Arduino Geliştirme Kartı ile Döner Kanatın Kontrolü ve Kontrol Yazılımlarının Geliştirilmesi
Emre Kıyak
1, Gökhan Göl
21
Havacılık Elektrik ve Elektroniği Bölümü Anadolu Üniversitesi, Eskişehir
ekiyak@anadolu.edu.tr
2
Havacılık Elektrik ve Elektroniği Bölümü Anadolu Üniversitesi, Eskişehir
gokhangol@anadolu.edu.tr
Özetçe
Bu çalışmada son zamanlarda oldukça popüler olan Arduino geliştirme kartı ile döner kanat diye isimlendirilen 4 rotorlu insansız hava aracının PID (oransal kazanç, integral kazancı, türev kazancı) kontrol tekniği ile kontrol algoritması oluşturulmuştur. Dizayn edilen aracın çeşitli algılayıcılarından alınan verilere Kalman Filtresi uygulanarak algılayıcı verilerinin filtrelenmesi sağlanmıştır. Oluşturulan kontrol algoritması yazılım kodu haline getirilmiş Arduino Ide programı vasıtasıyla derlenip geliştirme kartına aktarılmıştır.
Hava aracının kontrolü için kullanılan IMU (Inertial Measurement Unit) algılayıcısından alınan veriler Kalman Filtresi kullanılarak gürültüden arındırılmış ve kullanılabilecek hale getirilmiştir. Ayrıca döner kanat üzerine GPS, gaz, sıcaklık, güneşlenme derecesi ve nem algılayıcıları konularak algılayıcı istasyonu oluşturulmuştur. Hava aracından iletilen gerçek zamanlı verilerin C# yazılım dili kullanılarak tasarlanan arayüzde simüle edilmesi sağlanmıştır.
Abstract
In this study,control algorithm of arduino devolopment board which is quite the popular recently and 4-rotor unmanned aerial vehicle called ‘quadrocopter’ is created with PID (proportional gain, integral gain, derivative gain) control technique. Filtering the sensor data is provided by applying Kalman Filter to the data received from the various sensors of designed vehicle. The formed control algorithm is transformed to development board by compiling via Arduino Ide which is converted into a software code. The data obtained from the sensor IMU that is used to control the vehicles is purified of noise and made to be used. Also, sensor station has been created by embedding GPS, gas, temperature, insolating degree and humidity sensor on the quadrocopter. Real-time data transmitted from the aircraft is provided to simulate the interface designed by using C# software language.
1. Giriş
İnsansız hava aracı (İHA) hava akımı ve tahrik kuvvetlerinden yararlanarak uçabilen yerden kumanda edilen ya da otonom yani belli bir uçuş planı üzerinden otomatik hareket eden, uçuş için içerisinde bir pilota ihtiyaç duymayan hava aracı tipidir.
İHA'lar avuç içi büyüklüğünden, kanat açıklığı 20 m boyu 10 m’lere ulaşan ebatlarda farklı amaçlar için kullanılabilecek şekilde olabilmektedirler. Elden atılan modellerinin yanı sıra elektrik motoru, jet motoru ya da piston motoru kullanan modelleri de mevcuttur. Kullanım alanlarına göre yükselebilecekleri irtifa değerleri de değişmektedir.
Menzillerine ve kullanılan motor tipine göre İHA’lar arasında sınıflandırmalar yapılmıştır [1]. Günümüzde İHA kategorisi içerisinde dikey iniş-kalkış yapabilmesinden, basit yapısından ve havada asılı kalmasından dolayı multikopter sistemleri daha çok rağbet görmektedir. Multikopter sistemleri çok motorlu insansız hava araçları olarak tanımlanır. 3-4-6-8 motorlu üretilen multikopterler kararlı uçuşlar ve özellikleri sayesinde izleme, arama kurtarma ve savunma alanında İHA’lar arasında ilk sıralarda yerini almaya başlamıştır.
Özellikle döner kanat üzerine yapılan çalışmalar bu sistemler içerisinde fazlalık göstermektedir.
Döner kanat dikey iniş kalkış yapabilen, havada asılı kalabilen, manevra kabiliyeti yüksek, kontrol sistemi karışık olmasına rağmen yapısal olarak basit 4 rotorlu, motorların üretmiş olduğu tahrik kuvvetinden yararlanarak pervaneleri vasıtasıyla taşıma kuvveti oluşturan döner kanatlı insansız hava aracıdır [2]. Özellikle son birkaç yıldır sivil ve askeri alanda kullanılan döner kanatlar birçok akademik çalışmaya konu olmakta ve hobi amaçlı kullanımları artmaktadır. Film çekimlerinde, hava fotoğrafçılığında, ambulans hedef ve sahil güvenlik uygulamalarında kullanılan döner kanatların en fazla maliyete sahip malzemesi kontrol kartıdır.
İlk döner kanat benzeri hava aracı tasarımı 1920 yılında algılayıcı algılayıcılar olmadan ve motorların aynı devirde dönmesi sağlanarak yapılmıştır [3]. İlk robotik döner kanat uygulaması ise Pounds tarafından geliştirilmiş ve devamında bu alanda birçok çalışma yapılmıştır [4, 5]. İşlemciler ve
mikro elektronik üzerine yapılan çalışmaların artmasıyla Amerika Havacılık Endüstrisi 8 bitlik PIC (Peripheral Interface Controller) tabanlı mikrokontrolcü kullanarak MEMS (Mikro Electro-Mechanic Systems) teknolojisi ile üretilmiş algılayıcılardan alınan verilere göre quadrokopterin dengeli bir şekilde uçmasını sağlamıştır [6]. Döner kanatı dengede ve sabit tutabilmek için geliştirilen bir başka çalışmada Harmel ve arkadaşları geri-bildirim kontrol yöntemi kullanmış ve sonuçlarını gözlemleyebilmek için bir simülasyon programı geliştirmişlerdir [7]. Tek bir döner kanat üzerinde birden fazla kontrol yöntemleri deneyen Bouabdallah ve arkadaşları PID ve LQ kontrol yöntemlerini OS4 adlı deney düzeneği üzerinde başarıyla uygulayarak dengeli bir uçuş elde etmişlerdir [8].
Bu çalışmada geliştirilen döner kanat uçuş kontrol kartı olarak kullanılan Arduino, Processing dili ile uygulamaların oluşturulduğu söz diziminin C/C++ ve Java diline benzediği fiziksel programlama platformudur. Son zamanların en popüler geliştirme kartı olan Arduino ucuzluğu ve kolay programlanabilirliği sayesinde her alanda dikkat çekmektedir.
Bu çalışma kapsamında bir adet döner kanat sadece motor ve motor sürücü devreleri (Electronic Speed Controller) hazır olmak şartı ile baştan sona Anadolu Üniversitesi atölyelerinde imal edilmiştir. Üretilen döner kanat Şekil 1’de gösterilmektedir. Döner kanat yapımında en fazla maliyete sahip olan hazır kontrol kartı yerine son zamanların en popüler geliştirme kartı olan Arduino Nano kullanılmıştır.
Ayrıca döner kanatın dengesini sağlamak için gerekli olan dönüölçer ve ivmeölçer algılayıcıları ile yön tayininin yapıldığı pusula algılayıcısını barındıran bir adet IMU kullanılmış ve IMU algılayıcısından alınan verilere Kalman Filtresi uygulanmıştır. Bu çalışma kapsamında geliştirilen döner kanatın kontrolü için gerekli yazılım PID kontrol tekniği kullanılarak Arduino yazılım dili ile geliştirilmiştir.
Döner kanattan aktarılan anlık veriler geliştirilen ara yüzler sayesinde sürekli olarak gözlemlenmiştir. Böylece uçuşla ilgili parametrelerin kontrolü yapılmış, döner kanatın konumu anlık olarak izlenebilmiştir.
Şekil 1: Çalışma kapsamında üretilen döner kanat
2. Donanım
Multikopter sistemlerinde en büyük problem enerji kaynağının uzun süreli uçuşlar için yetersiz olmasıdır. Bu yüzden üretilecek döner kanatın, tanımlanan görevi yerine getirmesi için gerekli faydalı yükü taşıyabilmesi ve uzun süre uçabilmesi için gerekli motor, ESC ve pil seçimlerinin doğru bir şekilde yapılması gerekmektedir. Basit bir döner kanat üzerinde bulunması gereken malzemeler batarya, motor, pervane, ESC, kontrol kartı ve algılayıcı kartıdır.
2.1. Batarya
Genellikle multikopterlerde kullanılan enerji kaynakları doğadaki en hafif metal olan ve yoğunluğu (0.535 g/cm3) en düşük katı madde olarak bilinen lityum elementinden yapılan lion polimer pillerdir. Lion polimer piller, küçük hacimlerde daha fazla enerji depolama kapasitesine sahip olduklarından elektrikli hava araçlarında en fazla kullanılan pil çeşididir. Kg başına 720,000 Joule enerji depolama kapasitesiyle, piyasada en fazla kullanılan nikel metal hydride pillerden yaklaşık 430,000 Joule daha fazla enerji depolama kapasitesine sahiptir [9]. Lityum elementi su veya su buharı ile karşılaştığında tepkimeye girerek hidrojen açığa çıkarır ve ortamda oksijen bulunması halinde yanmaya başlar. Bunun dışında herhangi bir darbe sonucunda oksijen ile temasında yangın çıkartma riski vardır. Dolayısıyla kullanımı oldukça tehlikeli olan lion polimer piller, döner kanat üzerinde güvenli bir şekilde monte edilmelidir.
Projede kullanılan pil GensAce 4S1P 7000 mAh 40C pildir. Bu pilin tercih edilme sebebi aracın algılayıcı istasyonu olarak kullanılması için gerekli algılayıcıları taşıyabilecek motor verimlerinin, dört hücreli pil için en yüksek seviyede olmasıdır. Ayrıca uçuş süresinin uzun olması için kapasitelerinin 7000 mAh olması tercih edilmiştir.
Bu çalışma kapsamında üretilen döner kanatın malzeme ve pillerle ile toplam ağırlığı 1780 gr’dır. Motorların her biri
%100 gaz oranında 21 A akım çekmekte ve her bir motor 1212 gr itki sağlamaktadır. Yani 4 motor 84 A akım çekmekte ve toplam 4848 g itki sağlamaktadır. %100 gaz oranında çekilen bu akımı, pilin anlık olarak verebiliyor olması gerekmektedir. Kullanılan pilin anlık deşarj katsayısı (C katsayısı) 40 olduğu için pil anlık olarak 40x7 = 280 A akım verebilmektedir. Pil seçiminde bu özellik oldukça önemlidir.
Eğer pilin anlık akım verme kapasitesi motorların anlık akım çekme kapasitesinden az ise motorlar o gaz oranlarında gerekli itkiyi üretemeyeceklerdir. Ayrıca bu durumda pil de zarar görecektir.
Bu verilere göre döner kanatın maksimum uçuş süresi 7 dakika olarak hesaplanmıştır.
2.2. Motor
Elektrik motorları elektriğin manyetik alan özelliğini kullanarak elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren makinelerdir [10]. Bu çalışmada sessiz olmaları, fırçaların meydana getireceği sürükleme ve ısının ortadan kaldırılması ve verimlerinin yüksek olması sebebi ile fırçasız outrunner motorlar kullanılmıştır.
Kullanılan motor seçimi, döner kanatın ve taşınacak faydalı yükün ağırlığı ve motorun çektiği akım göz önüne alınarak yapılmıştır. Taşımayı sağlayacak en verimli motorun tespit edilmesi için %100 gaz oranında aynı itkiyi veren iki motor üzerinde statik itki testi yapılmıştır. Test sonuçları Şekil 2’de verilmiştir. Bu test neticesinde kullanılan motor Sunnysky 2814 700 KV tip motor olmuştur. Bu motor %100 gaz oranında 21 A akım çekerek 1212 g itki verebilmektedir.
Dört motordan alınan toplam itki 4848 g’dır.
Şekil 2: Farklı iki motora ait akım itki grafikleri.
2.3. Pervane
Hızın etkisiyle taşıma kuvvetini üreten taşıyıcı yüzeylere başka bir deyişle döner kanatlara pervane denir. Multikopterlerde anti tork etkisini ortadan kaldırmak için saat yönünde ve saat yönü tersine dönen pervaneler kullanılmaktadır. Pervane seçiminde en büyük kriter motorun parametreleridir. Özellikle motor etiketinde yazan 1 V başına RPM (Revolution per Minute) değerini veren KV değeri göz önüne alınan bir özelliktir. KV değeri küçük olan yani devir sayısı az olan motorlarda gerekli taşıma için daha büyük pervaneler kullanılmaktadır.
Bu çalışmada üretilen döner kanatta, motor seçimine uygun pervane seçimi farklı pervaneler ile yapılan akım-itki testleri göz önüne alınarak yapılmıştır. Bu testler sonucunda 12*45 pervane kullanılması tercih edilmiştir (Şekil 3).
Şekil 3: Pervane motor statik testi.
2.4. ESC (Electronic Speed Controller)
Fırçasız motorların hızını ayarlayan, hız kontrol ünitesidir.
Diğer bir ifade ile pilden aldıkları elektrik enerjisini, alıcının gaz kanalından aldığı sinyal ile sürerek motorlara ileten ve motor devrini kontrol eden hız kontrolcüleridir. Fırçasız motorlar, doğrudan pile bağlanamamaktadırlar. Bu yüzden motor hız kontrolü için ESC’ler kullanılmaktadır. Klasik motor hız kontrolü gerilim kontrolü ile yapılırken ESC ile fırçasız motorun hızı kontrol kartından gönderilen PWM sinyali ile yapılmaktadır. Yani motora pilden gönderilen enerji milisaniye mertebesinde belli aralıklarla kapatılıp açılmaktadır. Böylece gerilimin artırıp azaltılmasının meydana getirdiği ısı kayıpları ortadan kaldırılmıştır.
ESC seçimi motorun çektiği akım değerleri göz önüne alınarak yapılır. Motorun çekeceği maksimum akım değeri motorun teknik özelliklerinden tespit edilir ve bu değerin bir
üst kademesinde akım verebilen ESC seçimi yapılmalıdır. Bu projede üretilen döner kanat üzerinde kullanılan motorlar maksimum 21 A akım çekmektedir. Bu yüzden ESC tercihi 25 A olarak yapılmıştır. ESC seçiminde bir diğer parametre ise yenileme hızıdır. Yani ESC’nin motora 1 saniye de ne kadar sıklıkla veri gönderdiğidir. Bu yenileme frekansının yüksek olması döner kanatın kararlılığını ve tepki süresini artırmaktadır. Bu çalışmada Simonk yazılım yüklü 400 Hz yenileme frekansına sahip ESC tercihi yapılmıştır.
2.5. Kontrol Kartı
Bu çalışmada kontrol kartı olarak multikopter sistemlerinde kullanılan kontrol kartlarının pahalı olması ve son yıllarda hemen hemen her alanda kişinin ilgilendiği Arduino Nano kullanılmıştır. Oldukça ucuz ve küçük olan Arduino Nano üzerinde Atmel Atmega 168 mikro kontrolör bulunmaktadır.
Bu geliştirme kartı üzerinde, algılayıcılardan okunan verileri göndermek için kullanılan bir adet seri port, pusuladan verilerin okunduğu i2c protokolünü destekleyen bir adet haberleşme protokolü, alıcıdan alınan gaz sinyali için kullanılan iki adet harici kesme pini, ESC’lere sinyal göndermek için kullanılan 6 adet dijital PWM pini ve SPI (Serial Peripheral Interface) haberleşme protokolü için gerekli bağlantıların yapılacağı pinler mevcuttur.
Arduino geliştirme kartlarını programlamak için Arduino IDE kullanılır. Yazılım kodu C/C++ diline benzeyen Processing dili ile yazılmaktadır. Bu çalışmada hazırlanan döner kanat kontrol kodu ve algılayıcılardan okunan değerlerin yer istasyonuna aktarılması için gerekli yazılım Processing dili ile yazılmış ve Arduino Nano kartına Arduino Ide vasıtasıyla gömülmüştür.
2.6. Algılayıcı Kartı
Dizayn edilen algılayıcı kartı üzerinde döner kanatın kontrolü için kullanılan 10 serbestlik dereceli GY-80 IMU, konum bilgisinin alındığı GPS, algılayıcı istasyonu görevi için sıcaklık algılayıcısı, nem algılayıcısı, güneşlenme şiddeti ölçümü için foto direnç ve gaz algılayıcısı kullanılmıştır.
Algılayıcı ve kontrol kartı Şekil 4’de gösterilmiştir. Kullanılan IMU 3 eksende ölçüm yapabilen ivmeölçer, dönüölçer, pusula ve basınç algılayıcısından oluşmaktadır. IMU’dan alınan veriler uçuş kontrol kartına iletilmektedir. Diğer algılayıcılardan alınan veriler ise arduino mikro kartı üzerinden işlenip yer istasyonunda hazırlanan ara yüzlerde gösterilmektedir.
Şekil 4: Algılayıcı ve kontrol kartı
Döner kanatın kontrolü için gerekli olan ivmeölçer ve dönüölçer algılayıcısının birlikte kullanılma amacı birbirlerini tamamlamalarıdır. İvmeölçer algılayıcısı kuvvete karşı çok duyarlıdır ve en ufak titreşimlerde yüksek gürültü sinyalleri oluşturur. Ancak dönüölçer bu etkiye çok fazla maruz kalmamaktadır. Bunun yanı sıra ivmeölçer algılayıcısında kayma (drift) etkisi çok gözükmezken dönüölçer algılayıcısından okunan verilerde kayma mevcuttur. Bu iki özellik neticesinde bu algılayıcılar birbirlerinin eksiklerini tamamlayarak döner kanatın pozisyon bilgisini elde etmeye yardımcı olmaktadır.
3. Kontrol Yazılımı ve Ara yüzler
Döner kanatın kontrolü için gerekli yazılım Processing dili ile Arduino Ide üzerinden yazılmıştır. Basit bir döner kanatın bir kumanda ile kontrol edilebilmesi için ihtiyaç duyduğu temel girdiler kumanda sinyali, dönüölçer, ivmeölçer ve pusula bilgileridir. Kumanda sinyalleri sayesinde döner kanatın üç eksen üzerindeki yapacağı hareket belirlenmektedir.
Dönüölçer ve ivmeölçer algılayıcıları, döner kanatın üç eksendeki açısal hızını ve ivme bilgilerini vermektedir. Bu bilgiler döner kanatın bozucu etkilere karşı yere paralel durabilmesi için kullanılmaktadır. Pusula algılayıcısı manyetik kuzeye göre yön bilgisi vermektedir. Bu bilgi sayesinde döner kanat yön tayini yapabilmekte ve tanımlanan ön kısmına göre verilen komutları baş açısını ayarlayarak yerine getirmektedir.
Bunların dışında bu projede irtifa sabitleme görevi ve yükseklik bilgisinin elde edilmesi açısından barometrik basınç algılayıcısı da kullanılmaktadır. Döner kanat üzerine üstü kapalı olmayacak şekilde yerleştirilmesi gereken bu algılayıcı, üzerine etkiyen statik basıncı ölçerek deniz seviyesine göre irtifanın tespit edilmesi için kullanılmaktadır.
Döner kanat üzerinde kullanılan bu temel algılayıcılardan dönüölçer, ivmeölçer ve barometrik basınç algılayıcı analog, pusula ise dijital algılayıcıdır. Dış çevre şartlarından, titreşimlerden ve diğer elektronik cihazların meydana getirdiği elektromanyetik alandan etkilenen bu algılayıcılar oldukça hassastır. Bu yüzden algılayıcılardan ölçülen ve doğru olduğundan emin olunmayan veriler Kalman Filtresi ile gürültülerden arındırılarak kullanılmıştır. Bu çalışmada birbirlerinin eksiklerini tamamlayan ve döner kanatın denge kontrolü için kullanılan IMU algılayıcıdan alınan dönüölçer
ve ivmeölçer bilgileri Kalman Filtresi kullanılarak gürültülerden arındırılmıştır.
Kalman Filtresi yinelemeli olarak bir yandan bir durumun sürecini kestirirken/tahmin ederken, diğer yandan yapılan hatayı minimize eden bir formülasyondur. Yani sistemin önceki bilgileri ile giriş ve çıkış bilgilerini de kullanarak bir sonraki anın durum tahminini yapan ve sürekli hatayı minimize etme yönünde çalışan güçlü bir filtredir.
Bu çalışmada arduino nano kullanılarak algılayıcılardan 10 bitlik ADC (analog digital converter) vasıtasıyla analog değerler okunmuştur. Okunan akselerometre değerleri aşağıdaki formüller kullanılarak g cinsinden ifade edilmektedir.
yunuslama = (Adcx*Vref/1023-VzeroG)/Duyarlılık (1)
yatış = (Adcy*Vref/1023-VzeroG)/Duyarlılık (2) sapma= (Adcz*Vref/1023-VzeroG)/Duyarlılık (3)
Burada Adc x, y ve z eksenleri için ivme ölçer algılayıcılarından okunan analog değerleri, Vref ADC referans gerilimini, 1023 10 bitlik (210-1) ADC kullanımını, VzeroG algılayıcısının manuelinde yazan algılayıcının 0 g değerinde verdiği gerilim bilgisini, duyarlılık ise algılayıcının manuelinde yazan sensitivity değerini göstermektedir
Aşağıdaki formüller ise dönüölçer algılayıcısından okunan analog verilerin dönüş hızı cinsinden (derece/sn) nasıl ifade edileceğini göstermektedir. Bulunan bu açısal hızlar iki örnekleme arasında geçen süre ile çarpılırsa dönüş açısı elde edilmektedir.
Hızxz = (Adcxz*Vref/1023-VzeroRate)/Duyarlılık (4)
Hızyz = (Adcyz*Vref/1023-VzeroRate)/Duyarlılık (5) Hızxy = (Adcxy*Vref/1023-VzeroRate)/Duyarlılık (6)
Burada Hızxz Y ekseni etrafındaki dönüş hızını, Hızyz X ekseni etrafındaki dönüş hızını, Hızxy Z ekseni etrafındaki dönüş hızını, Adcxz, yz, xy dönüölçerden ADC vasıtasıyla okunan ilgili düzlemlerdeki algılayıcı çıktısını, Vref ADC referans gerilimini, 1023 10 bitlik (210-1) ADC kullanımını, VzeroRate algılayıcının manuelinden okunan ve herhangi bir dönme olayı olmadığında algılayıcının verdiği çıkış gerilimini, duyarlılık ise algılayıcının manuelinden okunan mV cinsinden çıkışın dönme hızına göre ne kadar arttığını gösteren değerdir.
İvme ölçer ve dönüölçer algılayıcısından okunan ve anlamlı hale getirilen bu veriler Kalman Filtresi’ ne sokularak gürültülerden arındırılır. Bu işlem şu adımlarla yapılmaktadır:
İvmeölçer algılayıcı verileri açı cinsine çevrilir.
Dönüölçer algılayıcı verileri açı cinsine çevrilir.
İvmeölçer açı bilgileri ile dönüölçer açı bilgileri karşılaştırılır.
Aradaki farka göre önceki ölçümlerde değerlendirilerek yeni çıkış elde edilir.
Şekil 5’ de Kalman filtresi uygulanmadan okunan ivme ölçer ve dönüölçer bilgisi bulunmaktadır.
Şekil 5: Kalman Filtresi uygulanmadan okunan IMU değerleri
Şekil 6’ da ise Kalman filtresinin uygulandığı IMU değerleri gösterilmiştir.
Şekil 6: Kalman Filtresi uygulanmış IMU değerleri.
Döner kanatın kontrol kodu PID kontrolcüsü kullanılarak yazılmıştır. Algılayıcılardan alınan ve Kalman Filtresi ile kullanılabilecek hale gelen bilgiler ve kumandadan gönderilen sinyallere göre döner kanatın hareketi PID denetleyici yardımıyla sağlanmıştır.
İvmeölçer ve dönüölçer algılayıcılarından alınan filtrelenmiş veriler ve kumanda sinyali yunuslama, yatış ve sapma kontrolü için ayrı ayrı PID denetleyicisine gönderilip denemeler sonucu belirlenen kazançlar yardımıyla PID çıktısı elde edilir. Bu çıkış, motorun kontrol edildiği Arduino pinlerine belli limitler içerisinde doğrusal olarak çevrilerek gönderilir ve motorların ilgili hareketi yerine getirmek için sürülmesi sağlanmış olur. Aynı zamanda kumanda üzerinde bulunan ayarlı butona uçuş esnasında PID katsayılarının değiştirilebilmesi için harici bir kanal atanmıştır. Bu sayede
bu çalışma kapsamında geliştirilen uçuş kontrol kodu ile farklı döner kanatların kontrolü sağlanabilmekte ve uçuş esnasında PID katsayıları değiştirilebilmektedir. Şekil 7’de PID kontrolcüsünün giriş ve çıkışları gösterilmiştir.
Şekil 7: PID kontrolcü giriş ve çıkış gösterimi
Bu çalışmada geliştirilen döner kanat üzerinde uçuş için gerekli algılayıcıların dışında konum belirlemek için GPS, algılayıcı istasyonu çalışması için sıcaklık, nem, güneşlenme şiddeti ve gaz algılayıcıları da bulunmaktadır. Bu algılayıcılardan alınan bilgiler RF (radio frequency) haberleşme modülleri kullanılarak yer istasyonunda C# dili ile geliştirilen ara yüzlerde gösterilmektedir. Bu sayede hem döner kanatın anlık kontrolü sağlanmakta ve de algılayıcı istasyonu görevi yerine getirilmektedir. Ayrıca hazırlanan ara yüz ileriki çalışmalarda yer istasyonundan döner kanata otomatik uçuş için uçuş yolu (waypoint) güzergahı da gönderebilmektedir. Aynı zamanda bu harita üzerinden de seçilebilmektedir. Bu çalışma kapsamında hazırlanan ara yüz Şekil 8’de gösterilmektedir.
Şekil 8: Telemetri arayüzü
4. Sonuçlar
Bu çalışmada Arduino geliştirme kartı ile döner kanat diye isimlendirilen 4 rotorlu insansız hava aracının PID kontrol tekniği ile kontrol algoritması oluşturulmuş, dizayn edilen aracın çeşitli algılayıcılarından alınan verilere Kalman Filtresi uygulanarak algılayıcı verilerinin filtrelenmesi sağlanmış, çeşitli algılayıcılardan alınan veriler işlenerek RF haberleşme modülleri ile kablosuz olarak yer kontrol istasyonunda çalışma kapsamında geliştirilen nesne tabanlı ara yüzde gösterilmiştir.
Döner kanatın uçabilmesi için gerekli PID kazançları deneme yanılma yöntemi ile tespit edilmiş, ayrıca kumanda vasıtasıyla bu ayarların uçuş esnasında değiştirilebilmesi sağlanmıştır.
Ucuzluğu ve kod yazım tekniğinin basit olmasından dolayı birçok kişinin kullandığı Arduino geliştirme kartı ile yapılan bu döner kanat PID kontrolcüsü ile dengeli bir şekilde uçmuş, algılayıcı istasyonu görevini yerine getirmiştir. Bu çalışmanın devamı olarak gelecekte döner kanatın yer kontrol istasyonundan gönderilen konumlara otomatik olarak hareket etmesi, telefon ile kontrol edilebilmesi için harici bir ara yüz
ve kontrol uygulamasının geliştirilmesi ve üzerine takılan kamera ile görüntü işleme teknikleri kullanılarak hedef takibi yapması amaçlanmaktadır.
Kaynakça
[1] O. Bomes, “Royal Air Force, Directorate of Defence Studies”, Air Power-UAVs: The Wider Context, 2009.
[2] G. Göl, “Quadkopter Uygulaması ve Quadkopter ile Anlık Veri İletimi”, Anadolu Üniversitesi Havacılık Elektrik Elektroniği Lisans Bitirme Çalışması, 2013.
[3] P. O. Basta, “Quad Copter Flight”, California State University, Northridge, 2012.
[4] P. Pounds ve R. Mahony, “Design principles of large quadrotors for practical applications”, Robotics and Automation, ICRA ’09 IEEE International Conference, 3265-3270, 2009.
[5] P. Corke P.Pounds, R. Mahony, “Modelling and control of a large quadrotor robot”, 2009.
[6] S.D. Hanford, L.N. Long ve J.F. Horn, “A Small Semi- Autonomous Rotary-Wing Unmanned Air Vehicle (UAV)”, American Institude of Aeronautics and Astronautics, 2005.
[7] T. Hamel, R. Mahony, R. Lozano ve J. Otrowski,
“Dynamic Modelling and Configuration Stabilization for X4-Flyer”, 15th IFAC Triennial World Congress, Barcelona, Spain, 2002.
[8] S. Bouabdallah, A. Noth ve R. Siegwart, “PID vs LQ Control Techniques Applied to an Indoor Micro Quadrotor”, Proc. of 2004 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, Japan, 2004.
[9] www.freepist.com/ucak-modelciliği
[10] S.J. Chapman, “Fundamantals of Electric Machinery”, 2004.
