2
İÇİNDEKİLER DİZİNİ
Sayfa
İÇİNDEKİLER DİZİNİ ... 2
1. GENEL ÖZET ... 3
1.1 Tasarım Süreci ... 3
1.2 Temel Görev Gereksinimleri ve Tasarım Özellikleri ... 4
1.3 Sistem Performans Özellikleri ... 4
2. YÖNETİM ÖZETİ ... 5
2.1 Takım Organizasyonu ... 5
2.2 Zaman Akış Çizelgesi ... 6
3. DETAYLI TASARIM ... 7
3.1 Tasarımın Boyutsal Parametreleri ... 7
3.2 Tasarımın Yapısal Özellikleri ... 8
3.2.1 Gövde, Mekanik Sistemler ... 8
3.2.2 Aerodinamik Özellikler ... 11
3.2.3 Görev Mekanizması Sistemi ... 12
3.2.4 Elektrik Elektronik Kontrol ve Güç Sistemleri Entegrasyonu ... 13
3.3 Uçuş Performans Parametreleri ... 15
3.4 Hava Aracı Maliyet Dağılımı ... 17
4. PROTOTİP ÜRETİM SÜRECİ ... 17
4.1 İHA İmalat ve Montaj Süreci ... 17
4.2 İHA Elektrik Elektronik Entegrasyon Süreci ... 19
4.3 İHA Montajı ve Genel Kontroller ... 20
4.4 Üretim İş Zaman Çizelgesi Planlanan ve Gerçekleşen ... 23
5. TEKNİK ÇİZİMLER ... 24
3
1. GENEL ÖZET 1.1 Tasarım Süreci
Takımımız, İHA’nın döner kanat kategorisinde yarışacaktır. İlk olarak döner kanat kategorisinin görev gerekliliklerini inceleyerek ve problemi tanımlayarak işe başladı. Yarışma şartnamesini incelediğimizde tasarımını yapacağımız İHA’nın şartnamede belirtilen yarışma alanındaki görevleri yerine getirebilecek manevra kabiliyeti, denge ağırlığı ve uçuş süresi göz önüne alınarak İHA konfigürasyonuna karar verme konusunda birçok mekanik tasarımları inceledi. Bir tasarım havuzu oluşturdu. Tasarımımız için ilk adım rotor sayısını belirlemek oldu. Bunun için oluşturduğumuz havuzdan yarışmanın görev gereksinimlerine en uygun olarak multicopter İHA’lardan seçim yapmak ve fikir edinmek için aşağıda verilen tablo oluşturuldu.
Multicopter çeşitleri
Konfigürasyon Özellikleri
Toplam Atiklik/Manevra
Kabiliyeti
Stabilite Hız Uçuş Süresi
İtki Üretim kolaylığı
Maliyet
Tricopter 4 1 4 2 1 2 4 18
Quadcopter 4 3 3 3 3 5 4 25
Hexacopter 2 4 2 4 5 3 2 22
Octocopter 1 4 2 4 5 1 2 19
Tablo 1 İHA Konfigürasyon Tablosu
Not: puanlama 5 puan üzerinden yapılmış, özel avantaj ve dezavantajlar dikkate alınmamıştır.
Dört farklı konfigürasyona, tablodaki çıkan toplam puanlamaya bakıldığında ve yapılan detaylı literatür araştırmaları sonucunda en yüksek puanı alan Quadcopter konfigürayonu yarışma için uygun bulundu. Quadcopter cinsi insansız hava araçları diğer multicopter seçeneklerinden altı rotorlu hexacopter ve sekiz rotorlu oktocopterlere göre daha iyi manevra kabiliyeti, daha az ağırlığı ve daha uygun maliyeti ile öne çıkmaktadır. Hexacopter ve oktocopterler, quadcopterlere göre daha fazla ağırlık taşıyabilseler de quadcopter cinsi insansız hava aracının taşıdığı yük kapasitesi yarışma için bize yeterlidir. Günümüzde “az enerji ile çok görev yapmak” bütün insansız hava aracı üreticilerinin en önemli amaçlarındandır. Bu nedenle takımımız ihtiyacımızı karşıladığı sürece az enerji harcayan seçeneklere yönelmiştir.
İHA’mızın ağırlık merkezi hassas bir nokta olup uçuşu etkilediğinden çizimlerimiz bilgisayar ortamında Autodesk Fusion 360 programı kullanılarak parçaların ve gövdenin ağırlık merkezlerinin birleşimiyle hassas bir şekilde oluşturulmuştur. İHA’mızın gövde ve iniş takımları tasarlanmıştır. Gövdenin, bataryanın, rotorların, ESC’lerin, uçuş kartı vb. her bir parçanın ağırlığı hesaplanmıştır.
4
Rotorların itki kuvveti, pervanelerin çapı hesaplamalara katılmış, pervane ve rotor seçimi yarışma düzeylerine göre oluşturulmuştur. İHA’mızın tasarımı oluşturulduktan sonra gövdede kullanacağımız asıl malzeme olan karbon fiber bize ulaşana kadar elimizde örnek bir araç olması için ve hata oranının minimuma indirilmesi için 3D Yazıcıda PLA flament malzemesiyle, tasarladığımız İHA’nın prototipi basıldı.
Hazırlanan prototip İHA gövdesinin üstüne, kullanılacak malzemeler yerleştirilerek deneme uçuşları gerçekleştirilmiştir.
1.2 Temel Görev Gereksinimleri ve Tasarım Özellikleri
Yarışmada İHA’mızın tamamlaması gereken iki görev mevcuttur. Görevlerin gerçekleştirileceği pistte aralarında seksen metre mesafe olan iki adet direk vardır.
Birinci görevde tasarlanan insansız hava aracının kalkış yerinden havalanması, direk ikinin yanına gelip direğin dışından dönüş yapması, direk bire doğru kırk metre ilerledikten sonra kendi etrafında üç yüz altmış derece dönmesi ve direk birin yanına gelip dışından dönüş yaptıktan sonra kalkış yerine sağlam bir şekilde iniş yapması isteniyor. İkinci görevde ise görev mekanizmasına yüklenen pet şişenin, 4m2‘lik alana deformeler dikkate alınmaksızın herhangi bir patlama olmadan bırakılması isteniyor.
Takımımız, İHA’nın birinci görevi daha atik ve daha performanslı bir şekilde gerçekleştirebilmesi için olabildiğince minimal bir tasarım hazırlamıştır. Yapılan bu minimal tasarım sayesinde insansız hava aracımız havada daha iyi manevra yapabilecek ve daha hızlı uçabilecektir. İnsansız hava aracımızın ikinci görevde de zorlanmaması ve havada stabil uçuş sağlayabilmesi için daha güçlü motor-batarya kombinasyonu yapılmış ve ergonomik bir görev mekanizması tasarlanmıştır.
İnsansız hava aracımızın görev 1 ve görev 2’yi güvenli bir şekilde gerçekleştirebilmesi için belirli güvenlik önlemleri alınmıştır. Elektronik devrelerin güvenliğini sağlamak için ESC’lerin çektiği toplam akım değerinin %10 fazlası olacak şekilde 150 amperlik akım kesici kullanılmıştır. Ayrıca herhangi bir aksaklık neticesinde kumanda ve insansız hava aracı arasındaki iletişim kesilirse devreye girmesi için “Throttle Failsafe” güvenlik modu ayarlanıp aktifleştirilmiştir.
1.3 Sistem Performans Özellikleri
Parametre Kalkış Ağırlığı
Uçuş Süresi (Max.)
İlave Yük Taşıma Kapasitesi
İHA’nın Boyutu
Kalkış
Mesafesi / Tipi
İHA Max.
Sürati
Gövde Malzemesi Değer 1632 gr 6.7 dk 1690 gr 455 mm X Quadcopter 68 km/h Karbon fiber
5
Danışman Öğretmen Erdal SEZGÜL
Takım KAPTANI Yapısal Tasarımcı Eyüp OLGUN
İHA Pilotu Yusuf Can ATAR
Otonom Uçuş Bedirhan KAYIŞ
Tasarımcı Ali Taha ÖZTÜRK
Şekil 1 Takım Organizasyon Şeması
2. YÖNETİM ÖZETİ
2.1 Takım Organizasyonu
AD
SOYAD GÖREVİ GÖREV
TANIMI Erdal
SEZGÜL
Danışman Öğretmen- Proje Yöneticisi-Bilişim Teknolojileri Öğretmeni
Proje ekibinin koordinasyonunu sağlama, mali ve idari konularda sorumludur.
Eyüp OLGUN
Takım Kaptanı Yapısal Tasarımcı 9.Sınıf Öğrencisi
Takım kaptanı görev takibi ve literatür taramasından sorumludur. İHA’ nın tasarım boyutlarını, tasarımın yapısal özelliklerini ve yapım aşamalarını yönetir. Tasarlanan İHA’nın teknik çizim ve Auto Desk Fusion 360 ile 3 boyutlu
modellemesinden sorumludur.
Yusuf Can ATAR
Pilot
9.Sınıf Öğrencisi
Amacı gerçekleştirmek üzere tasarlanacak İHA’ nın görevini en az %10 fazla yapacak kabiliyetle bileşenlerin seçimi
matematiksel analizleri, rotorların ve pillerin testlerini gerçekleştirir.
Bedirhan KAYIŞ
Otonom uçuş – Uçuş kontrol Sistem sorumlusu 10.Sınıf Öğrencisi
Otonom uçuşu sağlayacak İHA’nın elektronik parçalarını oluşturan uçuş kartı, rotor, ESC, GPS, telemetri, sigorta ve pil ile sistemi sağlıklı bir şekilde kurup sistemi şematize eder.
Ali Taha ÖZTÜRK
Tasarımcı 11.Sınıf Öğrencisi
Çeşitli tasarımlar ve tasarımlara ait bütçeyi oluşturarak takım üyelerine sunar. Seçilen tasarıma ait detaylı bütçelendirme yapar.
6
Tablo 3 Cevher-ül Cezeri Takımı İş Zaman Çizelgesi
2.2 Zaman Akış Çizelgesi
İP No
İş Paket Adı Tanımı Kimler Tarafından Yapılacağı
TAKVİM
Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 5 1 2 3 4
1
Görev Analizi ve Literatür Taraması
*Kavramsal Tasarım Raporu Hazırlanması
Takım Üyeleri
2 Yarışma Başvurusu Erdal SEZGÜL
3 Tasarım Boyutsal Parametrelerinin
Belirlenmesi Eyüp OLGUN
Ali Taha ÖZTÜRK
4
Tasarımın Yapısal Özellikleri
5 Kontrol ve Güç
Sistemleri Tasarımı Bedirhan KAYIŞ
6 Uçuş Performans
Parametreleri Yusuf Can
ATAR
7
Hava Aracı Maliyet Hesaplama
Ali Taha ÖZTÜRK
8 Teknik Çizimler Eyüp OLGUN
9 Uçuş Denemeleri
Takım
Üyeleri
10 Proje Yönetimi Erdal SEZGÜL
7
3. DETAYLI TASARIM
3.1 Tasarımın Boyutsal Parametreleri
No Parça adı
Adet
Toplam Ağırlık (Gram)
Boyutlar
1
Gövde+İniş Takımı: Karbon fiber + birleştirme aparatları PLA Flament plastik
1 271,74 ± 2
Alt gövde: 110 x 110mm Üst gövde: 110 x 110mm En üst gövde: 100mm x 65mm İki kol arası mesafe 455 mm
2 Batarya: 11.1V 3S LİPO
2800 MAH 40C 1 200 106×34×27 mm
3 Rotor: Sunnysky X2212-
III 1250 KV Fırçasız motor 4 4x57 =228
Mil Çap: 3,17 mm, Stator çapı:
22mm, Stator Yüksekliği:12mm
4 ESC: SKYWALKER 30A 4 4x37 =148 68mm × 25mm × 8mm
5 Pervane: Plastik 4 4x11= 44 10 × 4,5 inç ( 24,5 × 11,43 cm )
6 Pixhawk 2.4.8 1 38 82,2 × 51,8 × 16,5 mm
7 Servo Motor: Tower Pro MG90s 1 13,4 22,5 x 12 x 35,5 mm
8 Gps: Radiolink SE100 Ublox
Neo-8M GPS 1 34.9 Boyut: 49x43x16 mm Kablo
uzunluğu: 300 mm
9 Telemetri: Xbee 1 19 45*30*10mm
10 Güç kontrol kartı:
Matek 1 14 36*36 mm
11 R12 DS Alıcısı 1 14 50x31,5x14,5 mm
12 Görev Mekanizması 1 70 gr (Servo
Motor Hariç) Çap: 65 mm, Boy: 186 mm
13 150A Akım Devre Kesici 1 88g 48x74x45mm
TOPLAM 1632 gr
Not: Toplam ağırlığa diğer parametreler ve yük dahil edilmiştir.
Tablo 4 İHA Malzeme Konfigürasyonu Tablosu
8
No Parça adı Ağırlık
(Gram)
X uzaklığı (mm)
Y uzaklığı (mm)
Z uzaklığı (mm)
1 Gövde: Alt Frame 7 0,00 mm 0,00 mm 0,00 mm
2 Gövde: Üst Frame 9 0.001 mm 0.005 mm 25.825 mm
3 Gövde: En üst Frame 10 -0.001 mm -0.005 mm 66,475 mm 4 Batarya: 11.1V 3S
LİPO 2800 MAH 40C 200 0.507 mm 1.443 mm 14.142 mm
5 Rotor: Sunnysky X2212-III 1250 KV
Fırçasız motor 4x57 =228 160.811mm -160.923 mm 19.67 mm
6 ESC: SKYWALKER 30A 4x37 =148 -60.62 mm, -60.728 mm, 20.147 mm 7 Pervane: Plastik 4x11= 44 160.811 mm -160.924 mm 37.929 mm
8 Pixhawk 2.4.8 38 -0.096 mm, -0.699 mm, 72.385 mm
9 Gps: Radiolink SE100
Ublox Neo-8M GPS 31 -40.296
mm 1.292 mm 107.682 mm
10 Telemetri: Xbee 19 27.065 mm -40.244 mm, 41.027 mm
11 Güç kontrol kartı:
Matek 14 -40.296 mm 1.292 mm 107.682 mm
12 R12 DS Alıcısı 14 40.628 mm 3.175 mm 33.65 mm
13 Görev Mekanizması 70 gr 2.475 mm, 27.39 mm, - 122.007 mm 14 150A Akım Devre Kesici 88g -0.008 mm 1.598 mm 56.063 mm
Tablo 5 İHA Malzeme Ağırlık ve Denge Tablosu
NOT: Tablo 5’ de yer alan X, Y ve Z uzaklıklarının verildiği referans merkezi gövdenin alt frame orta noktasına göre tanımlanmıştır.
3.2 Tasarımın Yapısal Özellikleri
3.2.1 Gövde, Mekanik Sistemler
Konfigürasyon belirlendikten sonra yarışma için gerekli en uygun boyutun seçilmesi gereklidir. Hesaplamalar ve seçimlerimiz yapılırken detaylı literatür taraması yapıldı. TÜBİTAK Bilim Genç web sitesinde yer alan dersler incelendi. İHA boyutu için 455 mm ölçülerinde gövde ile birlikte kanat açıklığına sahip üstten görünümü “X şeklinde olan quadcopter’ de karar kılındı. İHA’nın bileşenlerinin ağırlığı, boyutu vb.
önemli özellikleri birbirleriyle uyumlu olmak zorundadır. Çünkü İHA’mızın hareket halindeki dengesi başarı için önemli etkendir. Mesela F kuvvetlerinin birbiri ile eşit olması gerekmektedir. Örneğin; F4+F3> F1+F2: İleri yunuslama, F1+F2>F3+F4: Geri yunuslama gibi dengesizlik oluşabilmektedir. Bunun önüne geçebilmek adına bütün bileşenlerimizin ağırlığı, boyutu, çapı birbirleriyle uyumlu halde seçilmiştir.
9
Özgün insansız hava aracımızın tasarımını yaparken gövde için birçok literatür taraması yapıldı. Tablo 4 İHA Malzeme Konfigürasyonu Tablosu ‘na göre aracın gövde ağırlığını azaltmak ve dayanıklı olması sağlamak için karbon fiber malzeme kullanılmıştır. İHA’mızın hava direncine daha az maruz kalmasını sağlamak için ince gövde tasarımını ve kollardaki sürtünmeyi aza indirgemek için kollarda silindirik karbon fiber tüplerden oluşan tasarım meydana getirildi. Karbon fiber piyasadaki rakiplerine göre sağlamlığı ve hafifliğiyle öne çıkmaktadır. Karbon fiberin pahalı olması ve RF sinyallerini engellemesi gibi dezavantajları olsa da diğer malzemelerle karşılaştırdığımızda daha mantıklı bir seçim olduğu anlaşılmaktadır.
Diğer malzemelerin dezavantajlarına örnek vermek gerekirse alüminyumun darbe aldığında esneme hareketi yapmasını; ahşap, fotoblok ve sertleştirilmiş plastiğin karbon fibere göre daha dayanıksız olmasını ve cam elyafının genelde ana malzeme olarak değil, ana malzemeyi destekleyici nitelikte kullanılmasını verebiliriz.
Tablo 6 İHA Gövde Malzeme Karşılaştırma Tablosu
Yapılan araştırmalar neticesinde Tablo 6 İHA Gövde Malzeme Karşılaştırma Tablosu
incelendiğinde quadcopter gövdesi için uygun olan maddeler birbirleriyle karşılaştırıldığında, insansız hava aracımız için en ideal seçenek karbon fiber olmuştur.
Karbon fiber piyasadaki sertleştirilmiş plastiğe, köpüğe ve fotoblok malzemesine kıyasla daha sağlam ve dayanıklıdır. Bizim insansız hava aracımız için de dayanıklılık ve sağlamlık önceliklerimiz içerisindedir. Yarışma esnasında hiçbir kırım ile karşılaşmamak önemli bir konudur.
Hata oranlarını en aza indirgemek için 3 boyutlu yaptığımız çizimlerin 3 boyutlu yazıcıdan çıktılarını aldık. Denemelerimize göre çizimlerimizi tekrar oluşturduk. Daha sonra karbon fiber gövde ve borularının oluşturduğu İHA tasarımı için fiyat ve malzeme araştırması gerçekleştirdik. Kesim ve malzeme için bizden çok yüksek fiyatlar talep
Malzemeler Dayanıklılık Hafiflik Maliyet Toplam
Karbon fiber 5 5 1 11
Alüminyum 4 4 2 10
Plastik 3 3 3 9
Ahşap 2 2 4 8
Fotoblok 1 3 4 8
10
edildi. Biz de 2 metre uzunluğunda karbon fiber boru ve 50x50 cm boyutunda 1,5 mm kalınlığında karbon fiber plaka alarak Ordu ilimize komşu Giresun ilinde bulunan bir mesleki teknik okulda ücretsiz olarak CNC kesimlerimizi gerçekleştirdik.
İnsansız hava araçlarında ağırlık merkezinin tam olarak ayarlanması, insansız hava aracı için olmazsa olmazdır. Ağırlık merkezinin tam olarak ayarlanabilmesi İHA’nın gövdesindeki elemanların iyi yerleştirilmesine bağlıdır. Bunun için İHA’mız çok katlı bir tasarım olarak düşünülmüştür. Bunun sebebi de İHA’nın birçok elektronik aksamı üzerinde barındırmasıdır. Bu elektronik ekipmanlar; uçuş kartı, batarya, haberleşme sistemleri ve diğerlerinin yerleşimi yapıldığında gövdede yerleştirilecek yerin kalmaması ve ağırlık merkezinde sapmaların olması sebebiyle üç katlı bir tasarım uygulanmıştır. İHA’mızın tasarımında Cevher-ül Cezeri takımımızın baş harfleri de olan (C o C ) şeklinde kullanılmıştır.
11
İnsansız hava aracımızın dengeli bir şekilde iniş yapabilmesi ve görev mekanizmasının yerle temasını kesebilmek için dört kollu bir iniş takımı tekrar tasarlandı. Önceki tasarımımızda iki kollu bir iniş takımı tasarımı gerçekleştirmiştik.
Fakat gövdenin yerleşimi, sağlamlık ve dengeli bir dağılımlı iniş için son yaptığımız dört kollu iniş takımı gövde tasarımımıza ve görev mekanizmamızın yerleşim planlamasına göre daha uygun olduğu görüldü. Tasarlanan bu dört kollu iniş takımı hafif ve sağlam olması için piyasadaki en sağlam seçeneklerden biri olan karbon fiberden üretildi.
Böylece herhangi bir düşüş esnasında iniş takımında kırım yaşanmasının önüne geçildi.
3.2.2 Aerodinamik Özellikler
İnsansız hava aracımız yarışmada belirtilen görevleri en kısa sürede tamamlamak zorundadır. Bu sebepten dolayı insansız hava aracımızı olabildiğince hızlı gidecek şekilde tasarladık. İnsansız hava aracımızın sürtünmesini en aza indirgemek için düz bir kanat tasarımı yerine silindirik bir kanat tasarımı hazırlanmış ve uygulanmıştır. Bu sayede insansız hava aracımızın daha atik olması ve daha iyi manevra yapabilmesi sağlanmıştır.
İnsansız hava aracımızın itki hesabı yapılmış ve hava aracımızın itkisine en uygun olan 10*45 boyutlarındaki plastik pervaneler kullanılmıştır.
12
3.2.3 Görev Mekanizması Sistemi
Yarışma şartnamesinde belirtilen görev şartlarını yerine getirmek için insansız hava aracımız otonom uçuş gerçekleştirecektir. Şartnamede görev mekanizmasına yüklenen pet şişenin, 4m2 ‘lik alana deformeler dikkate alınmaksızın herhangi bir patlama olmadan bırakılması isteniyor. Yaptığımız birçok yükseklik denemeleri sonucunda 5 metre yükseklikten bırakılan pet şişede herhangi bir patlama gerçekleşmedi. Bunun için 15 metre yükseklikte otonom uçuş gerçekleştirirken görev alanına geldiğimizde İHA’mız alçalarak mesafeyi kısaltacak ve tasarladığımız bırakma mekanizma sayesinde görev gerçekleşecektir. Bırakma mekanizması olarak ilk başta misina ipi kullanmayı ve bıçaklı bir sistem tasarlamayı düşünmüştük. Ancak sonra yapılan denemelerde ince bir ipin bıçağa ihtiyaç duymadan 330 ml’lik pet şişenin aşağı bırakıldığında ona uyguladığı kuvvetle koptuğu görüldü. Bu sebepten dolayı takımımız bıçak ve misina gibi ek ağırlık yapan malzemelerin kullanılmasına gerek olmadığına ince iple kurulan mekanizmanın bize yeteceğine karar vermiştir. Bu karar doğrultusunda yapılan denemelerde de tam başarı sağlanmış, pet şişe deformeler dikkate alınmaksızın patlama olmadan hedefe bırakılmıştır. Tasarlanan bırakma mekanizmasına göre bırakma mekanizmamızın içinde bulunan karbon fiber çubuğa ince ip sarılacak ve pet şişeye bağlanacak. Ardından hedefe ulaşıldığında servo motora bağlı karbon fiber kapak açılacak ve pet şişe sargılı ipin açılmasıyla aşağıya süzülecek. İp tamamen açıldığında pet şişenin birden ipe uyguladığı çekim kuvveti sonucunda ince ip kopacak ve 5 metre yükseklikten aşağıya düşecek. Pet şişenin aniden uyguladığı çekim kuvvetinin insansız hava aracının dengesine olan etkisi düşünülmüş, denge ve itki hesaplamaları yapılmış ve ona göre ayarlanmıştır. Görev mekanizmamız pet şişenin yüksekliğinde ve genişliğinde tasarlanmıştır.
13
3.2.4 Elektrik Elektronik Kontrol ve Güç Sistemleri Entegrasyonu
Uçuş kontrol devre elemanın merkezini otonom uçuşu gerçekleştirecek uçuş kontrol sistemi kartı oluşturur. Uçuş Kontrol kartımızı Pixhawk 2.4.8 olarak belirledik.
Bu seçimi yaparken diğer kartlara göre kendi içinde otonom uçuşu desteklemesi, kolay kurulum, üretici desteği sağlaması, harici sensör ile telemetri uyumu ve maliyeti göz önüne alınarak tercih edilmiştir. Ayrıca 14 tane PWM çıkışının bulunması, 32 bit mikro denetleyici işlemciye sahip olması da ayrı bir etkendir.
Fakat uçuş denemelerine geçtiğimizde bütün elektronik aksamı detaylı bir şekilde oluşturmamıza, ESC kalibrasyon ayarlarını tam yapmamıza rağmen rotorlardan biri sürekli kararsız bir dönme meydan getirdi. Bu olay da bizim her uçuşumuzda kırımlara sebep oldu. Arızanın nereden kaynaklandığını bulana kadar 1 ay gibi önemli bir süre geçti. Bu süreç içerisinde rotorların, ESC’lerin yedeklerini alması ve malzemenin Türkiye piyasasında olmayışı ve yurt dışı malzeme alımını kapsamaktadır. Teknofestte ilk senemiz olması, malzemeleri ilk kez deneyim etmemiz birçok hata yapmamıza sebep oldu. Arıza, uçuş kartından çıktı ve ikinci kez uçuş kartı aldık. Maalesef ki Uçuş kartlarının klon olabileceğini düşünmedik ve daha sonra kavramsal tasarım raporunda belirttiğimiz Orijinal pixhawk uçuş kartı ile uçuşlarımızı gerçekleştirdik. Tecrübe eksikliğimiz ve maddi kayıplarımız olmasa idi daha farklı stabil, veri akışı güzel uçuş kartına yönelebilirdik. Pixhawk 2.4.8 uçuş Kontrol kartını kullanacağız. Tecrübesiz olmamız sebebiyle ilk başta yanlış bir GPS seçimi yaptık.
Seçtiğimiz GPS’in düzgün çalışmaması ve doğru veri akışı sağlamaması sebebiyle yeni bir GPS almamız gerekti. Yapılan araştırmada kaliteli olması ve fiyat performans açısından iyi olması sebebiyle Radiolink SE100 GPS modülü uygun bulundu ve tedarik edildi. Takımımız tarafından yapılan testlerde başarılı olan bu GPS, sağlıklı bir uçuş yapmamızı sağladı.
Seçtiğimiz Rotorlar 30A akım çekmektedir. Bunun için 30A’lık ESC kullandık.
Elektronik devremizin güvenliğini sağlamak içinde çekilen toplam akım değerinin %10 fazlası olacak şekilde 150A’lık akım kesici yerleştirdik. Yer istasyonundaki bilgisayarla haberleşmeyi sağlayacak telemetri seçiminde radyo sinyallerinin diğer sinyallerle karışmaması için uçtan uca şifrelenmeyi destekleyen Xbee telemetri modülünü kullandık. Ayrıca Wifi modül ve Bluetooth modülleri de tecrübe ederek bilgisayara veri akışlarını sağladık. Telemetri sayesinde uçuş kontrol kartındaki sensör bilgileri GPS, jiroskop, manyometre, barometre, yükseklik, batarya pil yüzdesi gibi bilgiler yer istasyonunda bulunan bilgisayarımızdan kullanılan Mission Planner yazılımı sayesinde
14
daha rahat kontrol sağlandı. Deneme uçuşlarında ayrıca Qground programının da kullanımını gerçekleştirdik. Mission Planner yazılımı ücretsiz, kullanımının kolay ve ara yüzünün basit ve anlaşılabilir olması gibi avantajlardan dolayı yer istasyonu yazılımı olarak Mission Planner yazılımı kullanılacaktır. Pilot, İHA’yı Radiolink AT10 II kumanda ile kullanacaktır. 12 kanal ve telemetri desteğinin bulunması, yaklaşık 4000 metre menzilin bulunması, DSSS ve FHSS olarak iki protokolde çalışabilmesi ve parazitlere karşı daha dayanıklı olması bu kumandayı tercih sebeplerimizdendir. Uçuş kontrol sistemi devre şeması aşağıda gösterilmiştir.
Kullanacağımız batarya, yarışma görevlerini gerçekleştirmek için önem arz etmektedir. Kavramsal tasarım raporumuzda rotor ve ESC’lere uyumlu 3S Lipo batarya olarak 2700 Mah 30C olarak belirlemiştik. Fakat bataryayı stoklarda bulunmamasından ötürü değiştirmek zorunda kaldık. Elektronik sistemimize uygun biri yedek olmak üzere iki adet 2800 Mah 40C batarya aldık. Fakat yedek bataryanın şişmesi sonucu, firmanın elinde aynı bataryadan olmaması, piyasada aynı bataryadan bulunmaması 2250 Mah 40C yedek bataryayı kullanmamıza neden oldu.
Şekil 8 Uçuş Kontrol Sitemi Devre Şeması
15
Batarya seçimleri yaparken bataryanın görevi yerine getirme konusunda uçuş süresi olarak yeterli enerjiyi bize sağlamasına ve ağırlık, boyut parametrelerine dikkat ettik. Çünkü daha büyük Mah seçimi bataryanın boyutunun, ağırlığının ve maliyetinin büyümesi demektir. Bunun için bataryamızın kapasitesini İHA’mızın gövde yapısına uygun, yarışma görevlerini tamamlayabilecek, elektronik aksamını karşılayabilecek 3S LİPO 2800 Mah 40C olarak aldık.
3.3 Uçuş Performans Parametreleri
İnsansız hava aracımızda kullanmak için ilk başta Sunnysky X2212-III 980 KV fırçasız motoru kullanmayı planlamıştık ancak yapılan birçok itki hesabında 980 KV’lık motorun yükle beraber 1628 gram net ağırlığa sahip insansız hava aracımızı yüksek performansla taşıyamayacağı görüldü. Bunun ardında bu ağırlığı yüksek performansla taşıyabilmesi ve daha hızlı uçabilmesi için Sunnysky X2212-III 1250 KV fırçasız motor kullanılmasına karar verildi. Tedarik edilen 1250 KV’lık motor ile yapılan uçuş denemelerinde yüklü insansız hava aracımızı yüksek performans ile taşıdığı görüldü.
16
17
3.4 Hava Aracı Maliyet Dağılımı
İnsansız hava aracımızın maliyet dağılım tablosunda; arıza yapıp yedek olarak alınan ESC, Motor, Uçuş kartı ve birçok kırım yaşanan plastik pervaneler gösterilmemiştir. Hava aracımızın kurulumu için ortaya çıkan genel maliyet tablosudur.
No Parça adı Birim
Fiyatı(TL) Miktarı Toplam Fiyatı (TL)
1 Gövde+İniş Takımı: Karbon fiber Plaka ve Borular
849,93 + 296,52
1 1146,45
2 Batarya: 11.1V 3S LİPO
2800 MAH 40C 268,92 2 537,84
3 Rotor: Sunnysky X2212-III 1250
KV Fırçasız motor 268,825 4 1075,30
4 ESC: SKYWALKER 30A 118,45 4 473,80
5 Pervane: Plastik karbon 41,54 2 83,08
6 Pixhawk 2.4.8 1220 1 1220 7 Servo Motor: Tower Pro MG90s 20,82 1 20,82 8 Gps: Radiolink SE100 -Ublox
Neo-8M GPS 378,07 1 378,07
9 Gps Anten Tutucu 34,69 1 34,69
10 Güç kontrol kartı:
Matek 48,07 1 48,07
11 Radiolink AT10II kumanda 1704,86 1 1704,86
12 Telemetri: Xbee 1.229,1 1 1.229,1
13 Darbe Emici Platform 52,99 1 52,99
14 Wifi modül 149,4 1 149,40
15 Akım Devre Kesici 150A 90,80 1 90,80
TOPLAM 6783,885 23 8245,27 TL
Tablo 7 İHA Malzeme Maliyet Tablosu
Not: Maliyet hesaplaması yapılırken yedek alınan malzemeler ve kırım yaşanan pervaneler maliyet hesaplamasına katılmamıştır.
4. PROTOTİP ÜRETİM SÜRECİ 4.1 İHA İmalat ve Montaj Süreci
İHA mızın imalat sürecinde, karbon fiber gövdemiz gelene kadar oluşabilecek hata paylarını en aza indirgemek için 3 boyutlu yazıcıdan gövdemiz baskı alındı. İlk montaj deneyimleri ve uçuş denemeleri bu gövde üstünde denendi. Daha sonra gövdenin, kolların ve iniş takımının en son halinin karbon fiber baskısı hazırlandı ve montajı yapıldı. Kendimize özgü tasarımlarla bağlantı aparatlarının 3 boyutlu yazıcıdan
18
baskısı alındı. Bağlantı aparatların vida yerleri 3B flament malzemeyi sağlam tutması için laptoplarda bulunan vida yerleri sökülerek havya ile birlikte ısı verilerek bağlantı aparatlarına yerleştirildi ve sağlam bir montajlama gerçekleştirildi.
19
4.2 İHA Elektrik Elektronik Entegrasyon Süreci
İnsansız hava aracımızın elektrik ve elektronik entegrasyonunu sağlamak için ilk olarak güç dağıtım kartına ESC lerin lehimleme işlemleriyle işe koyuldu. Bataryanın güç dağıtım kartına bağlanacak kısımlarına + ve – kutuplara dikkat edilerek lehimleme işlemleri gerçekleştirildi. Avometre ile bağlantılarımızda kısa devre olup olmadığı kontrol edildi. Lehim pasta kalıntılarını gidermek içinde flux ile güç dağıtım kartımız temizlendi. 3 katlı tasarım olan İHA mızın orta katına güç dağıtım kartının montajı yapıldı.
Rotorların montajı yapıldı. ESC’ler klipslerle kollara hafif tutacak şekilde yerleştirildi. Daha sonra ağırlık merkezi hesaplanırken sağlam bir şekilde sabitlenmesi gerçekleştirildi. Üçüncü kata uçuş kartının darbelere karşı emici süspansiyonla birlikte montajı yapıldı. ESC’lerin giriş uçları pixhawka “X” quadcopter bağlantı şemasına göre
20
takıldı. Tüm montaj bittikten sonra test aşamasında rotor yönleri kontrol edilerek yanlış olan yönler ESC bağlantı kablosundan değiştirildi.
İnsansız hava aracımızın gövdesindeki 2. Kata 150A devre akım kesici, GPS yerleşimini, telemetri ve kumanda alıcısının yerleşimi gerçekleştirildi. Kablo bağlantıları pixhawk üzerinde yerleşimleri yapıldı. Görev mekanizması ve iniş takımı montajı yapıldı.
21
4.3 İHA Montajı ve Genel Kontroller
Prototip Tasarım Üretim Süreci Durum Açıklama
Literatür Taraması ✓ ✓
Yarışma Kural Analizi ✓ ✓
Ön Tasarım ✓ ✓
Aerodinamik İtki Hesaplamaların Yapılması ✓ Ağırlık ve ağırlık merkezine göre yapıldı.
Deneme İmalatı ✓
İlk Önce 3 boyutlu yazıcıdan PLA flamentle baskı alınıp Gövdedeki hatalar görüldü. Daha sonra gövdenin en son hali Karbon Fiber Malzemeye baskı alındı.
Malzeme Seçimi ✓
İlk senemiz olması ve ilk defa tecrübe etmemiz ufak hatalar yapmamıza sebep olsa da sorunlar giderildi.
Malzeme Tedariği ✓
En zor işlem malzeme tedarikidir. Türkiye piyasasında bulması çok güç ve olanda çabuk stoklarda tükeniyor.
Deneme uçuşlarında arızalan parçaların yerine koyması zaman alıyor.
Yurt dışı siparişlerine yönelmemiz gerekti.
Zaman kaybımız çok oldu. Sorunlar giderildi.
Elektrik -Elektronik Sistem Entegrasyonu ✓ ✓
Gövde ve Kanat Montajı ✓ ✓
Güç ve İtki Sistemleri Montajı ✓ ✓
Kontrolcü ve Haberleşme Sistemleri Montajı ✓ ✓
22
Bileşenler Kontrol Edilecek Ögeler Sorun ve Çözüm
Motor
✓ Motor Şeması ve Tüm bağlantı elemanlarının kontrolü
Motor bağlantılarının yönünü yanlış yapmamız İHA mızn takla atmasına sebep oldu daha sonra düzeltildi.
✓ Motorun Gövdesinde Hasar olup olmamasının Kontrolü
Uçuş denemelerinde gövdeden hasar alan motorumuz oldu yedeği ile değiştirildi.
✓ Pervane bağlantısının düzgün olup olmamasının Kontrolü
Pervane bağlantılarını yaparken düzgün ve sağlam sıkmamız pervanelerin motorlardan
ayrılmamasına sebep oldu ve dikkat edildi düzeltildi.
✓ Pervane çatlak-kırılma olup olmamasının kontrolü
Her uçuşta kontrolü yapılarak hasar varsa yedeğiyle
değiştirildi.
Gövde
✓ Bataryanın Güvenilir bir şekilde Gövdeye Sabitlenip Bağlantısının Kontrolü
Cırtlı bant ile sağlam bağlanması sağlandı ağırlık merkezi kaymaları engellendi.
✓ Kumanda alıcısının bağlı olup olmamasının kontrolü
Kontrollerin düzgün olduğu görüldü.
✓ ESC'nin Güvenli bir şekilde konumlandırılıp Bağlantılarının Kontrol Edilmesi
✓ Servo Motorlarının Bağlantılarının Kontrolü
✓ Gövdenin Sağlamlığının Kontrol Edilmesi
Güç
✓ Bataryanın uçuş kartına bağlı olup olmamasının kontrolü
Kontrollerin düzgün olduğu görüldü.
✓ Güç dağıtım kartına ESC lerin lehimleme işlemlerinin doğru bir şekilde olup olmamasının kontrolü
✓ Power Modülün bataryaya doğru takılıp takılmasının kontrolü
✓ Ledli güvenlik butonu ve buzzerın kontrolü
✓ Akım Devre kesici bağlantısının doğru yapılıp yapılmadığının kontrolü
Kontrol ve Görev Mekanizması
✓ Gövdeye görev mekanizmasının bağlantısının sağlamlığının kontrolünün yapılması
Kontrollerin düzgün olduğu görüldü.
✓ Görev Mekanizmasının Gövdesinde Hasar olup olmamasının Kontrolü
✓ Görev mekanizmasında bulunan servo motorun çalışıp çalışmadığının kontrolü
✓ Uçuş kartının, pusula ve GPS bağlantılarının kontrolü Birçok deneme uçuşu gerçekleştirdik ve kırımlarla
sonuçlandı. Sorunu bulana kadar 1 aylık zaman geçti. ESC, Motor, Güç dağıtım kartı yedekleriyle değişti. Sorun devam etti. Fakat en son sorun uçuş kartından çıktı Yenisiyle değiştirilerek sorun giderildi. Sağlam bir uçuş gerçekleşti.
✓ Uçuş için ARM ve DİSARM özelliklerinin kontrolü
✓ Failsafe Modunun kontrolünün sağlanması
23
4.4 Üretim İş Zaman Çizelgesi Planlanan ve Gerçekleşen
Tasarım Ayları
TAKVİM
Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 5 1 2 3 4 1.İHA Tasarım Rapor
Kavramsal Tasarım Raporu
Ön İnceleme
Detaylı Tasarım Raporu
2.Üretim Aerodinamik İtki Hesabı
Prototip 1
*3B Baskı
Nihai Drone
*Karbon Fiber Baskı
3.Uçuş Testleri Manuel Uçuş Testi
Görev mekanizması Testi
Otonom Uçuş Testi
Görev Tamamlama
Tarih Açıklama
Deneme Süresi (Dakika)
Problemler Çözüm
2.07.2021 Manuel Uçuş -
Pervane bağlantısının iyi sıkılmaması ve pervanelerin Çıkması
Pervane bağlantıları kontrol edildi.
02-16.07.2021 Manuel Uçuş 30 sn Pixhawk uçuş kartında hata olduğu
anlaşıldı. Değiştirildi
17.07.2021 Manuel Uçuş 1.16sn -
Prototip gövde ile Başarılı bir uçuş gerçekleştirildi.
Planlanan Görev Gerçekleştirilen Görev
24
5. TEKNİK ÇİZİMLER
İHA’mızın prototip basımından sonra kavramsal tasarım raporuna göre tasarımımızda ufak tefek minimal değişikliler olmuştur. Gerekli düzenlemeler yapıldıktan sonra insansız hava aracımızn son halinin baskısı alınmıştır.
İnsansız Hava aracımızın teknik çizimleri
22.07.2021 Manuel Uçuş 2.47 sn Başarılı uçuş
23.07.2021 Manuel Uçuş 2.30 sn Başarılı uçuş
24.07.2021 Manuel uçuş 15sn Rüzgârlı hava Kırım yaşandı tekrar
baskı alındı montaj yapıldı.
27.07.2021 Otonom uçuş - Rotadan çıktı.
GPS sorunumuz oluştu farklı marka GPS ile değiştirildi.
28.07.2021 Manuel Uçuş 2.05 sn Başarılı uçuş, uçuş
videosu çekimi
25
Görev Mekanizması Teknik çizimleri
Genel Sistem Şeması
