STM32F407VGT6 mikrodenetleyicisinin referanslarına bakılarak ayarlanmıştır.

Şekil 2.14 Tasarlanan Oto Pilot Kartının Mikrodenetleyici ve Çevre Birimlerinin Bağlantısı Jiroskop ve İvmeölçer:

Kavramsal tasarım raporunda belirtilen oto pilot kartında bir adet IMU’nun kullanıldığı şematik paylaşılmıştır. Yapılan testler sonucunda ivmeölçerin titreşimden çok fazla etkilendiği gözlenmiş ve buna uygulanan dijital filtrelerin yeterli bulunmamıştır. Bu sebepten 2 farklı IMU

‘dan alınan veri ile bir çeşit filtreleme yapılmıştır. Seçilen IMU’lar MPU-6050 ve ICM-20689’dur.

Lehimlemede sıkıntı olduğu durumda modül olarak karta entegre edilecektir.

Barometre:

Kavramsal tasarım raporunda paylaşılan şematikte tek barometre kullanılmıştır. Yapılan uçuş testleri sonucunda bir adet daha barometre kullanılmasının gerçek veri açısından daha doğru olacağı anlaşılmıştır. LPS22HD’nin yanında MS5611-011BA03 sensörü eklenmiştir.

Lehimlemede sıkıntı olduğu durumda modül olarak BMP280 karta entegre edilecektir.

motor-1 motor-2 motor-3 motor-4 IMU-SCL IMU-SDA

M-SDA M-SCL

B-SCL B-SDA SWDIO

SWCLK Y1

32.768KHz/Crys tal Os c 0805

1pF 50V C1

0805 1pF 50V C3

GND

25MHz/Crys tal Os c Y2

GND

FB1

0805 2.2uF 50V C18

0805 2.2uF 50V C6

GND

GND GND

GND

NRST

0603 100nF 35V

C2 ^10K0 603

R1

NRST

GND

GPS-TX VDDA GND

0805 20pF 50V C5 0805 20pF 50V C4

1 2 3 BOOT1

1x3 PIN 10K

0 805

BOOT0 R2

GND

1 2 3 BOOT2

1x3 PIN 10K

0 805

BOOT1 R3

GND

BOOT0

BOOT1 BOOT1

BOOT0 NRST

3.3V

3.3V 3.3V

3.3V

3.3V 3.3V

3.3V

motor-1 motor-2 motor-3 motor-4 IMU-SCL IMU-SDA

B-SCL B-SDA ibus rx

GPS-RX

SWCLK SWDIO M-SCL M-SDA

USART-TX

B-INT EXT SPI SCK2

EXT SPI MISO2 EXT SPI MOSİ2

EXT SPI CS2

ibus rx USART-TX B-INT

EXT SPI CS2 EXT SPI MISO2 EXT SPI MOSİ2

EXT SPI SCK2

RB_RX

RB_TX GPS-TX

GPS-RX

RB_RX RB_TX GND

1 PE2 2 PE3 3 PE4 4 PE5 5 PE6 6 VBAT 7 PC13 8 PC14 9 PC15 10 VSS 11 VDD 12 PH0 13 PH1 14 NRST 15 PC0 16 PC1 17 PC2 18 PC3 19 VDD 20 VSSA

VREF+

21 22 VDDA 23 PA0 24 PA1 25 PA2 26 PA3 27 VSS 28 VDD 29 PA4 30 PA5 31 PA6 32 PA7 33 PC4 34 PC5 35 PB0 36 PB1 37 PB2 38 PE7 39 PE8 40 PE9 41 PE10 42 PE11 43 PE12 44 PE13 45 PE14 46 PE15 47 PB10 48 PB11

VCAP_1 49 50 VDD

PB12 51 PB13 52 PB14 53 PB15 54 PD8 55 PD9 56 PD10 57 PD11 58 PD12 59 PD13 60 PD14 61 PD15 62 PC6 63 PC7 64 PC8 65 PC9 66 PA8 67 PA9 68 PA10 69 PA11 70 PA12 71 PA13 72 VCAP_2 73 VSS 74 VDD 75 PA14 76 PA15 77 PC10 78 PC11 79 PC12 80 PD0 81 PD1 82 PD2 83 PD3 84 PD4 85 PD5 86 PD6 87 PD7 88 PB3 89 PB4 90 PB5 91 PB6 92 PB7 93 BOOT0 94 PB8 95 PB9 96 PE0 97 PE1 98 VSS 99 VDD 100 S1

STM32F407VGT6

1 3

4 2

BU1

Pus h Button

SCK-NRF MISO-NRF MOSI-NRF

CSN-NRF IRQ-NRF CE-NRF CE-NRF

CSN-NRF IRQ-NRF

SCK-NRF MISO-NRF MOSI-NRF

0603 100nF 50V C11

0603 100nF 50V C12

0603 100nF 50V C13

0603 100nF 50V C14

0603 100nF 50V C15

0603 100nF 50V C16

0603 100nF 50V C17

0603 100nF 50V C9

0603 1uF 50V C7

0603 10nF 50V C8

IMU-INT IMU-INT

M-INT M-INT

IMU-2-INT IMU-2-INT

EXT-ADC EXT-ADC EXT-ADC-2 VDDA

EXT-ADC-2

EXT USART TX EXT USART TX

EXT USART RX EXT USART RX

Ext Ana Pin1 EXT Ana Pin1

Ext Dig Pin 2 Ext Dig Pin 2 Ext Dig Pin1 EXT Dig Pin1 EXT-ADC-3 EXT-ADC-3

EXT-ADC-EXTINT EXT-ADC-EXTINT

EXT-TIMER EXT-TIMER 0603

4.7uF 50V C10

Ext Ana Pin3 EXT Ana Pin3

Ext Dig Pin 3 Ext Dig Pin 3 Servo-PWM Servo-PWM

S4 S5

S8 S9

S2 S3

S6 S7

(10)

Manyetometre: Kavramsal tasarım raporunda kullanılan manyetometrede yapılan araştırmalar sonucunda çok hassas olduğu gözlemlenmiş, oto pilot kartındaki manyetik alandan etkilenmesinden dolayı gauss değeri daha düşük olan HMC5883L manyetometresi tercih edilmiştir. Lehimlemede sıkıntı olduğu durumda modül olarak karta entegre edilecektir.

GPS: Yarışmada yapılacak görevler doğrultusunda GPS verilerine ihtiyaç vardır. Bunun için Quectel firmasına ait L86-M33 GPS’i seçilmiştir. Bu sensörden elde edilecek veriler doğrultusunda hava aracının istenilen yörüngede hareket ettirilmesi amaçlanmaktadır. UART haberleşme protokolü ile oto pilot kartı haberleşmesi gerçekleşmektedir.

Şekil 2.15 Tasarlanan Oto Pilot Kartında Kullanılan Sensörlerin Bağlantı Şeması Tasarlanan kontrol kartında ESC’lere ve su alma bırakma mekanizmasına gidecek PWM sinyalleri için gerekli çıkışlar verilmiştir. Aynı zamanda uzaktan haberleşme yapabilmek için NRF24L01 modülü kullanılmıştır. Hava aracını manuel kullanabilmek için Flysky firmasına ait kumanda alıcısı kullanılmıştır. Otonom görevler için Rapberry Pi 3 B+ modeli tercih edilmiştir.

Kart için yazılan kodların işlemciye atılabilmesi için ST-LINK bağlantı pinleri çıkarılmıştır.

Şekil 2.16 Tasarlanan Oto Pilot Kartının Genel Çıkış Pinleri

B-SCL

B-SDA

GND

BAROMETRE-1

MPU-6050

GND IMU-SCL

IMU-SDA GND

CLKIN 1

FYSNC 11

9 AD0 23 SCL 24 SDA 2 NC2 3 NC3 4 NC4 5 NC5 14 NC14 15 NC15 16 NC16 17 NC17

VDD 13 VLOGIC 8 INT 12 REGOUT 10 CPOUT 20 AUX_CL 7 AUX_DA 6 RESV 19 RESV 21 RESV 22

EXP 25 GND 18 IMU1

IMU GND

L86-M33

GND GPS-RX

GPS-TX GND

GND

4.7K 0 805

R7 4.7K 0 805

R8

0805 2.2nF 50V C24

GPS-TX 3.3V

3.3V 3.3V

3.3V

B-SCL

B-SDA

GPS-RX IMU-SCL

IMU-SDA

IMU-INT

B-INT

GND

NRST 10 RESET EX_ANT 11

FORCE_ON 7

VCC 4 V_BCKP 5 1PPS 6 AADET_N 8 RXD1 1 TXD1 2 GND 3 GND 12 9 NC

Vdd_IO1 SCL/SPC2

Reserved 3

SDA/SDI/SDI/SDO 4

SDO/SA0 5

CS6

INT_DRDY7

8 GND 9 GND 10 VDD

MAGNETOMETRE

3.3V

GND GND

M-INT GND

M-SDA M-SCL

0603 100nF 50V C29

0603 100nF 50V C28

0603 100nF 50V C25

0603 100nF 50V C23

0603 100nF 50V C26

0603 10nF 50V C22

IMU-2

0603 10nF 50V C40

GND 0603

470nF 50V C43 3.3V

0603 100nF 50V C41

0603 220nF 50V C42

10K 0 603

R10

M-INT

M-SDA

M-SCL

M-SCL GND

GND

IMU-2-INT

3.3V

0603 100nF 50V C44

GND 10K

0 603

R30

10K 0 603

R32

3.3V IMU-SCL IMU-SDA IMU-SDA

IMU-SCL 3.3V FSYNC

11 22 NCS

SCL/SCLK 23

SDA/SDI 24

AD0/SDO 9

VDDIO 8 VDD 13 REGOUT 10 INT 12

GND 18 IMU2

ICM-20689

4 CSB 5 CSB 2 PS 8 SCLK

SDI/SDA 7

VDD 1 SDO 6 GND 3 BAR1

MS561101BA03-50 3 NC@1

5 NC@2 6 NC@3 7 NC@4 14 NC@5 10 C1

GND@1 9

GND@2 11

VDD 2 VDDIO 13 S1 4 SCL 1 SDA 16 SETP 8 SETC 12 DRDY 15 mag1

hmc5883

M-SDA

3.3V

BAROMETRE-2

M-SDA M-SCL

3.3V 10K 0 603

R9 3.3V

0603 10uF 50V C27

1K 0 603

R39^1K0 603

R12 5.6K 0 603

R11

GND 0603

100nF 50V C20

0603 220nF 50V C21 0603

4.7uF 50V C19

2.2K 0 603

R4 2.2K 0 603

R5

4.7K 0 603

R14 4.7K 0 603

R13

GND

ESC PWM PİNLERİ

KUMANDA ALICISI

ibus rx 1

3 2 4 J1 GND

470R 0 805 R17

GND ibus rx

USART-TX USART-TX 5V

12 ^LED2

SERVO MOTOR PWM

5V 5V 5V 5V 5V GND

RB_TX RB_RX

Raspberry Pi ST-LINK

GND 5V

GND SWCLK SWDIO NRST

1 2 3 4 5 P1

Header 5 3.3V

470R 0 805 R28 GND

RB_TX RB_RX SWCLK

SWDIO NRST 1 2

LED1 1

3 2 4 J2 1

2 3 P2

1x3 PIN

1 2 3 P4

1x3 PIN

1 2 3 P5

1x3 PIN

1 2 3 P6

1x3 PIN

1 2 3 P12

1x3 PIN motor-4 motor-4

motor-3motor-3 motor-2 motor-2 motor-1motor-1

GND

Servo-PWM Servo-PWM GND

GND

GND 3.3V

CE-NRF CE-NRF

CSN-NRFCSN-NRF SCK-NRF SCK-NRF

MOSI-NRF MOSI-NRF MISO-NRF MISO-NRF IRQ-NRFIRQ-NRF

NRF

0805 100nF 50V C45

0R 0 805 R6 8 IRQ 4 CSN

VDD 2

CE 3

SCK 5

MISO 7 MOSI 6

GND 1

U

NRF24L01P-MODULE-PCB

1 2 P16

Header 2 1 2 P17

Header 2 1

2 P15

Header 2

(11)

Tasarlanan kontrol kartında sonradan ihtiyaç duyulabilecek ekstra sensörler ve diğer ihtiyaçlar için pinler ayrılmıştır. Bu pinlerde gerekli haberleşme hatları, analog ve digital pinler mevcuttur.

Güç kartından gelen batarya gerilimini ESC, Raspberry Pi, kumanda alıcısı ve servo motorun kullanabilmesi için 5 Volt’a dönüştüren MP1548EN regülatörü kullanılmıştır. İşlemci ve sensörlerin beslenmesi için gerekli olan 3.3 Volt’u sağlamak amacıyla da ZLDO1117 regülatörü tercih edilmiştir.

Şekil 2.17 Tasarlanan Kartın Güç Besleme Şeması

2.5.2 Güç Dağıtım Kartı: Takımımız tarafından bataryadan gelen gerilimi ESC’lere iletmek için güç dağıtım kartı çizilmiştir. Batarya voltajını ve çekilen akımı ADC olarak okuyabilmek için oto pilot kartındaki uygun pinlere headerlar ile geçiş yapılmıştır. Oto pilot kartıyla aynı boyutlarda olup distance ve headerlar ile birbirlerine bağlanmıştır.

Şekil 2.18 Tasarlanan Güç Kartının Şematik Dosyaları

Şekil 2.19 Tasarlanan Güç Kartının Şematik, 2B ve 3B Görüntüleri

0805 100nF 50V C34 0805 10uF 50V C33

0805 100nF 50V C36 0805 10uF 50V C35 470R

0 805

R35

GND

+12V 5V

0805 100nF 50V C39 0805 10uF 50V C38 0805

10uF 50V C37

470R 0 805

R36

GND

5V 3.3V

IN_1 IN_2

OUT_1 OUT_2 GND GND

GND GND M1

DC-DC Conv(0.8V-18V&3A)

GND

1

OUT 2 3 IN

OUT 4 U1

ZLDO1117G50TA

12

LED3

12

LED4

5V-3.3V REGÜLATÖR

0805 100nF 50V C34 0805 10uF 50V C33

0805 100nF 50V C36 0805 10uF 50V C35 470R

0 805

R35

GND

+12V 5V

0805 100nF 50V C39 0805 10uF 50V C38 0805

10uF 50V C37

470R 0 805

R36

GND

5V 3.3V

IN_1 IN_2

OUT_1 OUT_2 GND GND

GND GND M1

DC-DC Conv(0.8V-18V&3A)

GND

1

OUT 2 3 IN

OUT 4 U1

ZLDO1117G50TA

12

LED3

12

LED4

12V-5V REGÜLATÖR

5V-3.3V REGÜLATÖR

+12V

GND GND GND GND GND

1 1 2 2 J2

XT60PW-M

1 1 2 2 J3

XT60PW-M

1 1 2 2 J4

XT60PW-M

1 1 2 2 J5

XT60PW-M 1 1 2 2 J1

XT60PW-M

1 2 P1

Header 2 1 2 P2

Header 2

1 2 P5

Header 2 1 2 P3

Header 2

1 2 P6

Header 2

+12V +12V

+12V

1 2 P7

Header 2 +12V

+12V

GND

EXT-ADC-3

10K 0 805

R2 27K 0 805

R1

1 2 P8

Header 2 +12V ESC

ESC

ESC ESC

ESC

EXT-ADC-3

1 2 P9

Header 2 ACS-ADC

EXT-ADC-3 EXT-ADC-3

1206 1uF 25V C6

1206 1uF 25V C8

1206 1uF 25V C9

1206 1uF 25V C13

1206 1uF 25V C15

1206 1uF 25V C16

1206 1uF 25V C18

1206 1uF 25V C21

1206 1uF 25V C19

1206 1uF 25V C20

1206 1uF 25V C3

1206 1uF 25V C4

1206 1uF 25V C7

1206 1uF 25V C5

1206 1uF 25V C11

1206 1uF 25V C12

1206 1uF 25V C10

1206 1uF 25V C14

1206 1uF 25V C17

1206 1uF 25V C22 GND

GND

ACS-ADC

5 IP+

6 IP-

VCC 1 VIOUT 3

NC 4 NC 7 GND 2 U1

ACS72981LLRATR-100B5

GND GND

ESC +12V ESC

5V

ACS-ADC

GND ACS-ADC

0805 100nF 50V C1

0805 100nF 50V C2

+12V +12V +12V

+12V +12V

1 2 3 P4

Header 3 +12V +12V

GND

(12)

2.5.2 Skywalker 30A ESC Fırçasız Motor Kontrol Sürücü Devresi:

Takımımız tarafından tasarlanan ESC de sıkıntı çıkması durumunda bu ESC’nin kullanılması planlanmaktadır. 30 Amperlik(A) bir ESC’dir.

Seçilen batarya ve motorlar için gerekli parametreleri sağlamaktadır.

Şekil 2.20 Seçilen ESC

2.5.3 Emax XA2212 BLDC Motor: Takımımız tarafından tasarlanan motorlarda sıkıntı çıkması durumunda kullanılması planlanmaktadır.

Maksimum 21 A çekmektedir. RPM/V 1400 değerindedir. Sistem için

gerekli parametreleri sağlamaktadır. Şekil 2.21 Seçilen Motor

2.5.4 Batarya: Jetfire 4200mAh 40C 3S Li-Po batarya seçilmiştir. Motorlar ve ESC’ler ile uyumlu çalışmaktadır.

Şekil 2.22 Seçilen Batarya 2.5.5 Kumanda ve Alıcısı: Flysky FS-I6X 10 kumanda ve alıcısı

seçilmiştir. I-BUS protokolü ile tasarlanan oto pilot kartı ile haberleşmektedir.

Şekil 2.23 Seçilen Kumanda ve Alıcısı 2.5.6 Sigorta ve Akım Kesici: 80 Amperlik sigorta ve IC118 akım

kesicisi kullanılmıştır.

Şekil 2.24 Seçilen Sigorta ve Akım Kesici 2.5.7 Servo Motor: SG90 servo motor Görev-2 için seçilmiştir. Görev için gereksinimleri karşılamaktadır.

Şekil 2.25 Seçilen Servo Motor 2.5.8 Raspberry Pi 3 B+: Otonom görevleri gerçekleştirebilmek ve görüntü

işleyebilmek için Raspberry Pi seçilmiştir.

Şekil 2.26 Seçilen Raspberry Pi 2.5.9 Uzaktan Haberleşme Modülü: NRF24L01+PA+LNA 2.4Ghz

kablosuz haberleşme modülü kullanılmıştır. Tasarlanan ara yüze haberleştirilerek verileri gönderilmesini sağlamaktadır.

Şekil 2.27 Seçilen Modül

(13)

2.6 Hedef Tespit ve Tanıma Sistemi

Yük bırakma alanının tanınması ve otonom kontrolü sağlama gibi işlemler için gerekli algoritmalar Python dilinde geliştirilmiştir. OpenCV ve yanında başka kütüphaneler ile görüntü işleme tekniği kullanılmıştır. Yük bırakma alanının tanınması için, alana ait bir öznitelik olan renk parametresi kullanılmıştır. Her bir pikselin HSV renk uzayındaki sayısal tanımlamaları işlemciye bildirildikten sonra HSV renk uzayında 3 parametre için de alt ve üst sınırların belirlenmesiyle maske oluşturulmuş ve gerekli

alan tanıması gerçekleştirilmiştir. Maskeleme işlemi neticesinde İHA’yı, konumu belirlenen alana yöneltecek şekilde motor sinyalleri oluşturulmaktadır. Donanım olarak üzerinde 1.2 GHz 4 çekirdekli 64-bit ARM Cortex-A53 işlemci bulunduran Raspberry Pi Model 3 B+

tercih edilmiştir. Kamera seçiminde ise, kullanılan donanım dikkate alınarak, ECON Cam 3-C tercih edilmiştir. Yük bırakma alanının tanınmasının yanı sıra yük bırakma

alanında İHA’nın irtifasını alçaltmak ve sabit Şekil 2.28 Hedef Tespit Algoritması değerde tutabilmek için Uçuş Kontrol Kartına konumlandırılmış vaziyette bulunan LPS22HD ve BMP280 basınç sensörleri kullanılmıştır.

2.5 Uçuş Performans Parametreleri

İnsansız hava aracının uçuş performans parametlerinin hesaplanmasında çok fazla bağıl etken kullanılması nedeniyle profesyonel programlar yardımıyla hesaplanan parametreler aşağıdaki gibi verilmiştir.

Şekil 2.31

Şekil 2.29 Şekil 2.30

(14)

İnsansız hava aracının toplam ağırlığı 1450 gram olarak hesaplanmıştır. Batarya olarak ise LiPo 4200mAh 40C batarya kullanılacaktır. Motor seçimi ise EMAX XA-2212 1400 kV olmuştur. Kullanılacak pervane ise GemFan 8045 olarak belirlenmiştir. Verilen parametreler programda işleme sokulduğunda insansız hava aracının çoğu ölçütü gözlenmektedir.

Şekil 2.32 İnsansız Hava Aracı Parametleri Tablosu

Şekil 2.33 Uçuş Süresi Grafiği Şekil 2.34 Tam İtki Durumunda Motorun Özellikleri

Şekil 2.35 Maksimum Lift Katsayısı Bulunması İçin Pervanenin Analiz Verileri

(15)

Şekil 2.36 Hesaplanan Stall Hızı ve Hesaplanması İçin Kullanılan Pervanenin CAD Verisi İnsansız hava aracının stall hızı 30 santigrat derecede 5 metre yüksekliğinde uçurulması durumunda 13.8 Km/h olarak hesaplanmıştır.

Şekil 2.37 Görev 1 Tamamlama Süresi Grafiği

İnsansız hava aracının Görev 1’ de katetmesi gereken toplam mesafe kabaca 460 metre olarak hesaplanmıştır. İnsansız hava aracının 75 km/h hız yapması durumundan başlanarak 1 km/h hızda seyredilmesine kadar Görev 1 tamamlama süresi grafiği oluşturulmuştur.

2.6 Hava Aracı Maliyet Dağılımı

Maliyet tablosu Şekil 2.38’de verilmiştir verilmiştir.

No Parça Adı Birim Fiyatı

(TL)

Miktarı Toplam Fiyatı (TL)

1 Nrf24L01+PA Wireless Modül 19,00 8 152

2 Raspberry Pi Kamera Modülü V2

322,1675 2 644,335

3 4-pinli JST SM Konektör Seti 17,3952 2 34,7904 4 NRF24L01 + PA + LNA SMA

Anten

25,04909 4 100,19636

5 3A Mini Ayarlanabilir Voltaj Düşürücü Regülatörü

10,00224 20 200,0448

0 500 1000 1500 2000

75 60 50 40 30 20 10 5 1

Saniye Cinsinden Geçen Zaman

Km/h Cinsinden Hız

Görev 1 Tamamlama Süresi

(16)

6 HMC5883L 3 Eksen Pusula Sensörü - GY-271

33,92064 6 203,52384

7 8045 Drone Pervanesi Seti CW/CCW - Siyah

12,1484 24 291,5616

8 EMAX 2212 1400KV Fırçasız DC Motor

76,17 4 304,68

9 Gemfan 8045 Karbon Drone Pervanesi

29,58 6 177,48

10 11.1V 5200mA 3s Lipo Pil 341,50 2 683

32,66 4 130,64

12 EMAX 2212 1400KV Fırçasız DC Motor

84,10 4 336,4

13 A221Z 1400KV Fırçasız Motor 1400KV

46,20 10 462

33,60 34 1142,4

15 F330 Drone Gövdesi 83,64 2 167,28

16 Titreşim Engelleyici 32,80 2 65,6

17 XT60 konnektör 22,0340 10 220,34

18 Skywalker 30A ESC 174,5763 4 698,3052

19 EMAX 2212 1400KV DC Motor 110,1695 8 881,356

20 EMAX 2212 1400KV DC Motor 88,58 8 708,64

21 11.1V 4200mAh 40C Lipo Batarya 3S Pil

395,60 1 395,60

22 NRF24L01+PA+LNA 25,75 2 51,50

23 Skywalker 30A ESC 174,80 1 174,80

24 Hytech HY-X104 0.25A 2A Type-C Beyaz Şarj Kablosu

25,4237 1 25,4237

25 STM32F407 Discovery Kit 303,36 4 1212,44

26 Stm32f103 Geliştirme Kartı 112,14 1 112,14

27 L86 GPS/GNSS Modül 70,01 6 420,06

TOPLAM 9996,527

Şekil 2.38 Maliyet Tablosu

(17)

2.7 Yerlilik

OTO PİLOT KARTI: Yerli ve milli olarak tasarlanmıştır. Elektrik elektronik kontrol ve güç sistemleri kısmında şematik ve baskı devre kartı görüntüsü paylaşılmıştır. Kartın ve kartın lehimlenmesine ait görüntüler uçuş videosunda paylaşılmıştır. Şematik ve PCB Altium dosyaları ayrıca karta ait fotoğraflar bağlantı ile paylaşılmıştır.

OTO PİLOT YAZILIMI: Takımımız tarafından tasarlanan oto kontrol kartının yazılımı da takımımız tarafından yapılmaktadır. Seçilen STM32F407VGT6 işlemcisine STM32 Cube IDE geliştirme ortamında C dilinde yapılmış olup kütüphaneleri tarafımızca yazılım geliştirilmesi yapılmıştır. Sensörlerden okunan değerleri sensör füzyon yapabilmek için 3 yöntem üzerinde durulmuştur. Bunlar Madgwick Ahrs, Tamamlayıcı (Complementary), ve Kalman filtre uygulanmıştır. Kontrol yöntemi olarak Pid yöntemi kullanılmıştır. Kodlar bağlantıda paylaşılmıştır. Kontrol yöntemini denemek için birçok test düzeneği denenmiştir.

Arayüz Tasarım ve Yazılımı: Yer istasyonu yerli olarak tasarlanmıştır. C# kullanılarak tasarlanan istasyonumuzda hava aracından gelen GPS verileri, Roll, Pitch, Yaw açıları, barometre verileri ve motor duty değerleri Şekil 2.39’da gösterilmektedir. GPS üzerinden gelen veriler soldaki haritada drone hareket ettikçe bir çizgi ile takip edilmektedir. Sağdaki haritada ise otonom uçuş için hazırladığımız rotanın koordinatları kodlanılan algoritma sayesinde sırası ile hava aracına gönderilmektedir. Bu sayede hava aracı belirli koordinatlara otonom bir şekilde uçuş gerçekleştirebilmesi amaçlanmıştır. Ayrıca tüm uçuş verilerimiz 150 ms’lik periyotta .txt dosyasına kaydedilmektedir. Arayüz ile alıcı kartı arasındaki haberleşmenin sağlanması için paket yapısı oluşturulmuştur. Bu paket yapısında oluşturulan başlık bilgisi ve CRC hata kontrol hata algoritması kullanılarak haberleşmenin düzgün bir biçimde gerçekleştirilmesi sağlanmaktadır. Alıcı kartı ile oto kontrol kartının haberleşmesi için ise nRF24L01+PA+LNA 2.4Ghz kablosuz haberleşme modülü kullanılmıştır. Ek olarak Şekil 2.39’de görüldüğü üzere PID kontrol katsayıları arayüz üzerinden güncellenebilmektedir. Gelen Roll, Pitch ve Yaw açılarını buradaki grafiklerde, integral ve kontrol sinyal verileri ile karşılaştırıp detaylı bir şekilde inceleme yapılabilmektedir. Kavramsal tasarımdan farklı olarak PID ayarlanması ve grafikler eklenmiştir. Arayüz yazılımının kaynak koduna bağlantıdan ulaşılabilir.

Şekil 2.39 Tasarlanan Arayüzün Birinci ve İkinci Sayfası