TEKNOFEST İSTANBUL
HAVACILIK, UZAY VE TEKNOLOJİ FESTİVALİ SAVAŞAN İHA YARIŞMA
KRİTİK TASARIM RAPORU
İçindekiler
1. TEMEL SİSTEM ÖZETİ ... 3
1.1. Sistem Tanımı ... 3
1.1.1. Uçuş kontrol Ünitesi ... 3
1.1.2. Haberleşme Ünitesi ... 4
1.1.3. Görev Ünitesi ... 4
1.1.4. Yer Kontrol Ünitesi ... 5
1.1.5. İtki Ünitesi ... 6
1.1.6. Güç Ünitesi ... 6
1.2. Sistem Nihai Performans Özellikleri ... 6
2. ORGANİZASYON ÖZETİ ... 8
2.1. Takım Organizasyonu ... 8
2.2. Zaman Akış Çizelgesi ve Bütçe ... 8
3. DETAYLI TASARIM ÖZETİ ... 12
3.1. Nihai Sistem Mimarisi ... 12
3.2. Alt Sistemler Özeti ... 13
3.3. Hava Aracı Performans Özeti ... 16
3.3.1. İtki ve Güç Sistemi ... 21
3.4. Hava Aracının Üç Boyutlu Tasarımı ... 24
3.5. Hava Aracı Ağırlık Dağılımı ... 26
4. OTONOM KİLİTLENME ... 27
4.1. Sunucudan Gelen Verilerin Değerlendirilmesi ... 28
4.2. Bilgisayar Görüsü ile Hedef İHA Tespit ve Takibi ... 30
4.3. Hedef Takibi ve Sunucudan Gelen Veri ile Otonom Kilitlenme ... 33
5. HABERLEŞME ... 34
6. KULLANICI ARAYÜZÜ TASARIMI ... 36
7. HAVA ARACI ENTEGRASYONU ... 38
7.1. Yapısal Entegrasyon ... 38
7.2. Mekanik Entegrasyon ... 39
7.3. Elektronik Entegrasyon... 41
8. TEST VE SİMÜLASYON ... 43
8.1. Alt Sistem Testleri ... 43
8.1.1. İtki Testi ve Güç Testi ... 43
8.1.2. Kilitlenme ve Kaçış Algoritması Testi ... 44
8.1.3. Veri İletim Testi ... 45
8.1.4. Donanım Isı ve Sensör Testi ... 46
8.2. Uçuş Testi ve Uçuş Kontrol Listesi ... 47
9. GÜVENLİK ... 49
10. REFERANSLAR ... 50
1. TEMEL SİSTEM ÖZETİ 1.1. Sistem Tanımı
ARTEK ÜLGEN takımının yapmış olduğu insansız hava aracı (İHA) sisteminde altı ana ünite bulunmaktadır. İHA sistemi; uçuş kontrol ünitesi, haberleşme ünitesi, görev ünitesi, yer kontrol ünitesi, itki ünitesi ve güç ünitesi adlı bölümlere ayrılmıştır. Bu başlık altında ünitelerin tanımı, ünitelerde bulunan malzemelerin özellikleri ve görevleri açıklanmıştır.
1.1.1. Uçuş kontrol Ünitesi
Uçuş kontrol ünitesi, İHA’nın otonom ve manuel olarak uçuşunun gerçekleştirilmesi için gerekli olan verilerin işlendiği ve işlenen veriler doğrultusunda, İHA’nın manevra yapmasını sağlayan ünitedir.
İHA’nın 3 eksende hareketini sağlamak için 120 derece dönüş kabiliyetine sahip Tower Pro MG90D metal dişli servo motor kullanılmaktadır. MG90D servo motorun özellikleri Tablo 1.1’de verilmiştir.
Tablo 1.1 MG90D servo motor özellikleri
Çalışma voltajı 4.8v-6.6v Çalışma hızı (4.8v) 0.10 saniye/60 derece Stall torku (4.8v) 2.1 Kg.cm Çalışma hızı (6.0v) 0.08 saniye/60 derece
Stall torku (6.6v) 2.4 Kg.cm Boştayken akım çekimi 10 mA
Isı aralığı 0-55 derece Yüksüz anlık akım çekimi 170 mA
Çalışma ısı aralığı 0 + 50 derece Stall anlık akım çekimi 1600 mA
İHA’nın aviyonik sistemlerinden alınan verilerin işlenmesi ve alınan veriler doğrultusunda İHA bileşenlerine gerekli sinyallerin gönderilmesini sağlamak üzere, Pixhawk Cube Orange oto pilot kartı kullanılmaktadır. Pixhawk Cube Orange, ArduPilot ve MAVLink yazılımlarını destekleyen açık kaynak kodlu bir oto pilot kartıdır. Pixhawk Cube Orange oto pilot kartının özellikleri Tablo 1.2’de verilmiştir.
Tablo 1.2 Pixhawk Cube Orange oto pilot kartı özellikleri
Güç giriş voltajı 4.1-5.7 V USB bağlantı noktası giriş voltajı 4-5,7 V
Nominal giriş akımı 2.5 A Nominal giriş akımı 250 mA
Nominal güç çıkışı 14 W Çalışma Sıcaklığı -10 ° C / 55 ° C
Giriş gücü 14 W Servo ray giriş voltajı 3,3 V / 5 V
İHA’nın uçuşu sırasında toplam basınca ve buna bağlı olarak akışkanın hızını ölçerek, İHA’nın hız verilerinin doğruluğunu arttırmak üzere APM Pixhawk pitot tüpü ve PT60 hava hızı sensörü kullanılmaktadır. PT60 hava hızı sensörünün özellikleri Tablo 1.3’de verilmiştir.
Tablo 1.3 PT60 hava hız sensörü özellikleri
Basınç -2 ila 2 kPa (-0.3 ila 0.3 psi) Sensör Üst port dinamik basınçtır. Alt port statik basınçtır.
Haberleşme Dijital fark basınç sensörlerini
kullanarak, I2C haberleşme Güç 0.5 ila 4.5 V çıkışı
İHA’nın yüksek hassasiyete sahip konum verilerinin alınması için Here3 GNNS sistemi kullanılmaktadır. Here3 pusula, ivmeölçer ve RTK desteği sağlayan uygun maliyetli bir GNSS sistemidir. Here3 GPS’in özellikleri Tablo 1.4’te verilmiştir.
Tablo 1.4 Here3 GPS özellikleri
Alıcı tipi u-blox M8 yüksek hassasiyetli GNSS modülleri (M8P)
Konumlandırma doğruluğu 3D FIX: 2,5 m / RTK:0,025 m
Navigasyon güncelleme hızı Maksimum 8Hz
İletişim protokolü CAN
Çalışma sıcaklığı -40oC ila 80oC
1.1.2. Haberleşme Ünitesi
Haberleşme ünitesi, yer kontrol, uçuş kontrol ve görev üniteleri arasında veri iletiminin yapıldığı ünitedir.
Haberleşme ünitesinde veri iletimini sağlamak için Herelink alıcı-verici ve Taoglas anten kullanılmaktadır. Herelink alıcı-verici, telemetri, kumanda ve gerçek zamanlı görüntü verilerinin aktarımını sağlayabilmektedir. Herelink alıcı-verici’nin özellikleri Tablo 1.5’de verilmiştir.
Tablo 1.5 Herelink alıcı-verici özellikleri
Görüntü işleme Mali-T860 GPU
SDR A7 DSP
Aktarım mesafesi FCC 20 KM CE/SRRC 12 KM
Görüntü iletim gecikmesi 110 ms
Görüntü aktarımı 30 FPS 1080p@de 20 p&60 FPS aktarmada 720, 20MHz/10 MHz sinyal bant
Frekans bandı 2,4 GHz
ISM alma hassasiyeti 20MHz’de -99 dBm
BW parazit giderme 1 saniye
1.1.3. Görev Ünitesi
Görev ünitesi, kamera ve Wi-Fi donanımından alınan veriler doğrultusunda, görev bilgisayarında görüntü işleme ve otonom uçuş yazılımının yürütüldüğü ünitedir. Görev ünitesinde Alfa Network awus036ach, Logitech C922 Pro ve Jetson Xavier NX olmak üzere 3 donanım bulunmaktadır.
İHA’nın yarışma sunucusundan gelen rakip İHA verilerinin Ülgen İHA’ya iletimini Alfa Network Wi-Fi modülü üstlenmektedir. Alfa Network Wi-Fi modülünün özellikleri Tablo 1.6’da verilmiştir.
Tablo 1.6 Alfa Network Wi-Fi modülü özellikleri
Kablosuz frekans Çift bant Bağlantı frekansı 2,4GHz – 5GHz
Maksimum veri hızı 1200 Mbps İşlemci Realtek 8812AU
İHA’nın görev bilgisayarı tarafından işlenecek olan görüntünün yüksek FPS hızında alınması işlemini C922 Pro kamera üstlenmektedir. C922’nin özellikleri Tablo 1.7’de verilmiştir.
Tablo 1.7 Logitech C922 Pro kamera özellikleri Maksimum çözünürlük 1080p/30 FPS - 720p/60 FPS
Sistem uyumluluğu
Windows 7 ve üzeri
Odaklama türü Otomatik odaklama macOS 10.10 veya üzeri
Mercek türü Cam USB-A bağlantı noktası
Yerleşik mikrofon Stereo Diyagonal görüş akışı 78°
Görev bilgisayarı olarak, işlemlerin yüksek performansta gerçekleştirilmesi için Jetson Xavier NX kullanılmaktadır. Ana görevi görüntü işleme yazılımını çalıştırarak Ülgen İHA’nın rakip İHA’ları tespit ve takip edebilmesi, yer kontrol istasyonundan alınan rakip İHA’ların konum verilerini işlemesi ve oto pilot kartı ile bilgi paylaşımı sağlamasıdır. Jetson Xavier NX, robotlar, İHA'lar ve diğer otonom ürünler için tasarlanmış yüksek güçlü bilgisayar performansı sağlamaktadır. Jetson Xavier NX görev bilgisayarının özellikleri Tablo 1.8’de verilmiştir.
Tablo 1.8 Jetson xavier görev bilgisayarı özellikleri
Güç 10W 15W
CPU Maksimum Frekans
2-core @1500MHz 4-core @1200MHz
2-core @1900MHz 4/6-core @1400MHz
GPU Maksimum Frekans 800 MHz 1100MHz
AI Performansı 14 TOPS (INT8) 21 TOPS (INT8)
GPU 384-core NVIDIA VoltaTM GPU ile 48 Tensor Cores
CPU 6-core NVIDIA Carmel ARM®v8.2 64-bit CPU 6MB L2 + 4MB L3
Video Çözücü 2x 4K @ 60 | 4x 4K @ 30 | 12x 1080p @ 60 | 32x 1080p @30 ( H.265) 2x 4K @ 30 | 6x 1080p @ 60 | 16x 1080p @ 30 (H.264) Video Kodlama 2x 4K @ 30 | 6x 1080p @ 60 | 14x 1080p @ 30 (H.265/ H.264)
Bellek 8GB 128-bit LPDDR4x @ 1600 MHz 51.2GB/s
1.1.4. Yer Kontrol Ünitesi
Yer kontrol ünitesi, telemetri ve kilitlenme verilerinin sunucuya aktarımı ve diğer araçların telemetri paketlerini İHA görev bilgisayarına aktarımını üstlenmektedir. Yer kontrol ünitesi;
Monster Tulpar T5 V20 bilgisayar, Herelink kumanda ve Wi-Fi modülü donanımlarından oluşmaktadır. Birinci yer kontrol istasyonu olarak Herelink ve ikinci yer kontrol sistemi olarak da Monster bilgisayar kullanılmaktadır.
İHA’nın kontrol edilebilmesi, telemetri verilerinin ve canlı görüntünün alınabilmesi için Herelink kumanda kullanılmaktadır. Herelink kumandaya ait özellikler Tablo 1.9’da verilmiştir.
Tablo 1.9 Herelink kumanda ve 1. yer kontrol istasyonu özellikleri
SOC ARM Cortex A53 4 çekirdekli 2.2GHz + Cortex A53 4 çekirdekli 1.4GHz
Görüntü işleme Mali-T860 GPU
Frekans Bandı 2.4GHz
SDR A7 + DSP
Görüntü aktarımı 720p@30fps 1080p@30 / 60fps aktarım, sinyal bant genişliği 20MHz / 10MHz
Hava Birimi LPDDR3:1GB
Yer İstasyonu LPDDR3: 2GB
İletim Mesafesi FCC 20km CE / SRRC 12km görüntü aktarım gecikmesi: ≤ 110ms
Yer kontrol istasyonu olarak veri aktarımı ve işlem hızı bakımından güçlü olan Monster Tulpar T5 V20.2 bilgisayar kullanılmaktadır. Monster Tulpar T5 bilgisayara ait özellikleri Tablo 1.10’da verilmiştir.
Tablo 1.10 2. yer kontrol istasyonu özellikleri
İşletim sistemi Ubuntu 20.04 Bellek 16GB DDR4 1.2V 2933MHz SODIMM
İşlemci Intel® Comet Lake
Core™ i7-10750H Ekran kartı nVIDIA® GeForce® RTX2060 6GB GDDR6 192-Bit DX12
1.1.5. İtki Ünitesi
İtki ünitesi, uçuş sırasında anlık olarak gerekli olan itkinin sağlandığı ve oto pilot yazılımından gelen veriler doğrultusunda motorun çalışma hızının kontrol edildiği ünitedir.
İtki ünitesinde, gerekli olan itki gücünü sağlamak üzere X4110S 400 KV fırçasız motor kullanılmaktadır. X4110S fırçasız motor’un özellikleri Tablo 1.11’de verilmiştir.
Tablo 1.11 X4110S fırçasız motor özellikleri
Motor türü Fırçasız Motor Rotor direkleri 14
Motor KV değeri 400 KV Maksimum sürekli akım 45A / 30s
Stator yuvaları 12 Maksimum Li-Po hücresi 6S
Motoru kontrol etmek için Hobbywing 40A elektronik hız kontrolörü (ESC) kullanılmaktadır. Hobbywing 40A ESC’nin özellikleri Tablo 1.12’de verilmiştir.
Tablo 1.12 Hobbywing 40A ESC özellikleri
Sürekli maksimum akım 40A Desteklediği Li-Po hücre sayısı 2-6S
Anlık maksimum akım 60A(10sn.) Gaz sinyal desteği 621Hz+
İtki ünitesinde, motora entegre edilerek itki sağlaması için 13x5,5 karbon fiber pervane kullanılmaktadır. 13x5,5 karbon fiber pervanenin özellikleri Tablo 1.13’de verilmiştir.
Tablo 1.13 13x5,5 pervane özellikleri
Boyut 13x5,5 inç (33.02cm x 13.97cm) Pervane tipi Katlanmaz
Malzeme Karbon fiber RPM 17000 maksimum
1.1.6. Güç Ünitesi
Güç sistemi, İHA bileşenlerine gereken gücün sağlandığı ve İHA’nın fazla akımdan korunduğu sistemdir. Güç sisteminde Li-Po batarya, UBEC, sigorta, güç dağıtım kartı ve güç modülü olmak üzere 5 donanım bulunmaktadır.
İHA’nın müsabaka boyunca kapasitesi doğrultusunda uçuş sağlayabilmesi için Tattu marka 6000mAh 35C Li-Po batarya kullanılmaktadır. Tattu 6000mAh 35C Li-Po bataryanın özellikleri Tablo 1.14’de verilmiştir.
Tablo 1.14 Li-Po batarya özellikleri
Kapasite 6000mAh Balans ucu JST-XH
Sürekli C değeri 35C Konnektör tipi XT60
Anlık C değeri 70C Şarj aralığı 1-3C önerilen,5C Maksimum
Sistemin maksimum çektiği akım hesaplanmış ve çekilen akımdan %10 fazla değerde bir sigorta kullanılmıştır. İhtiyaç duyulan değeri Megaval MTA 100A sigorta sağlamaktadır.
Uçuş kontrol kartını ve sistemin beslemesini sağlamak üzere Pixhawk Brick güç modülü ve Suppo 15A UBEC kullanılmaktadır. Pixhawk Brick güç modülünün özellikleri Tablo 1.15’te ve Suppo 15A UBEC’in özellikleri Tablo 1.16’da verilmiştir.
Tablo 1.15 Brick güç modülü özellikleri Maksimum giriş gerilimi 30A
Maksimum akım algılaması 90A
Anahtarlamalı regülatör çıkışı 5.3V-3A(maks.)5V ADC(anolog-dijital çevirici) için voltaj ve akım ölçüm
Tablo 1.16 Suppo UBEC özellikleri
Anlık akım 30a/10s Devamlı akım 15A
Voltaj 6-12s lipo Çıkış voltajı 5.25V +/- 0.5V
İHA’da sürekli akımı 1.5 amper, çıkış gerilimi DC 5V-12V olan Matek PDB-XT60 güç dağıtım kartı kullanılmaktadır. Matek güç dağıtım kartı, kamera, görev bilgisayarı, kumanda alıcısı, oto pilot kartı ve ESC’lere bataryadan gelen gücün dağıtılmasını sağlamaktadır. Matek güç dağıtım kartının özellikleri Tablo 1.15’te verilmiştir.
Tablo 1.17 Matek güç dağıtım kartı özellikleri
Gerilim 12.0+/-0.2VDC
Sürekli Akım 2Amp(Max.3A 10s/dakika) Giriş Voltaj Aralığı (3S-6S çalışması)9-26VDC
Jetson Xavier NX’in ve Herelink alıcı-vericinin beslemesini sağlamak üzere Voltaj Regülatörü kullanılmaktadır.
1.2. Sistem Nihai Performans Özellikleri
İnsansız Hava Aracı’nın performans özellikleri belirlenirken dikkat edilen hususlar; İHA’nın havada seyir uçuşu gerçekleştirebilmesi, manevra kabiliyetinin yüksek olması, yarışma alanında gerçekleştireceği göreve uyumluluğu, uçuş süresinin yüksek olması ve uçuş sırasında verimliliğin yüksek olması gibi parametreler olmuştur. Performans değerleri Xflr5, Flow5, eCalc, ANSYS uygulamalarından ve matematiksel hesaplamalardan yola çıkarak hesaplanmıştır.
İHA’nın nihai kalkış ağırlığı 4600g’dır ve 1500g faydalı yük taşıyabilmektedir. Pervane- Motor kombinasyonu, İHA’nın ağırlığına denk itki gücü sağlamaktadır. Seyir uçuşunu 17m/s hızla gerçekleştirmektedir. Normal şartlarda maksimum ulaşacağı hız değeri 24m/s’dir.
İHA’nın Stall’a girmemesi için sınır hücum açısı 12 derece, minimum hızı 12m/s’dır. İHA’nın 60 derecelik yatma hareketi ile dönüş Stall hızı 21m/s’dir. İHA’nın havada seyir uçuşu halinde maksimum uçuş süresi 18,27 dakikadır. İHA’yı havada tutacak parça olan kanat, manevra kabiliyetinin yüksek olması ve stabil uçuş gerçekleştirmesi amaçlanarak üstten kanat yapılıp, konvansiyonel kanat tipi seçilmiştir. Kanat profili Clark-Y ve kuyruk profili NACA0012’dir.
Kanat açıklığı 180 cm ve veter uzunluğu 30cm olarak seçilmiştir. Düzlemsel olarak kararlı hale gelmesi sönümlü salınım hareketi ile gerçekleşmektedir ve kararlı bir uçuş gerçekleştirmektedir. Kanadın alana göre düşen ağırlık oranı 86,14g/dm2’dir. Maksimum uçuş irtifası 1800m, haberleşme menzili 20km’dir.
2. ORGANİZASYON ÖZETİ 2.1. Takım Organizasyonu
ARTEK ÜLGEN takımı 9 kişiden oluşmaktadır. Tüm takım üyeleri Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi öğrencisidir. Takım üyelerinin çalışma alanları belirlenerek birimlere ayrılmıştır. Takım üyeleri ve çalışma alanları Şekil 2.1.1’de verilmiştir.
Şekil 2.1.1 Takım şeması
Yer kontrol istasyonu birimi, İHA’nın konfigürasyonu, veri takibi, otonom görev planlaması ve yer kontrol istasyonu ile İHA’nın haberleşmesinden sorumludur. Elektronik birimi, İHA’da bulunan bileşenlerin elektronik bağlantılarını planlayan ve entegrasyonunu gerçekleştiren birimdir. Yazılım birimi, İHA’nın otonom uçuş algoritmasını, bilgisayar ile görü yazılımını ve kaçış algoritmasını görev ünitesi içerisinde çalıştırılmasından sorumlu birimdir. Haberleşme birimi, İHA ile yer kontrol istasyonu arasındaki ve yer kontrol istasyonu ile yarışma sunucusu arasındaki veri iletiminden sorumlu birimdir. Aerodinamik ve analiz birimi; İHA’nın uçuş performansının maksimum verimlilik için aerodinamik parametrelerinin hesaplarını gerçekleştiren ve gereklilikleri tasarıma yansıtan birimdir. Tasarım birimi; İHA’nın yapılan aerodinamik gereklilikleri ve yapısal analizleri göz önünde bulundurarak bilgisayar ortamında tasarımı gerçekleştiren birimdir. Üretim birimi; İHA’nın nihai tasarımın malzeme gereksinimlerini belirleyen ve üretim aşamasında görev alan birimdir.
2.2. Zaman Akış Çizelgesi ve Bütçe
ARTEK ÜLGEN İHA üretimini gerçekleştirmek için gerekli malzemeler Tablo 2.2.1’de belirtilmiştir. Zaman içerisinde malzemeler arasında bazı karar değişikliklerine gidilmiştir.
Tablo 2.2.1 Planlanan-gerçekleşen bütçe dağılımı MALZEME
GÖREV ADET TAHMİNİ
BÜTÇE GERÇEKLEŞEN BÜTÇE
PLANLANAN BELİRLENEN P B
1. Jetson Xavier
NX Jetson Xavier NX Görev
Bilgisayarı 1 1 4800 ₺ 5350 ₺
2. Pixhawk Cube Black
Pixhawk Cube
Orange Otopilot 1 1
4000 ₺
3500 ₺ 3. Pixhawk Here
2 Pixhawk Here 3 GPS 1 1 1300 ₺
4. SunnySky
X3120S SunnySky X4110S Motor 1 2 360 ₺ 1000 ₺
5. Profuse 6S 12000 mAh
6S 6000mAh
22.2V 35C Batarya 1 1 1600 ₺ 2000 ₺
6. EOLO 13x7 13x5.5 pervane Pervane 1 2 20 ₺ 270 ₺
7. Logitech C920 Logitech C922 Pro Görüntü İşleme
Kamerası 1 1 1000 ₺ 1200 ₺
8. MG958 Servo Motor
MG90D Servo Motor
Yönelme
Hareketi 4 4 410 ₺ 360 ₺
9. 100A Bıçak Sigorta
100A Bıçak
Sigorta Sigorta 1 1 20 ₺ 20 ₺
10. MATEK PDB MATEK PDB Güç Dağıtımı 1 1 100 ₺ 80 ₺
11. FBV UBEC
5V/3A UBEC 15A Güç Sağlama 1 1 45 ₺ 280 ₺
12. PT60 Pitot
Tüpü PT60 Pitot Tüpü Hava Hızı
Sensörü 1 1 445 ₺ 390 ₺
13.
Alfa AWUS036AC
H
Alfa
AWUS036ACH Wi-Fi 1 2 1255 ₺ 2510 ₺
14.
SunnySky EOLO 80A 5-
14S
Hobbywing ESC
40A ESC 1 2 650 ₺ 400 ₺
15. Pixhawk RFD 900 TX
Herelink Kumanda Kumanda 1
1
2995 ₺
9500 ₺ 16. Frsky Taranis
XD9 Plus 1 2000 ₺
17. Tp-link
CPE710 1 490 ₺
18. - Mini Devre Kesici Devre Kesici - 1 - 60 ₺
19. Emlid Power
Modülü Brick Güç Modülü Güç Sağlama 1 1 170 ₺ 100 ₺
20. - LM317 Voltaj
Regülatörü Güç Sağlama - 1 - 12 ₺
21. - XL4016 Voltaj
Regülatörü Güç sağlama - 1 - 30 ₺
TOPLAM=20.360₺ TOPLAM=28.362₺
İHA’da 1 adet SunnySky X3120S Motor yerine 2 Adet SunnySky X4110S Motor kullanılması kararlaştırılmıştır ve bu değişiklikten dolayı 640₺ fiyat farkı çıkmıştır. Profuse 6S 12000 mAh yerine seçilen 6S 6000mAh 22.2V 35C, batarya kategorisinde 400₺ farka sebep olmuştur. EOLO 13x7 pervane yerine seçilen 13x5.5 pervane toplamda 250₺ bütçe farkı çıkarmıştır. Logitech C920 yerine seçilen yine aynı markanın Logitech C922 Pro görüntü işleme kamerası 200₺ fiyat farkı çıkarmıştır. Jetson Xavier NX fiyatındaki artış ise 550₺
olmuştur. Pixhawk Cube Black ve Here2 seti yerine seçilen Pixhawk Cube Orange ve Here3 800₺ fiyat farkı çıkarmıştır. FBV UBEC 5V/3A yerine seçilen UBEC 15A 235₺ fiyat farkı
SunnySky EOLO 80A 5-14S yerine seçilen 2 adet Hobbywing ESC 40A toplam bütçede 250₺
kazanç sağlatmıştır. Pixhawk RFD 900 TX, Frsky Taranis XD9 Plus ve Tp-link CPE710 yerine seçilen Herelink kumanda bu 3 malzemenin yerine geçerek toplam bütçede 4015₺ fiyat farkı çıkartmıştır. Emlid Power Modülü yerine seçilen Pixhawk Güç Modülü ise toplam bütçede 70₺
kazanç sağlatmıştır. Kullanılmasına yeni karar verilen Mini Devre Kesici toplam bütçeye 60₺
olarak eklenmiştir. Tüm değişikliklerin sonucu bütçeye 8.002₺ olarak yansımıştır.
ARTEK ÜLGEN İnsansız Hava Aracı çalışmaları 25.02.2021 tarihinde ön tasarım raporu yazım süreci ile başlamıştır. Bu süreçte ilk olarak takım üyeleri arasında görev dağılımı yapılıp şartname incelemesi ve literatür taraması gerçekleştirilmiştir. Daha sonra İHA ön tasarım çalışmalarına başlanmıştır ve haberleşme sistemi belirlenmiştir. İHA yapısal analizinin gerçekleştirilmesiyle ön tasarım raporu süreci sonlandırılmıştır. Bu süreçteki aksaklıklar İHA haberleşme sisteminin belirlenmesinde yaşanan 2 günlük aksaklıktan kaynaklanmaktadır.
Ayrıntılı tasarım, yazılım ve analiz süreci 26.03.2021 tarihinde İHA yazılım çalışmaları ile başlamıştır. Yazılım çalışmaları sürecindeki aksaklık en uygun verilere ulaşabilmek adına yaşanmıştır. İHA tasarım ve aerodinamik geliştirmeleri planlandığı gibi nisan ayının 3.
haftasında sonlandırılmıştır. Ön tasarım raporu sürecinde belirlenen İHA görev ve haberleşme sistemi bu başlık altında da yürütülmeye devam edilmiştir. Yazılım algoritmalarının tamamlanması ile ayrıntılı tasarım, yazılım ve analiz süreci sonlandırılmıştır. Prototip, geliştirme ve kritik tasarım raporu (KTR) süreci planlandığı gibi 20.04.2021 tarihinde prototip üretim çalışmaları ile başlamıştır. Daha sonra İHA yazılım geliştirmeleri planlanan bitiş tarihinden 12 gün sonra sonlandırılmıştır. Bunun sebebi ise test etme sürecinde en doğru verilerin elde edilmek istenmesidir. Prototip deneme süreci 05.05.2021 tarihinde başlatılarak yarışmaya hazırlık aşamaları boyunca devam ettirilmiştir. KTR yazım süreci planlandığı gibi mayıs ayında başlayıp haziran ayında sonlandırılmıştır. İHA üretim, test ve uçuş çalışmaları 01.06.2021 tarihinde yazılım ve haberleşme testleri ile başlamıştır. Veri iletim testleri, otonom uçuş testleri, hedefe kitlenme testleri ve görev testleri üretim esnasında devamlı olarak gerçekleştirilerek tamamlanmıştır. Son olarak uçuş kanıt ve sistem tanımlama videoları çekilerek 01.08.2021 tarihinde sisteme yüklenecektir. Planlanan ve gerçekleşen iş akış çizelgesinin şeması Şekil 2.2.1’de verilmiştir.
1.H 2.H 3.H 4.H1.H 2.H 3.H 4.H1.H 2.H 3.H 4.H1.H 2.H 3.H 4.H1.H 2.H 3.H 4.H1.H 2.H 3.H 4.H1.H 2.H 3.H 4.H 1. KAVRAMSAL TASARIM RAPOR SÜRECİ 25.02/25.03.2021 25.02/26.03.2021
1.1 GÖREV DAĞILIMI VE ŞARTNAME İNCELENMESİ 25.02.2021 25.02.2021 1.2 LİTERATÜR TARAMASI 26.02/04.03.2021 26.02/04.03.2021 1.3 TEKNİK VE MALİ YAPILABİLİRLİK ÇALIŞMALARI 26.02/07.03.2021 26.02/07.03.2021 1.4 MALZEMELERİN BELİRLENMESİ 01.03/08.03.2021 01.03/08.03.2021 1.5 İHA ÖN TASARIM ÇALIŞMALARI 25.02/21.03.2021 25.02/21.03.2021 1.6 İHA HABERLEŞME SİSTEMİNİN BELİRLENMESİ 04.03/10.03.2021 04.03/12.03.2021 1.7 İHA GÖREV SİSTEMİNİN PLANLANMASI 04.03/12.03.2021 04.03/12.03.2021 1.8 İHA YAPISAL ANALİZİNİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ 21.03/24.03.2021 21.03/25.03/2021 1.9 YAZILIMIN VE DONANIMIN BELİRLENMESİ 05.03/20.03.2021 05.03/20.03.2021 1.10 KAVRAMSAL TASARIM RAPORU YAZILMASI 26.02/25.03.2021 26.02/26.03.2021 2. AYRINTILI TASARIM,YAZILIM VE ANALİZ 26.03/05.05.2021 28.03/17.05 2.1 İHA YAZILIM ÇALIŞMALARI 26.03/01.05.2021 28.03/04.05.2021 2.2 İHA TASARIM VE AERODİNAMİK GELİŞTİRMESİ 27.03/15.04.2021 28.03/17.04.2021 2.3 İHA GÖREV SİSTEMİ ÇALIŞMALARI 30.03/01.05.2021 30.03/10.05.2021 2.4 HABERLEŞME SİSTEMİ ÇALIŞMALARI 06.04/01.05.2021 06.04/08.05.2021 2.5 YAZILIM ALGORİTMALARININ TAMAMLANMASI 20.04/05.05.2021 20.04/17.05.2021 3. PROTOTİP, GELİŞTİRME VE KTR SÜRECİ 20.04/28.06.2021 20.04/22.06.2021 3.1 PROTOTİP ÜRETİM SÜRECİ 20.04/05.05.2021 20.04/05.05.2021 3.2 İHA YAZILIM GELİŞTİRMELERİ 03.05/01.06.2021 03.05/13.06.2021 3.3 İHA GÖREV SİSTEMİ 03.05/01.06.2021 03.05/04.06.2021 3.4 İHA HABERLEŞME SİSTEMİ GELİŞTİRMELERİ 03.05/01.06.2021 01.06/06.06.2021 3.5 PROTOTİP DENEME SÜRECİ 05.05/28.06.2021 05.05/- 3.6 KRİTİK TASARIM RAPORU YAZIM SÜRECİ 01.05/06.06.2021 01.05/22.06.2021 4. ÜRETİM, TEST VE UÇUŞ ÇALIŞMALARI 01.06/01.08.2021 01.06/- 4.1 İHA YAZILIM TESTLERİ 01.06/13.07.2021 01.06/- 4.2 İHA HABERLEŞME TESTLERİ 01.06/13.07.2021 01.06/-
4.3 İHA ÜRETİM SÜRECİ 28.06/11.07.2021 28.06/-
4.4 VERİ İLETİM TESTLERİ 29.06/12.07.202 29.06/-
4.5 İHA OTONOM UÇUŞ TESTLERİ 13.07/20.07.2021 13.07/- 4.6 İHA HEDEFE KİTLENME TESTLERİ 14.07/24.07.2021 14.07/- 4.7 İHA GÖREV TESTİNİN TAMAMLANMASI 17.07/24.07.2021 17.07/- 4.8 UÇUŞ KANIT VE SİSTEM TANIMLAMA VİDEOLARININ
ÇEKİLME SÜRECİ 13.07/01.08.2021 13.07/-
NİSAN HAZİRAN AĞUSTOS
MART MAYIS TEMMUZ
ARTEK ÜLGEN
SAVAŞAN İNSANSIZ HAVA ARACI PLANLANAN BAŞLANGIÇ VE
BİTİŞ TARİH
GERÇEKLEŞEN BAŞLANGIÇ VE BİTİŞ TARİH
ŞUBAT PLANLANAN
GERÇEKLEŞEN
3. DETAYLI TASARIM ÖZETİ
3.1. Nihai Sistem Mimarisi
Hava aracı ünitesi mimarisi, uçuş kontrol ünitesi, görev ünitesi, itki ünitesi, haberleşme ünitesi, güç ünitesi ve yer kontrol ünitesinden oluşmaktadır. Uçuş kontrol ünitesinde Pixhawk marka Cube Orange uçuş kontrol kartı, PT60 Hava Hızı sensörü, Here3 CAN GPS modülü, ve Tower Pro marka MG90D servo motoru bulunmaktadır. Kavramsal sistem mimarisi, uçuş kontrol ünitesinde bulunan Here2 GPS modülü değiştirilerek, u-blox M8 yüksek hassasiyetli GNSS alıcı sayesinde hassas konum verileri sağlayan Here3 GPS modeline geçilmiştir. Haberleşme ünitesinde, Pixhawk marka HereLink model alıcı ve Taoglas marka anten bulunmaktadır.
Kavramsal mimaride haberleşme ünitesinde kullanılan RFD900X telemetri donanımı, Herelink donanımı kullanılması sebebiyle sistem tasarımından çıkarılmıştır. Herelink Donanımı, HD olarak video ve telemetri verilerinin yer istasyonu 20 km'ye kadar iletilmesine ve kumanda kontrolüne izin vermesi, nihai sistem mimarisinde kullanılmasına sebep olmuştur. Görev ünitesinde, NVIDIA marka Jetson Xavıer NX bilgisayar kartı, Logitech marka C922 Pro kamera ve Alfa marka Awus036ACH WiFi adaptörü kullanılacaktır. Kavramsal sistem mimarisi, görev ünitesinde belirtilen Logitech marka C920 kamera çıkarılarak, yerine 720p/60fps değerine sahip Logitech C922 Pro kamera kullanılmıştır. Yer kontrol ünitesinde, Pixhawk marka Herelink Kumanda, Monster marka Tulpar T5 diz üstü bilgisayar ve Alfa marka Awus036ACH Wi-Fi adaptörü kullanılacaktır. Herelink uzaktan kumanda özel Solex TX ve QGC uygulamalarına sahiptir. Herelink uzaktan kumandanın sağlamış olduğu kumanda kontrolü ve telemetri verileri iletmesi özellikleri sayesinde, kavramsal sistem mimarisi, yer kontrol ünitesinde kullanılan CPE-710 ve Taranis XD9 Plus kumanda, sistem tasarımından çıkarılmıştır. İtki ünitesinde, Hobbywing marka 40A ESC, SunnySky marka X4110S DC Fırçasız motor ve F06792 13x5.5 karbon fiber pervane kullanılacaktır. Kavramsal sistem mimarisi, itki ünitesinde belirtilen X3120 DC Fırçasız Motor, EOLO 80A ESC ve 13x7 pervane değiştirilerek, X4110S motor, Hobbywing 40A ESC ve F06792 13x5.5 karbon fiber pervane kullanılmıştır. İHA tasarımının çift motorlu olarak değişmesi ve ağırlığa oranla yeterli itki ile daha az akım çekerek uçması, değişiklik yapılmasına neden olmuştur. Güç ünitesinde, Tattu marka 6S 6000mAh Li-Po pil, Pixhawk marka Power Brick güç modülü, Matek marka güç dağıtım kartı, 100A bıçak sigorta, AK-SA marka akım kesici, Suppo marka 15A UBEC, XL4016 ve LM317 voltaj regülatörü bulunmaktadır. Kavramsal sistem mimarisi, güç ünitesinde belirtilen Profuse 6S 12000mAh Li-Po pilin piyasada tükenmesi sebebiyle, Tattu marka 6S 6000mAh Li-Po pil kullanılmaktadır. Nihai sistem mimarisinde, Pixhawk Cube Orange, Jetson Xavier NX ve Herelink Alıcı-Verici donanımlarına güç vermesi için kavramsal sistem mimarisinde belirtilmeyen Suppo 15A UBEC, XL4016 ve LM317 voltaj regülatörleri kullanılmaktadır. Değişikliğe gidilen bileşenler dahilinde oluşturulan nihai sistem mimarisi Şekil 3.1.1’de verilmiştir.
Şekil 3.1.1 Nihai sistem mimarisi
3.2. Alt Sistemler Özeti
Savaşan İHA ÖTR’nin “Alt Sistemlerin Seçim Kriterleri ve Sistem Uyumlulukları” başlığı altında İHA’nın ağırlığı 5040 gram iken, nihai tasarımda İHA’nın ağırlığı 4600 gram olarak belirlenmiştir. Nihai İHA’da çift motor tasarımına geçilmesi kararlaştırılmıştır. İHA’nın çift motor kullanımına karar verilmesi sonucunda DC fırçasız motor ve pervane değişimine ihtiyaç duyulmuştur. ÖTR’de belirtildiği gibi İHA’nın kalkışını gerçekleştirmesi ve stall hızını koruyabilmesi için gerekli itkiye ihtiyacı vardır. SunnySky X4110S DC fırçasız motor ve 13x5.5 pervane kombinasyonu yapılan analizler sonucunda gerekli itkiyi sağladığı tespit edilmiştir. X4110S motor ve 13x5.5 pervane kombinasyonu, düşük akım değerinde yeterli itkiyi sağlaması, nedeniyle İHA’nın uçuş süresinin arttırarak, aracın önemli bir gereksinimini sağlamıştır. ÖTR’de belirtilen Sunnysky EOLO 80A ESC, kullanılan X4110S DC motorun gereksinimini sağlamaktadır ancak hava aracı sisteminde ekstra bir ağırlığa neden olacaktır.
İHA’da motorun akım değerine uyumluluk ve düşük ağırlık gereksinimlerini HobbyWing 40A ESC karşılamaktadır. ÖTR’de belirtilen irtifa, hız, yönelme, pusula verilerinin işlenmesi ve işlenen veriler neticesinde uçuşun gerçekleştirilmesi için gerekli olan oto pilot gereksinimini, Pixhawk Orange Cube karşılamaktadır. Üzerinde bulunan I2C, ADC, CAN, UART portları ve PWM çıkışları sayesinde GPS, hava hızı sensörü, Herelink donanımı ve servolar ile uyumlu çalışmaktadır. Tablo 3.2.1’de Pixhawk 4 ve ÖTR’de kullanılması düşünülen Pixhawk Black Cube ile nihai İHA’da kullanılan Pixhawk Cube Orange karşılaştırılması verilmiştir.
Tablo 3.2.1 Oto pilot kartı karşılaştırması
Pixhawk Black Cube Pixhawk Orange Cube Pixhawk 4
İvmeölçer Sayısı 3 3 2
Manyetometre Sayısı 3 1 1
Barometre Sayısı 2 2 1
RAM 256 KB 1 MB 512 KB
İşlemci STM32F427 V3 STM32H753 STM32F100
Yardımcı İşlemci 32 bit STM32F103 güvenli yardımcı işlemci
STM32F103 32bit ARM Cortex-M3 24 MHz 8KB
SRAM
STM32F100 32 Bit ARM Cortex M3, 24MHz, 8KB
SRAM
Pixhawk Cube Orange uçuş kontrol kartının beslemesini, besleme gerilimi ile uyumlu Power Brick mini güç modülü sağlamaktadır. İHA’nın manuel ve otonom uçuş kontrollerinin sağlanması için kumanda sistemine gereksinim duyulmaktadır. Ön tasarım raporunda kumanda verilerinin yanı sıra, görüntü ve telemetri verilerinin aktarılması gereksinimi belirtilmiştir.
Herelink sistemi, görüntü aktarımı, telemetri ve kumanda kontrol verilerini iletebilmektedir.
Herelink sisteminde bulunan, alıcı-verici bileşeni, Pixhawk Cube Orange ile uyumlu bir şekilde çalışarak, telemetri ve kumanda verilerinin yer kontrol ünitesi ile iletişimini sağlamaktadır.
Pixhawk Herelink sisteminin, 720p @ 30fps 1080p @30/60fps görüntü aktarımı yapması,
≤110 ms görüntü aktarım gecikmesi olması ve 20km veri iletim mesafesine sahip olması sistem gereksinimini karşılamaktadır.
Yarışma sunucusundan alınacak rakip İHA verilerinin, görev ünitesine iletilmesi ve görev ünitesinden iletilen verilerin, alınarak işlenmesi amacıyla, JSON paketlerini iletebilen ve +500m mesafede çekim gücüne sahip Wi-Fi modülünü ihtiyaç duyulmaktadır. Belirtilen isterleri, 700m yarıçapta, 2.4 GHz veya 5GHz frekans bandında 867Mbps veri aktarım hızına sahip ALFA AWUS036ACH karşılamaktadır. İHA’nın hız verilerini daha doğru bir şekilde elde edilebilmesi için -2 ile 2kPa basınca kadar hava hızı ölçebilen ve I2C bağlantısı ile Pixhawk Cube Orange ile uyumlu, hava hız sensörüne ihtiyaç vardır. PT60 hava hızı sensörü, I2C bağlantısı sayesinde, Pixhawk Cube Orange ile uyumlu çalışmaktadır. ÖTR’de belirtilen, yüksek hassasiyette konum verilerinin elde edilmesi gereksinimini, pozisyon tutarlılığı 3DFİX’te 2.5m/ RTK’da 0.025m olan Here3 GPS karşılamaktadır. Tablo 3.2.2’de araştırılan bir diğer sistem Here2 GPS ile Here3 GPS karşılaştırılmıştır.
Tablo 3.2.2 GPS karşılaştırması
HERE 2 GPS HERE 3 GPS
Yazılım Güncelleme ✓ ✓
Protokol I2C, CAN CAN
Kompass ✓ ✓
RTK X ✓
Gerçek Zamanlı İşletim Sistemi X ✓
ÖTR’de belirtildiği üzere, yarışma sunucusuna İHA’dan gelen verileri iletme, arayüz uygulamalarını çalıştırma ve sunucudan anlık olarak veri almak için, yer kontrol istasyonu gereksinimi bulunmaktadır. İ7-10750H işlemci ve Nvidia Geforce RTX2060 6GB GDDR6
ekran kartı, 16GB DDR4 belleğe sahip olan Monster TulparV5 sistem gereksinimlerini karşılamaktadır.
İHA’da görev isterleri gereğince otonom uçuş yazılımlarının ve bilgisayar ile görü yazılımlarının tam performansta yürütülebilmesi için hızlı işlem gücüne sahip görev bilgisayarına ihtiyaç duyulmaktadır. Belirtilen ihtiyaçlar neticesinde görev bilgisayarı seçimi için yapılan araştırmalar ve belirli özelliklerde karşılaştırmalar sonucunda NVIDIA Jetson Xavier NX’te karar kılınmıştır. Jetson Xavier NX, UART üzerinden Pixhawk Cube Orange ile haberleşmeye uygundur. Jetson Xavier NX, sistemde kullanılan C922 Pro kamera ve Alfa AWUS036ACH ile uyumlu çalışmaktadır. Tablo 3.2.3’de görev bilgisayarı için araştırılan ürünler karşılaştırılmıştır.
Tablo 3.2.3 Görev bilgisayarı karşılaştırması
NVIDIA Jetson Xavier NX NVIDIA Jetson Nano NVIDIA Jetson TX2
GPU
384-core NVIDIA VoltaTM GPU with 48 Tensor
Cores
128-core Maxwell
256-core NVIDIA Pascal™ GPU architecture with 256 NVIDIA
CUDA cores Bellek 8GB 128-bit LPDDR4x @
1600 MHz 51.2GB/s
4 GB 64 Bit
LPDDR4|25.6 GB/s 8 GB L128 bit DDR4 AI
Performansı
14 TOPS(INT8) / 21
TOPS (INT8) - -
CPU
6-core NVIDIA Carmel ARM®v8.2 64-bit CPU
6MB L2 + 4MB L3
4-core ARM A57 @ 1.43 GHz
2 Denver 64-bit CPUs + Quad- Core A57 Complex
NVIDIA Jetson Xavier NX’in beslenmesi için NVIDIA Jetson Xavier NX’in giriş gerilimi ile uyumlu XL4016 voltaj regülatörü kullanılmaktadır. Pixhawk Cube Orange’ın Power2 portundan, servo motorların stabil çalışması için Cube Orange’ın besleme gerilimine uygun Suppo 5.2V 15A UBEC kullanılmaktadır. İHA’da bulunan ESC, UBEC ve voltaj regülatörlerine gerekli besleme gerilimini sağlayabilmek için 6S Li-Po batarya destekleyen Matek PDB-XT60 güç dağıtım kartı kullanılmaktadır. ÖTR’de belirtilen, 720x576 (PAL) ya da 640x480 (NTSC) çözünürlükte görüntü aktarabilecek, yüksek FPS değeri ve otomatik odaklama özelliğine sahip kamera kullanılması gerekmektedir. Belirtilen isteri, Ubuntu işletim sistemi ile uyumlu, otomatik odaklama özelliği ve 1080p/30fps - 720p/60fps çözünürlüğe sahip Logitech C922 Pro kamera kullanılması tercih edilmiştir. Tablo 3.2.4’te görev kamerası olarak araştırılan kameraların karşılaştırılması görülmektedir.
Tablo 3.2.4 Görev kamerası karşılaştırması
Logitech C922 Logitech C920
Diyoganal Dönüş Alanı (dFoV) 78o 78o
Mercek Türü Cam Cam
Odak Türü Otomatik Odaklama Otomatik Odaklama
Maksimum Çözünürlük 1080p/30fps- 720p/60fps 1080p/30fps- 720p/30fps
İHA’nın manevra ve hız kabiliyetini arttırabilmek adına çalışma hızı yüksek ve ağırlık bakımından hafif olan servo motora ihtiyaç duyulmaktadır. Belirtilen isteri 120 derece dönüş kabiliyetine sahip, MG958 metal dişli servo motora göre daha hafif olan MG90D karşılamaktadır. Li-Po pil seçiminde, motorlar ile uyumlu, yarışma müsabakasındaki 15 dakikalık uçuş süresini sağlayan Tattu 6000mAh Li-Po pil kullanılmaktadır. ÖTR’de belirtildiği üzere, sistem yaklaşık olarak maksimum 90A akım çekmektedir. Sistem güvenliğini sağlamak adına maksimum akımın %10 fazla değerine sahip sigorta kullanılması gerekmektedir. Belirtilen gereksinim 100A bıçak sigorta kullanarak karşılanmaktadır. Ayrıca İHA’nın güvenliğini sağlamak adına amper değeri sistem ile uyumlu bir güç kesici anahtar kullanılacaktır.
3.3. Hava Aracı Performans Özeti
Çift motorlu İHA’nın havada kalması için motor ve kanatlar görev almaktadır. Kanat, uçaklarda uçağı havaya kaldıran ve havada tutan parçadır. Kanat, hem kendini hem de uçağın tamamının ağırlığını havada taşıdığı gibi; yatış ve yunuslama gibi çeşitli farklı kuvvetlerle hareket etmesini de sağlamaktadır. İHA’nın tasarımında istikrarlı uçuş, yüksek manevra ve yavaş uçuş gibi isterlere göre kanat profili seçilmiştir. Bu isterleri karşılamak amacı ile planlanan İHA’nın profili seçilirken stall durumu, kaldırma katsayısı ve profil üzerindeki akış incelenmiştir. İncelenen kanat profilleri arasından en uygun görülen ve kararlılık ile ön plana çıkan Clark-Y kanat profili tercih edilmiştir[1]. Clark-Y NACA’nın “Yaygın kullanılan kanat kesitlerine ilişkin rüzgâr tüneli veri koleksiyonu” başlıklı 331 numaralı raporunda en çok tercih edilen kanat profili olarak birinci sırada yer almaktadır[2].Clark-Y kanat profilinin görseli Şekil 3.3.1’de, profil bilgileri Tablo 3.3.1’de verilmiştir.
Şekil 3.3.1 Clark-Y profili
Tablo 3.3.1 Clark-Y profil bilgileri
Profil Kalınlık Maksimum kalınlık konumu Kamburluk Maksimum kamburluk konumu
Clark- Y %11,7 %30,8 %3,55 %43,44
İHA’nın uçuş gerçekleştireceği konumlara göre bilgi alınmış ve buna göre analizler gerçekleştirilmiştir. Yarışmanın yapılacağı yer olan Bursa Yunuseli Havalimanı ve uçuş denemelerini gerçekleştirdiğimiz Sakarya Serdivan ilçesinin geçmiş senelerdeki hava durumu bilgileri ve deniz seviyesinden yükseklik bilgileri alınmıştır[3].
Ayrıca global kullanılan yükseklik ve hava durumu bilgileri de kullanılarak analiz ve hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Teknolojik ve sayısal analizlerde Reynolds sayısının deniz seviyesi değeri baz alınmıştır. Reynolds sayısı ve uçuş alanlarındaki bilgiler Tablo 3.3.2. ve Tablo 3.3.3’de verilmiştir.
Tablo 3.3.2 Uçuş alanlarındaki hava durumu bilgileri
Bursa Yunuseli Havalimanı Sakarya/Serdivan Deniz seviyesi
Rakım 331 metre 66 metre 0 metre
Ortalama Hava Durumu 29°C 20°C 15°C
Hava yoğunluğu (p) 1.124 kg/m3 1.190 kg/m3 1.225 kg/m3
Tablo 3.3.3 Reynolds sayıları Reynolds Sayısı (Re) p = Hava Yoğunluğu (kg/m3)
𝑅𝑒 = 𝑝∞𝑉∞𝑐 𝜇∞
Bursa Yunuseli
Havalimanı Re = 320,245
V = 17m/s Sakarya/Serdivan Re = 339,050
c = 0.30m Deniz seviyesi Re = 349,022
μ = 0.0000179 kg/ms
Dikkate alınan katsayılar; taşıma katsayısı (Cl), sürükleme katsayısı (Cd) ve yunuslama katsayısıdır (Cm). Bu katsayılar İHA’da kullanılan kanat profiline göre yapılmış olup değerleri Xflr5 ve Flow5 uygulamalarından alınmıştır. Xflr5 üzerinden yapılan analizler Flow5 üzerinde işlenerek daha fazla detay elde edilebilmektedir. Katsayıların matematiksel formülleri Denk.1’de verilmiştir.
𝐶𝑙 = 𝐿
𝑞∞𝑐 𝐶𝑑 = 𝐷
𝑞∞𝑐 𝐶𝑚= 𝑀
𝑞∞𝑐
Xflr5 programı ile kanat profilinin 2 boyutlu analizi yapılmıştır. Analizi yapılacak profilin hücum açısı -5 derece ile 18 derece aralığındaki değerler kullanılmıştır. Yapılan analiz sonucunda kanadın stall’a girme açısı 12 derece’dir ve daha yüksek değerlerde hava akışı bozulmaktadır. Kanat profilinin 2 boyutlu analizi ve grafikleri Şekil 3.3.2’te verilmiştir.
a)
(1)
b)
Şekil 3.3.2 Xflr5 uygulaması; a) Basınç ve hava akışı b) Katsayı grafikleri
Katsayıların 0 derece ve 12 derece aralığındaki maksimum ve minimum değerleri aşağıda verilmiştir. Katsayıların değerleri;
0 derece için Cl = 0,488 12 derece için Cl = 1,294
0 derece için Cd = 0,008 12 derece için Cd = 0,029
0 derece için Cm = -0,1 12 derece için Cm = -0,015
Teorik hesaplamalar ile analitik hesapların kontrolü amaçlı matematiksel hesaplamalar ile katsayılar doğrulanmıştır. Yapılan matematiksel hesaplamalar sonucu teorik hesaplar, analitik hesapları doğrular nitelikte bulunmuştur. Yapılan matematiksel hesaplamalar Matlab üzerinden alınan değerler sonucunda grafik haline getirilmiş ve Şekil 3.3.3’de verilmiştir.
Şekil 3.3.3 Matematiksel hesaplanan katsayıların grafikleri
İHA’nın seyir uçuşu gerçekleştirmesi için taşıma kuvveti ile ağırlık kuvvetinin birbirine eşit olması gerekmektedir. Yapılan hesaplamalar sonucunda CL katsayısının sağlanması için kanat açıklığı 180 cm, veter uzunluğu 30 cm ve kanat hücum açısı 3 derece açı ile yerleştirilmiştir.
Taşıma ve ağırlık dengesinin matematiksel hesaplamaları Denk. 2’de verilmiştir.
𝐿 = 𝑊 𝐿 =1
2 𝑝 𝑉2 𝑆 𝐶𝐿 𝑊 = 𝑚 𝑥 𝑔 𝐿 = 1
2 𝑥 1,225 𝑥 172 𝑥 0,54 𝑥 0,46 = 44 𝑁 𝑊 = 4,5 𝑥 9,8 = 44,1 𝑁
(2)
Yapılan hesaplamalar üzerinde analitik olarak kullanma amaçlı NASA’nın web tabanlı uygulaması olan Foilsim kullanılmıştır[4]. Foilsim, 2 boyutlu profillerin analizini basit hesaplamalar sonucu ortaya çıkarmaktadır ve kanat akış yönelmelerini göstermektedir. Yapılan analiz sonucu İHA’nın 52N’luk bir taşıma kuvveti sağladığı, kanat sürüklenmesinin ise 4N olduğu görülmüştür. Alınan veriler diğer analiz çıktılarının sonuçları ile karşılaştırmak için yapılmıştır. Foilsim uygulamasının verileri Şekil 3.3.4’te verilmiştir.
Şekil 3.3.4 Foilsim uygulaması; 2 boyutlu profil çıktısı
Analizler sonucu Cl katsayısı İHA’nın taşıma gereksinimini karşılamaktadır. Cd katsayısı ise kanat sürüklemesinin düşük değerlerde olduğunu ve hız konusunda avantaj sağladığını göstermektedir. Cl/Cd oranının hücum açısına göre değişimi incelendiğinde en yüksek değeri 3 derecelik açıda olup maksimum verim alınmıştır. Alınan katsayıların 3 boyutlu analizde değişiklik gösterebileceği için kanat ve kuyruğun boyutları; bileşenlerin ağırlık ve konumları Xflr5 uygulamasına eklenerek 3 boyutlu analize tabi tutulmuştur. Xflr5 uygulamasından elde edilen veriler Flow5 uygulamasına aktarılarak daha detaylı sonuçlar alınmıştır. Flow5 uygulamasından alınan 3 boyutlu analiz ve grafikler Şekil 3.3.5’te verilmiştir.
b)
Şekil 3.3.5 Flow5 Uygulaması 3 boyutlu analiz; (a) Basınç görseli, (b) Kanat veri grafikleri
İki boyutlu analizde sonsuz kanat analize tabi tutulurken, üç boyutlu analizde sonlu kanat analiz edilmiştir. Sonlu kanatların uçlarında oluşan girdaplar sürtünme kuvvetini arttırırken, kaldırma katsayısının azalmasına sebep olur. İHA için en güvenilir ve en doğru sonuçları 3 boyutlu analiz vermektedir. İHA, seyir uçuşunu 17m/s uçuş hızı ile sağlamaktadır. Hız-Hücum açısı grafiği incelendiğinde, 17m/s hız ile İHA tüm ağırlığını kaldırabilmekte ve hücum açısının artırılması sonucunda gerekli olan itki gücü azalmaktadır. Kaldırma katsayısı, 3 boyutlu analiz sonucu 3 derecelik hücum açısında CL=0,46’dır. Sürükleme katsayısı, 3 boyutlu analiz sonucunda 2 boyutlu analize göre yüksek değerler almaktadır, fakat bu küçük farklar göz ardı edilebilecek kadar küçük değerlerdedir. Kuyruk profili olarak NACA0012 profili seçilmiştir.
Kuyruk profili seçimine yaygın olarak kullanılmakta olan NACA0012’nin simetrik profil olmasından dolayı kuyrukta kullanılmıştır. NACA0012, 0 hücum açısında kaldırıma katsayısı CL=0 olmasından dolayı taşıma kuvveti oluşturmamaktadır. Hücum açısının artması ve azalması durumunda ana kanadın oluşturduğu dikey kuvvete paralel bir kuvvet uygulayarak İHA’nın düz bir şekle gelmesini sağlamaktadır. Bu durum hesaplanarak kanat-kuyruk mesafesi ayarlanmış ve aralarındaki mesafe 60cm yapılmıştır. Kuyruk veter uzunluğu 20cm, kuyruk açıklığı 45cm olarak tasarlanmıştır. Yunuslama katsayısı, İHA’nın seyir uçuşunda hafif bir yukarı yunuslama yaratmaktadır. Bu yunuslama İHA’nın stabil uçuşunu ve ani rüzgarlarda dengesini koruyabilmektedir. İHA’nın hücum açısı 1.5 derece olduğunda yunuslama katsayısı CM= 0’dır. CL/CD grafiği incelendiğinde İHA’nın seyir uçuşu sırasında kanat verimi maksimum seviyededir. İHA’nın manevra hareketlerini sağlayacak olan aileron, elevatör ve rudder kanatçıkları aynı şekilde Xflr5 ve Flow5 uygulamaları üzerinden incelenerek belirlenmiştir.
Nihai tasarımda yüksek manevra kabiliyetini sağlamak için kanatçıkların uçuş sırasındaki hava akışı incelenmiş, alınan grafikler sonucunda boyutları belirlenmiştir. Aileronlar için yapılmış analizin hava akışı ve grafikleri Şekil 3.3.6’da verilmiştir.
a)
b)
Şekil 3.3.6 a) Aileron hava akışı b) Aileron grafikleri
3.3.1. İtki ve Güç Sistemi
İHA’nın burun hizasında ileri doğru hareketi için gerekli itki sağlayacak olan motor gereksinimleri analizler ve hesaplamalar sonucunda kararlaştırılmıştır. Motor seçimi sırasında birçok motor liste haline getirilerek performansları karşılaştırılmıştır. Listede bulunan tüm motorların fırçasız motor olmasına dikkat edilmiştir. Fırçasız motor seçiminin yapılmasının sebebi, fırçasız yapıları ile sürükleme oluşmaması, yüksek verimli ve dönme momentlerinin yüksek olmasından dolayıdır. İHA için motor olarak X4110S 400 KV fırçasız motor seçilmiştir.
X4110S 400 KV fırçasız motorun veri değerleri test sonuçları ile hesaplanmış olup Tablo 3.3.4’de verilmiştir.
Tablo 3.3.4 SunnySky X4110S fırçasız motor verileri X4110S KV400
Pervane Volt(V) Amper(A) İtki(g) Watt(W) Verim(g/W)
13x5,5 25
1,5 450 37,5 12,00
3 730 75 9,73
4,5 980 112,5 8,71
6 1250 150 8,33
7,5 1400 187,5 7,46
9 1620 225 7,20
10,5 1730 262,5 6,59
12 1920 300 6,40
13,5 2060 337,5 6,10
Yapılan testler sonucunda motorun itki gücü, harcadığı amper ve verimliliği incelenmiştir.
Nihai İHA tasarımında iki adet motor kullanılmaktadır. İki motorun toplam itki gücü en fazla 4.680g olarak hesaplanmıştır. İHA’nın ağırlığına yakın olan itki değeri ile uçuş sağlamlığı arttırılmıştır. İHA’nın motorları CW ve CCW olarak seçilip iç bölgeye dönmesi sağlanmıştır.
Bunun en önemli sebebi kontrol edilebilirliği arttırmaktır.
Şekil 3.3.7 Pervane dönüş yönleri
Motor değişikliği yapılmasının başlıca sebepleri;
-Motorların uçuş yönüne bakması,
-İHA’nın uzun süre uçuş gerçekleştirebilmesi, -Daha az amper ile yeterli itkiyi sağlaması, -ESC boyutunun küçültülmesi,
-Dönüşlerin keskin dönüşler olması için motorların ayrı ayrı kullanılması.
Motorların uçuş yönüne bakması ile pervanelerin laminar hava akışı alabilmesi, motorun verimliliğinin artırılması ve ileri yönde itme kuvveti gerçekleştirmeleri sağlanmıştır. Motor araştırmaları yapılırken tek motor gereksinimini karşılayan motorlar incelendiğinde yüksek amper çektikleri görülmüştür. Yüksek amper değerlerine sahip ESC boyutlarının büyük olması ve piyasada bulunma zorlukları dikkat çekmiştir. Çift motor kullanarak toplam amper değeri düşürülmüş böylece uçuş süresi arttırılmıştır. Ayrıca gerekli ESC donanımlarının amper değeri düşerek boyutları küçülmüştür. ESC’lerin kanatlarda konumlandırılması sebebiyle gövde alanındaki yer arttırılmıştır. Yapılan bu seçim sonucunda motora gerekli olan amper değeri yarı yarıya indirilmiş itki kuvvetinde önemli değişiklik olmamıştır. İHA’nın motor gereksinimleri belirlenmiş ve buna göre hesaplamalar analiz üzerinde çalışan ekip üyeleri tarafından yapılmıştır. Yapılan devir/dakika hesaplamaları Denk. 3’de verilmiştir.
𝑇𝑎𝑚 𝐷𝑒𝑣𝑖𝑟 = 400 𝑥 22,2 = 8800 𝑑/𝑑𝑘 𝑌𝑎𝑟𝚤 𝐷𝑒𝑣𝑖𝑟 = 400 𝑥22,2
2 = 4400 𝑑/𝑑𝑘 𝑛 =(400 𝑥 22,2)
60 = 148 𝑅𝑃𝑆 𝑛 = 400 𝑥
22,2 2
60 = 74 𝑅𝑃𝑆 𝑇 = 0,0916 𝑥 1,114 𝑥 1482𝑥 0,334= 26,5 𝑁 𝑇 = 0,0916 𝑥 1,114 𝑥 1482
2 𝑥 0,334= 6,62 𝑁
İHA’nın tüm elektronik donanımlarını besleyecek olan bataryanın gereksinimleri analizler ve hesaplamalar sonucunda kararlaştırılmıştır. Batarya seçimi yapılmadan önce tüm donanımlar belirlenmiş, donanımların harcadığı amper değerleri listelenerek uygun batarya seçimi yapılmıştır. Batarya seçimi sırasında bataryanın Li-Po olmasına dikkat edilmiştir. İHA için batarya olarak Tattu 6S 6000mAh 35C Li-Po batarya seçilmiştir. Donanımların çektiği amper değerlerine göre Li-Po bataryanın gereksinimleri karşıladığı doğrulanmıştır.
(3)
İHA seyir uçuşu gerçekleştirdiği sürece motorlar ortalama %50 throttle ile çalışacaktır.
Kullanılacak olan 6000mAh bataryanın tamamı kullanılamayacağı ve Li-Po bataryanın sağlığı için %80’lik değeri kullanılacak olup 5000mAh’a değerine göre hesaplama yapılmıştır.
Donanımların harcadığı amper değerleri Tablo 3.3.5’te, yapılan hesaplama Denk.4’de verilmiştir.
Tablo 3.3.5. Güç sistemi
Elemanlar Adet Ortalama Akım (A) Ortalama Güç (W)
X4110S fırçasız motor 2 10 225
Jetson Xavier görev bilgisayarı 1 2.37 45,03
Pixhawk Cube otoplot kartı 1 2,25 12,15
Herelink Kumanda akıcısı 1 0,3 4
MG90D Servo motor 4 0,4 2,4
ALFA Network wifi modülü 1 0,3 1,5
PT60 APM Hız sensörü 1 0,3 3
Logitech C922 HD kamera 1 0,5 2,5
Toplam Akım (A) 16,42 Toplam Güç (W) 295,58
𝐵𝑎𝑡𝑎𝑟𝑦𝑎 𝐾𝑎𝑝𝑎𝑠𝑖𝑡𝑒𝑠𝑖(𝐴) 𝑥 60
𝑇𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 𝐴𝑘𝚤𝑚(𝐴) = 𝑈ç𝑢ş 𝑆ü𝑟𝑒𝑠𝑖(𝐷𝑎𝑘𝑖𝑘𝑎) 5 𝑥 60
16,42 ≅ 18,27 𝐷𝑎𝑘𝑖𝑘𝑎
Denk. 4’de yapılan hesaplamalar sonucu İHA’nın ortalama uçuş süresi 18,27 dakika olacaktır. Yapılan teorik hesaplamaların analitik hesaplamalar ile karşılaştırma yapılması için elektrikli tahrik simülasyonları gerçekleştiren Ecalc uygulaması kullanılmıştır[5]. Ecalc uygulamasına girilen motor, pervane, batarya ve ESC bileşenleri ile alınan veriler, yapılmış olan teorik hesaplamalara yakın değerlerde bulunmuştur. Ecalc uygulamasından alınan veriler Tablo 3.3.6.’te verilmiştir.
Pervane İtki Akım (DC)
Gerilim (DC)
Elektriksel
Güç İtki Yunuslama
Hızı Hız Çalışma Süresi dev/dk % A V W g oz g/W oz/W km/h mph km/h %85 dk
1200 14 0,1 23,5 3 47 1,7 15,8 0,56 10 6 ~ 1206
1800 21 0,3 23,5 6,8 106 3,7 15,5 0,55 15 9 ~ 526,7
2400 27 0,6 23,5 13,5 188 6,6 13,9 0,49 20 13 ~ 266,1
3000 35 1 23,5 24 294 10,4 12,3 0,43 25 16 ~ 149,5
3600 42 1,7 23,5 39,4 423 14,9 10,8 0,38 30 19 ~ 91
4200 49 2,6 23,4 60,6 576 20,3 9,5 0,34 35 22 ~ 59
4800 57 3,8 23,4 88,9 753 26,6 8,5 0,3 40 15 ~ 40,1
5400 64 5,4 23,4 125,3 953 33,6 7,6 0,27 45 28 ~ 28,4
6000 72 7,4 23,3 170,9 1176 41,5 6,9 0,24 50 31 53 20,8
6600 80 9,8 23,2 226,9 1423 50,2 6,3 0,22 55 34 63 15,6
7200 89 12,8 23,1 294,5 1694 59,7 5,8 0,2 60 38 68 11,9
7800 97 16,4 23 374,9 1988 70,1 5,3 0,19 65 41 74 9,3
7996 100 17,8 23 406,3 2089 73,7 5,1 0,18 67 42 76 8,6
(4)
Tablo 3.3.6 Ecalc verileri
