1
2. TÜBİTAK LİSELER ARASI İNSANSIZ HAVA ARAÇLARI YARIŞMASI
DETAYLI TASARIM RAPORU
TAKIM ADI: FRİG
TAKIM ID: 78677
KATEGORİ: DÖNER KANAT
KURUM ADI: AFYONKARAHİSAR ÖZEL ARAL OSB MESLEKİ VE TEKNİK ANADOLU LİSESİ
DANIŞMAN ÖĞRETMEN: Cemalettin AKDOĞAN
2 İÇİNDEKİLER DİZİNİ
Sayfa
İÇİNDEKİLER DİZİNİ 2
1.GENEL ÖZET 3
1.1 Tasarım Süreci 4
1.2 Temel Görev Gereksinimleri ve Tasarım Özellikleri 5
1.2 Sistem Performans Özellikleri 6
2.YÖNETİM ÖZETİ 8
2.1 Takım Organizasyonu 9
2.2 Zaman Akış Çizelgesi 10
3. DETAYLI TASARIM 11
3.1 Tasarımın Boyutsal Parametreleri 11
3.2 Tasarımın Yapısal Özellikleri 13
3.2.1 Gövde, Mekanik Sistemler 13
3.2.2 Aerodinamik Özellikler 14
3.2.3 Görev Mekanizması Sistemi 15
3.2.4 Elektrik Elektronik Kontrol ve Güç Sistemleri Entegrasyonu 16
3.3 Uçuş Performans Parametreleri 19
3.4 Hava Aracı Maliyet Dağılımı 21
4.PROTOTİP ÜRETİM SÜRECİ 22
4.1 İHA İmalat ve Montaj Süreci 22
4.2 İHA Elektrik Elektronik Entegrasyon Süreci 23
4.3 İHA Montajı ve Genel Kontroller 24
4.4 Üretim İş Zaman Çizelgesi Planlanan ve Gerçekleşen 26
5.TEKNİK ÇİZİMLER 27
3 1. GENEL ÖZET
Günümüzde insansız hava araçlarının önemi gün geçtikçe artmaktadır. İnsansız hava araçları askeri alanlarda, tarım uygulamalarında, fotoğraflama ve hobi amaçlı birçok projede kullanılmaktadır. Yarışma kapsamında insansız hava aracı olarak drone kullanılmıştır. Üretimi gerçekleştirilmiş olan drone Quadcopter (4 motorlu) gövde yapısına sahip olmak üzere uzunluğu 290mm ve ağırlığı 1950gr olacak şekilde üretilmiştir. Quadcopter gövde tipinin kullanılma sebebi diğer multikopter çeşitlerine göre daha hafif ve manevra kabiliyetinin yüksek olmasıdır. Drone gövdesinin üretilmesinde genel olarak alüminyum, pleksiglass, 3D yazıcı ve karbon fiber malzemeleri kullanılmaktadır. Sağlam ve hafif olması sebebiyle gövdenin üretilmesinde karbon fiber malzeme kullanılmıştır. Drone’un 3D boyutlu modellemesi için SOLIDWORKS kullanılmıştır.
Karbon fiber gövdenin üretilmesi danışman öğretmenimiz eşliğinde, okulumuzun atölyesinde bulunan 4 eksenli CNC Router ile karbon fiber plakadan kesilmiştir. Drone ile ilgili tüm uçuş işlemleri için Pixhawk kontrolcüsü kullanılmıştır. Pixhawk uçuş kontrolcüsünün kullanılma sebebi diğer uçuş kartlarına göre açık kaynak kodlu olması ve otonom uçuşu desteklemesidir. Pixhawk kontrolcüsüne üzerinde bulunan soketler vasıtasıyla ESC, Telemetri, GPS, Kumanda ve Servo motor bağlanabilmektedir.
İHA’larda yaygın olarak fırçasız motor kullanılmaktadır. Drone’un verimli bir şekilde uçabilmesi için motorların, ağırlığımız olan 1950 gr’ın yaklaşık iki katı olan 3900 gr’ı kaldırabilecek güçte olması gerekmektedir. Bu sebeple EMAX RS2306 2400kv güce sahip fırçasız motor kullanılmıştır. Yarışma şartnamesi incelendiğinde ağırlık değerinin puanlamaya büyük bir etkisi olduğu görülmektedir bu sebeple hafif olduğu için 5 inç uzunluğunda 4.5 hatve değerine sahip (5045) 3 bıçaklı pervane kullanılmıştır.
Drone’un enerji ihtiyacını karşılamak için 4S (14.8V) 4200 mAh 40C özelliğinde Li-Po pil kullanılmıştır. Li-Po piller yüksek akım sunabilmeleri, depolanabilir ve şarj edilebilir olmaları nedeni ile insansız hava araçlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. EMAX RS2306 motorunun teknik özellikleri incelendiğinde 3-4S aralığında çalıştığı için pil hücre sayısı olarak 4S tercih edilmiştir. Motor 4S pil ve 5045 3 bıçaklı pervane ile maksimum gaz (throttle) değerinde 41.2A akım çektiği için 60A SKYWALKER ESC kullanılmıştır. Li-Po pilden gelen enerjinin düzenli ve verimli bir şekilde aktarılması için MATEK güç dağıtım kartı kullanılmıştır.
4
Otonom uçuşun gerçekleştirilebilmesi için noktasal koordinatların konum bilgisi gerekmektedir. Konum bilgisini yüksek doğrulukta verebildiği için Here3 GPS kullanılmıştır. Drone üzerindeki uçuş verilerinin uçuş sırasında gözlemlenebilmesi için 3DR 433mHz telemetri kullanılmaktadır. Drone’un insan kontrolünde uçuşu ve otonom uçuş sırasında herhangi bir problemde müdahale edilebilmesi için RadioLink AT9S- PRO kumanda ve alıcı kullanılmaktadır. Yarışma kuralları incelendiğinde güvenlik amacıyla akım kesici ve sigorta kullanılmasının zorunlu olduğu görülmektedir. Drone üzerinde akım kesici ve sigorta tek parça olarak kullanılmıştır. Sigortanın akım değeri belirlenirken ESC’lerin (60A) toplam değerinin (240A) %10 fazlasını geçmemesi gerektiğinden dolayı 250A olarak tercih edilmiştir. Li-Po pil 4S (14.8V) enerji sağlamaktadır fakat Pixhawk uçuş kontrolcüsü 5V gerilim seviyesine ihtiyaç duymaktadır bu yüzden güç modülü kullanılmaktadır. Güç modülü Li-Po pilden almış olduğu 14.8V’u iki şekilde aktarmaktadır bunlardan birincisi güç dağıtım kartının beslenmesi için 14.8V gerilim seviyesinde diğeri ise Pixhawk kontrolcüsünün beslenmesi için 5V gerilim seviyesindedir.
1.1 Tasarım Süreci
Yarışma kapsamında kullanılacak drone tipi Quadcopter gövde yapısına sahip olup uzunluğu 290mm ve ağırlığı 1950 gr’dır. Drone’un 3D modellenmesi SOLIDWORKS programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Drone’un üretiminde ilk olarak 3D baskı daha sonrasında pleksiglass malzemesinden gövde üretimi gerçekleştirilmiştir. Pleksiglass ve 3D baskıların esnek ve kırılgan olmasından dolayı gövde üretiminde daha sağlam ve hafif olan karbon fiber gövde malzemesi kullanılmıştır. Gövde malzemeleri okulumuzda bulunan CNC Router ile karbon fiber plakadan kesilmiştir. Yarışma puanlaması incelendiğinde ağırlığın puanlama üzerinde büyük bir etkisi olduğu görülmektedir. Bu sebeple drone’un tasarımı yapılırken gövdenin uzunluğu olabildiğince küçük tasarlanmıştır. Ağırlığı düşürmek amacı ile gövde üzerinde çeşitli desenlerde delik açılmıştır. Drone’un montaj suresinin azalması için orta gövde ve kollar tek parça olarak birleşik halde üretilmiştir. Tasarıma kazandırılan özgün yönler içerisinde gövde ile kolların tek parça olması sayesinde hafiflik ve montaj süresinin kısalması, Pixhawk kontrolcüsünün yükseltilmesi ve diğer bileşenlerden uzaklaştırılması ile elektromanyetik etkiden zarar görmesi engellenmiştir ve ayakların özgün tasarımı sayesinde gövdenin daha rijit olması ve daha dengeli bir şekilde yere inişinin sağlanması gösterilebilir.
5
1.2 Temel Görev Gereksinimleri ve Tasarım Özellikleri
Tasarlanmış olan drone’un görevleri yüksek verimlilikte icra edebilmesi için görev mekanizmasının sağlam olması gerekmektedir. Görev mekanizmasının sağlam olması avantajıyla drone yüksek hız ve manevra kabiliyeti gösterebilmektedir. Bu nedenle görev 1 kapsamında hız, görev 2 kapsamında ise yüksek isabet oranlı bir atış işlemi gerçekleştirilmektedir.
Drone ’un görev mekanizması içerisinde Şekil 1’ de görülen EMAX ES08MA metal dişli servo motor, gergin lastik ve paraşüt kullanılmaktadır. Paraşüt imalatı, paraşüt kumaşı kullanılarak gerçekleştirilmiştir ve yapılan atış testlerinde yüksek başarı gözlemlenmiştir.
Şekil 1. Görev Mekanizması Kullanılan Parçalar.
Yarışma sırasında verilen su şişesi, ağırlık merkezi ortada olacak şekilde şişenin kapak bölgesinden paraşütün iplerine bağlanmaktadır. Paraşüt ve su şişesi alt plakanın alt yüzeyine koyulmaktadır ve gergin lastik ile sıkıştırma işlemi yapılmaktadır. Lastiğin iki ucundan bir tanesi servo motora diğer ucu ise gövde üzerinde bulunan sıkıştırma mekanizmasına bağlanmaktadır. Servo motorun 45-90 derecelik hareketi ile servo motor ucunda bulunan lastiğin bir ucu serbest kalarak su şişesinin paraşüt ile aşağı emniyetli bir şekilde inişi sağlanmaktadır. Görev mekanizmasının bileşenleri ve drone üzerindeki konumu Şekil 2’de görülmektedir.
6
Şekil 2. Görev Mekanizmasının Bileşenleri ve Drone Üzerindeki Konumu
1.2 Sistem Performans Özellikleri
Tasarlanan drone’un su şişesi dahil ağırlığı 1950gr’dır ve 8m/s hız ile otonom uçuş işlemleri yapılmaktadır. Drone’un güç sistemleri içerisinde 4S 4200mAh Li-Po pil, EMAX RS 2306 2400Kv fırçasız motor, 5 inç uzunluğunda, 4.5 hatve değerine sahip üç bıçaklı pervane kullanılmaktadır. Drone’un performans parametreleri Tablo 1’de detaylı bir şekilde görülmektedir.
Tablo 1. Sistem Performans Özellikleri.
Parametre Değer
Kalkış Ağırlığı 1950 gr
Uçuş suresi 5.5 dakika
Yük taşıma kapasitesi 2112 gr İHA’nın boyutu 290 mm İHA’nın max sürati 10m/s
Gövde malzemesi Karbonfiber ve Filament Baskı (PLA)
Sistemin performans özellikleri aynı zamanda ecalc.ch internet platformu kullanılarak hesaplanmıştır. Şekil 3 incelendiğinde uçuş süresi olarak 4,9 dakika, 1496 gr ilave faydalı yük ve 2.0 itki ağırlık değerleri görülmektedir.
7
Şekil 3. Ecalc.ch Kullanılarak Performans Analizi.
Kullanılan motorun teknik özellikleri incelendiği zaman Tablo 2’de görüldüğü üzere 4S Li-Po pilde (16V), 5045 3 bıçaklı pervanede maksimum 41.2A akım çektiği ve motor başına 1428gr ağırlık kaldırabildiği görülmektedir.
Tablo 2. EMAX RS2306 2400kv Motor Tablo Özellikleri.
Yük Taşıma kapasitesinin hesaplanması için motorların sağlamış olduğu toplam itki değerinden kalkış ağırlığının iki katı çıkartılarak yük taşıma kapasitesi hesaplanabilir.
Denklem 1 ile yük taşıma kapasitesinin 1812 gr olduğu görülmektedir
𝑇𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 İ𝑡𝑘𝑖 𝐷𝑒ğ𝑒𝑟𝑖 = 𝑇𝑒𝑘 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟𝑢𝑛 𝑚𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑢𝑚 𝑖𝑡𝑘𝑖𝑠𝑖 ∗ 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑆𝑎𝑦𝚤𝑠𝚤 (Denklem 1) 𝑌ü𝑘 𝑇𝑎ş𝚤𝑚𝑎 𝐾𝑎𝑝𝑎𝑠𝑖𝑡𝑒𝑠𝑖 = (𝑇𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 İ𝑡𝑘𝑖 𝐷𝑒ğ𝑒𝑟𝑖 − 𝐾𝑎𝑙𝑘𝚤ş 𝐴ğ𝚤𝑟𝑙𝚤ğ𝚤 ∗ 2 )
𝑌ü𝑘 𝑇𝑎ş𝚤𝑚𝑎 𝐾𝑎𝑝𝑎𝑠𝑖𝑡𝑒𝑠𝑖 = ( (1428 ∗ 4 ) − 1950 ∗ 2 ) = 1812 𝑔𝑟
8 2. YÖNETİM ÖZETİ
Cemalettin AKDOĞAN: Afyonkarahisar Özel Aral Teknik Koleji Mekatronik Öğretmeni olarak görev yapmaktadır. Afyon Kocatepe Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği mezunudur. Aynı zamanda Afyon Kocatepe Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği yüksek lisans öğrencisidir. C, C#, Python yazılım dillerini ve SQL veri tabanı ve mikrodenetleyicileri hâkim olarak kullanmaktadır. Takımımızın danışmanı olarak görev almaktadır.
Selim AĞAÇ: Afyonkarahisar Özel Aral Teknik Koleji 10.sınıf öğrencisidir. Arduino ve Proteus programlarını orta seviyede kullanabilmektedir. Takım içerisinde takım kaptanlığı ve aynı zamanda Elektrik Elektronik, Uçuş ve Test, Mekanik ve Tasarım ekiplerinde aynı zamanda takımın pilotu olarak görev almaktadır.
Nevrasu YEŞİLÇİMEN: Afyonkarahisar Özel Aral Teknik Koleji 10.sınıf öğrencisidir. Arduino, AutoCAD, programlarını orta seviyede kullanabilmektedir. Takım içerisinde kaptan yardımcısı ve aynı zamanda Elektrik Elektronik, Yazılım, Aerodinamik ve İtki ekiplerinde aktif olarak görev almaktadır.
Muhammet Kadir AVCI: Afyonkarahisar Özel Aral Teknik Koleji 9.sınıf öğrencisidir. Arduino başlangıç seviyesinde kullanabilmektedir. Takım içerisinde Satın Alma, Aerodinamik ve İtki ekibi Uçuş ve Test ekiplerinde aktif olarak görev almaktadır.
Zehra BATI: Afyonkarahisar Özel Aral Teknik Koleji 9.sınıf öğrencisidir.
Arduino Mikrodenetleyicisini ve AutoCAD programını başlangıç seviyesinde kullanabilmektedir. Takım içerisinde Yazılım, Mekanik ve Tasarım, Uçuş ve Test ekiplerinde aktif olarak görev almaktadır
9
Alaattin Yılmaz; Afyonkarahisar Özel Aral Teknik Koleji 9.sınıf öğrencisidir. Arduino Mikrodenetleyicisini programını başlangıç seviyesinde kullanabilmektedir. Takım içerisinde Yazılım ve Aerodinamik ve İtki ekibi Elektrik Elektronik ekiplerinde aktif olarak görev almaktadır
2.1 Takım Organizasyonu
Şekil 4. Takım Organizasyonu.
10 2.2 Zaman Akış Çizelgesi
Drone ’un tasarımı ve üretimi boyunca uyulan zaman akış çizelgesi Tablo 3’de detaylı bir şekilde görülmektedir.
Tablo 3. Zaman Akış Çizelgesi.
11 3. DETAYLI TASARIM
3.1 Tasarımın Boyutsal Parametreleri
Drone’un gövde uzunluğu 290mm olarak tasarlanmıştır. Tasarımın boyutsal parametreleri Şekil 5’ de görülmektedir.
Şekil 5. Tasarımın boyutsal parametreleri.
Tasarlanmış olan drone 1950 gr (su şişesi dahil) ağırlığında ve 26 parça bileşenden meydana gelmektedir. Parçaların ağırlık ve uzunluk ölçüleri Tablo 4 ve Tablo 5’de detaylı bir şekilde görülmektedir.
Tablo 4. Döner kanatlı İHA Parça ve toplam ağırlık tablosu.
No Parça Adı Ağırlık (gram) Adet Toplam Ağırlık (gram)
1 Pixhawk Ucuş Kontrolcüsü 40 1 40
2 EMAX Fırçasız Motor 34 4 136
3 SKYWALKER ESC 61 4 244
4 250A Akım Kesici Ve Sigorta 81 1 81
5 Radio link Kumanda Alıcı 14 1 14
6 Buzzer 3 1 3
7 Güç Dağıtım Kartı 15 1 15
8 Pixhawk Titreşim Sönümleyici 23 1 23
9 Güç Modülü 39 1 39
10 3DR Telemetri Modülü 19 1 19
11 Pil Tutucu Cırt 9 2 18
12 Here3 GPS Mödülü 48 1 48
13 Li-Po Pil 449 1 449
12
14 Güvenlik Butonu 2 1 2
15 M3 Vida 1.85 26 14
16 M3 Fiberli Somun 2.25 9 4
17 M3 Somun 0.35 17 6
18 5x4.5 3 Bıçaklı Pervane 6 4 24
19 Emax ES08MA II Servo motor 12 1 12
20 M3 40mm Aralayıcı 6 6 36
21 M3 15mm Aralayıcı 3 2 6
22 GPS Tutucu 6 1 6
23 Gövde (Şasi) 301 1 301
24 Su Şişesi 349 1 349
25 Servo Motor Bağlantı Kancası 2 1 2
26 Paraşüt 94 1 94
TOPLAM 1950 gr
Tablo 5. Döner kanatlı İHA malzeme ağırlık ve denge tablosu.
No Parça Adı Ağırlık
(gram)
X uzaklığı (mm)
Y uzaklığı (mm)
Z uzaklığı (mm) 1 Pixhawk Ucuş Kontrolcüsü 38 50 mm 81,5 mm 15,5 mm 2 EMAX Fırçasız Motor 136 28,3 mm 28,3 mm 16 mm
3 SKYWALKER ESC 244 77 mm 35 mm 14 mm
4 250A Akım Kesici Ve Sigorta 81 48 mm 74 mm 37,5 mm 5 Radio link Kumanda Alıcı 14 50 mm 31,5 mm 14,5 mm
6 Buzzer 3 34 mm 22 mm 5,5 mm
7 Güç Dağıtım Kartı 15 36 mm 50 mm 4 mm
8 Pixhawk Titreşim Sönümleyici 23 60 mm 90 mm 8 mm
9 Güç Modülü 39 25 mm 21 mm 9 mm
10 3DR Telemetri Modülü 19 19,3 mm 46,1 mm 10,3
11 Pil Tutucu Cırt 18 220 mm 20 mm 1 mm
12 Here3 GPS Mödülü 48 76 mm 76 mm 16,6 mm
13 Li-Po Pil 449 137 mm 44 mm 34 mm
14 Güvenlik Butonu 2 10,8 mm 18,8 mm 7 mm
15 M3 Vida 14 5,8 mm 10,2 mm 3,45 mm
16 M3 Fiberli Somun 4 5,4 mm 4 mm 5,4 mm
17 M3 Somun 6 4,5 mm 3,4 mm 4,5 mm
13
18 5x4.5 3 Bıçaklı Pervane 24 97 mm 97 mm 7,95 mm 19 Emax ES08MA II Servo motor 12 23 mm 11,5 mm 24 mm
20 M3 40mm Aralayıcı 36 4,6 mm 4,6 mm 56 mm
21 M3 15mm Aralayıcı 6 4,6 mm 4,6 mm 15 mm
22 GPS Tutucu 12 28,1 mm 98,1 mm 28,1mm
23 Gövde (Şasi) 301 225 mm 216 mm 197 mm
24 Su Şişesi 349 65 mm 65 mm 175 mm
25 Servo Motor Bağlantı Kancası 2 20,7 mm 11,3 mm 1,4 mm
26 Paraşüt 94 80 mm 80 mm 2 mm
3.2 Tasarımın Yapısal Özellikleri 3.2.1 Gövde, Mekanik Sistemler
Drone’un gövde tasarımı gerçekleştirilirken ağırlık merkezine ve hafifliğe dikkat edilmiştir. Drone’un ilk prototiplerinde gövde olarak 3D yazıcı ve pleksiglass malzemelerinden üretilmiştir fakat. Bu malzemeler esnek ve kırılgan yapıya sahip olduklarından dolayı gövdenin üretiminde daha hafif ve daha dayanıklı olan karbon fiber malzemesi tercih edilmiştir. Drone’un 3D tasarımı ve simule edilmesi için SOLIDWORKS programı kullanılmıştır.
Karbon fiber gövdenin üretilmesi için Şekil 6’da görüldüğü gibi CNC Router kullanılarak karbon fiber plakalardan kesim işlemi yapılmıştır. Drone’un ana şasisi üst gövde, alt gövde, ayaklar ve kollardan oluşmaktadır.
Şekil 6. CNC Router Kullanılarak Kesim.
14
Montaj süresinin kısalması için üst gövde tek bir parça şeklinde kesilmiştir. Ayakların tasarımı yapılırken görev mekanizmasının ve su şişesinin kaplayacağı alan göz önünde bulundurularak tasarım yapılmıştır. Şekil 7 ile gövde ve mekanik bileşenler detaylı bir şekilde görülmektedir.
Şekil 7. Gövde ve Mekanik Bileşenlerin Detaylı Görünümü.
3.2.2 Aerodinamik Özellikler
Tasarlanan drone’un gereksinimlerinden en önemli olan bileşenleri motor, pervane ve pil oluşturmaktadır. Drone’un kalkış ağırlığı 1950 gr olması sebebi ile itki elemanlarının drone’u verimli bir şekilde uçurması için itki hesabının yaklaşık iki kat olması gerekmektedir. Gerekli hesaplamalar yapıldığında her bir motor’un 975gr ağırlığı kaldırabiliyor olması gerekmektedir. Tablo 6’da görülen EMAX RS2306 2400kv motorun özellikleri incelendiği zaman 4S pil ve 5045 üç bıçaklı pervanede full throttle seviyesinde 1428gr ağırlık kaldırabiliyor olduğu görülmektedir.
15
Tablo 6. EMAX RS2306 2400kv Motor Verileri.
Drone’un verimliliğinin ölçümü için Ecalc.ch platformu kullanıldığı zamanda Şekil 3’de itki çarpanının 2.0 olduğu görülmektedir.
3.2.3 Görev Mekanizması Sistemi
Yarışma şartnamesi incelendiği zaman 330ml su şişesinin 2x2(m) bir alana bırakılacağı görülmektedir. Görev mekanizması içerisinde servo motor, gergin lastik, servo motorun ucunda kanca ve paraşüt bulundurmaktadır. Lastiğin iki ucundan bir tanesi servonun ucunda bulunan kancaya diğer uç ise servo motorun karşı yüzeyinde bulunan tutucu parçaya bağlanır. Alt gövdenin alt yüzeyinde paraşüt kumaşından tasarlamış olduğumuz su şişesine bağlı olan paraşüt ve su şişesi bulunmaktadır.
Paraşüt kullanılması sayesinde su şişesi emniyetli bir şekilde yere inmektedir ve su şişesi zarar görmemektedir. Şekil 9’da görev mekanizması sistemi detaylı bir şekilde görülmektedir.
Şekil 9. Görev Mekanizması Detaylı Görünüm.
16
Servo motor artı, eksi ve sinyal olmak üzere 3 kablodan oluşmaktadır. Servo motorun artı ve eksi ucu güç dağıtım kartında bulunan 5V ve GND hattına bağlanmaktadır.
Servo motorun sinyal ucu ise Pixhawk uçuş kontrolcüsü üzerinde bulunan AUX OUT çıkışlarından 1 numaralı porta bağlanmaktadır. AUX1 numaralı port servo motorun çalıştırılabilmesi için Gripper moduna ayarlanmıştır. Otonom uçuş sırasında servo motorun hareket edebilmesi için Mission Planner programı, uçuş planı bölmesinde DO_SET_SERVO komutu kullanılmaktadır.
3.2.4 Elektrik Elektronik Kontrol ve Güç Sistemleri Entegrasyonu
Tasarlanmış olan drone’un kontrolü için Pixhawk uçuş kontrolcüsü tercih edilmiştir.
Pixhawk kontrolcüsünün otonom uçuşu ve açık kaynak yazılım olan Ardupilot’u desteklemesi, diğer uçuş kontrolcülerine göre fazla dokümana sahip olması sebebiyle kullanılmıştır. Fırçasız motor olarak EMAX RS2306 2400KV modeli kullanılmaktadır.
Motordan alınan mekanik enerji ile uçuş işleminin gerçekleştirilmesi için 3 bıçaklı 5045 pervane kullanılmıştır. Drone’un enerji ihtiyacını karşılamak için LEOPARD marka 4S 4200mAh 40C Li-Po pil tercih edilmiştir. Fırçasız motorların çalışması için sürücü devresine ihtiyaç duyulmaktadır. Kullanılan motorun özellikleri incelendiğinde maksimum gazda 41.2A akım çektiği görülmektedir. Bu nedenle SKYWALKER markasına ait 60A ESC kullanılmıştır. Li-Po pilden gelen enerjinin ESC’lere düzenli ve sağlıklı bir şekilde aktarılabilmesi için MATEK marka güç dağıtım kartı kullanılmaktadır.
Görevlerin otonom bir şekilde gerçekleştirilebilmesi için GPS modülüne ihtiyaç duyulmaktadır. Diğer modüllere göre yüksek doğruluk sağlaması sebebi ile HERE3 GPS modülü kullanılmıştır.
Drone’un uçuşu sırasında yer istasyonu ile haberleşme sağlanması ve ilgili tüm verilerin gözlemlenebilmesi için 3DR marka 433mHz frekansında Telemetri modülü kullanılmıştır. Telemetri modülü alıcı ve vericiden oluşmaktadır. Alıcı modül bilgisayar üzerinde, verici modül ise drone üzerinde bulunmaktadır ve verileri alıcı sayesinde yer istasyonuna aktarmaktadır. Yarışma kuralları incelendiğinde emniyet amaçlı sigorta ve devre kesici kullanılma zorunluluğu görülmektedir. Hafif olması sebebi ile Şekil 10’ da görülen devre kesici ve sigorta birleşik halde kullanılmaktadır. Sigorta değeri olarak ESC’leri toplam değeri olan 240A seviyesinin %10 tolerans değerini aşmayacak şekilde olması gerektiği için 250A sigorta kullanılmıştır. Devre kesici üzerinde bulunan anahtar sayesinde drone üzerindeki tüm enerji 2 saniye içerisinde kesilebilmektedir.
17
Şekil 10. 250A Sigorta ve Devre Kesici.
Görevlerin otonom bir şekilde gerçekleştirilebilmesi için noktasal olarak koordinatların alınması gerekmektedir. GPS modülü sayesinde koordinat bilgileri Mission Planner yer istasyonu içerisinde bulunan uçuş planı sekmesinden noktasal koordinatların işaretlenmesi yapılabilmektedir. Bu noktasal koordinatlar kullanılarak istenilen göreve ait pist çizilmektedir. Çizilen pist kontrolcü içerisine yüklendikten sonra kumanda veya yer istasyonu aracılığı ile otonom bir şekilde görevi gerçekleştirebilir. Şekil 11 ile Mission Planner yer istasyonu kullanılarak çizilmiş örnek bir pist görülmektedir.
Şekil 11. Mission Planner Yer istasyonu kullanılarak çizilmiş örnek pist.
Uçuş planı oluşturulurken, uçuş için TAKEOFF, noktasal olarak ilerlemek için WAYPOINT, servo motorun hareketi için DO_SET_SERVO, 2. turun tamamlanması için DO_JUMP ve iniş için LAND komutu kullanılmaktadır. Şekil 12 ile planlanan örnek bir otonom uçuş aşamaları görülmektedir.
18
Şekil 12. Örnek Otonom Uçuş Aşamaları.
Li-Po pilden gelen enerjinin + hattı sigortaya – hattı ise güç modülüne bağlanmaktadır.
Sigortanın çıkışından alınan + kablo ile anahtarlama işlemi yapılır bu sayede sigortadan sonra gelen tüm elektronik elemanların enerjisi kesilmiş olunur.
Drone ’un uçuş ile ilgili tüm kontrolünü Pixhawk kontrolcüsü gerçekleştirmektedir. Güç dağıtım kartından gelen ESC’ lerin sinyal kablosu Pixhawk üzerinde bulunan MAIN OUT portlarına sırası ile bağlanmaktadır. Şekil 13 ile kontrol ve güç şeması detaylı bir şekilde görülmektedir.
Şekil 13. Kontrol Bağlantı ve Kablolama Şeması.
19 3.3 Uçuş Performans Parametreleri
Drone’un su şişesi dahil kütlesi 1950gr olduğu için motorların yaklaşık iki kat olan 3900gr ağırlığı kaldırabiliyor olması gerekmektedir. Motor başına kaldırması gereken güç hesaplandığı zaman bir motorun tek başına 975g kaldırabilmesi gerektiği Denklem 2 ile bulunmuştur.
𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑏𝑎ş𝚤𝑛𝑎 𝑑üş𝑒𝑛 𝑘𝑎𝑙𝑑𝚤𝑟𝑚𝑎 𝑘𝑢𝑣𝑣𝑒𝑡𝑖 =𝐾𝑎𝑙𝑘𝚤ş 𝐴ğ𝚤𝑟𝑙𝚤ğ𝚤 ∗ 2
𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑆𝑎𝑦𝚤𝑠𝚤 (Denklem 2) 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑏𝑎ş𝚤𝑛𝑎 𝑑üş𝑒𝑛 𝑘𝑎𝑙𝑑𝚤𝑟𝑚𝑎 𝑘𝑢𝑣𝑣𝑒𝑡𝑖 = 1950 ∗ 2
4 = 975 𝑔𝑟
EMAX RS2306 2400kv fırçasız motor’un özellikleri Tablo 6’ da incelendiği zaman maksimum güçte 1428g ağırlık kaldırabildiği görülmektedir.
Drone üzerinde kullanılan motorun maksimum gazda 41,2A akım çekmesi sebebiyle dört motor toplamda 164.8A akıma ihtiyaç duyacaktır. Li-Po pilin 164.8A akımı verebilmesi gerekmektedir. Bu nedenle 4200mAh 40C değerinde pil seçimi yapılmıştır.
Denklem 3 ile görüldüğü gibi Li-Po pil 168A akım değeri sunabilmektedir.
𝐿𝑖 − 𝑃𝑜 𝑝𝑖𝑙𝑖𝑛 𝑠𝑎ğ𝑙𝑎𝑦𝑎𝑏𝑖𝑙𝑒𝑐𝑒ğ𝑖 𝑚𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑢𝑚 𝑎𝑘𝚤𝑚 = (𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟 𝐷𝑒ğ𝑒𝑟𝑖 ∗ 𝐶 𝐷𝑒ğ𝑒𝑟𝑖) (Denklem 3) 𝐿𝑖 − 𝑃𝑜 𝑝𝑖𝑙𝑖𝑛 𝑠𝑎ğ𝑙𝑎𝑦𝑎𝑏𝑖𝑙𝑒𝑐𝑒ğ𝑖 𝑚𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑢𝑚 𝑎𝑘𝚤𝑚 = 4.2𝐴 ∗ 40 = 168𝐴
Drone üzerindeki güç bileşenleri incelendiği zaman hesaplamalar sonucunda Denklem 4 ile uçuş süresi yaklaşık olarak hesaplanabilmektedir.
𝑈ç𝑢ş 𝑆ü𝑟𝑒𝑠𝑖 = 𝑃𝑖𝑙𝑖𝑛 1 𝑑𝑘′𝑑𝑎 𝑣𝑒𝑟𝑒𝑏𝑖𝑙𝑒𝑐𝑒ğ𝑖 𝑎𝑘𝚤𝑚 𝑑𝑒ğ𝑒𝑟𝑖
𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟𝑙𝑎𝑟𝚤𝑛 𝑡𝑎𝑙𝑒𝑝 𝑒𝑡𝑡𝑖ğ𝑖 𝑎𝑘𝚤𝑚 𝑑𝑒ğ𝑒𝑟𝑖 (Denklem 4)
Kullanılan Li-Po pil 4200mAh olduğu için 4.2A akım değeri sunabilmektedir fakat pilin zarar görmemesi için %80 seviyesinde kullanılması gerekmektedir. Denklem 5 ile pilin 1 dakikada verebileceği akım miktarı hesaplanmaktadır.
𝑃𝑖𝑙𝑖𝑛 1 𝑑𝑘′𝑑𝑎 𝑣𝑒𝑟𝑒𝑏𝑖𝑙𝑒𝑐𝑒ğ𝑖 𝑎𝑘𝚤𝑚 𝑚𝑖𝑘. = 𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟 𝐷𝑒ğ𝑒𝑟𝑖 ∗ 60𝑠 ∗ 𝐾𝑢𝑙𝑙𝑎𝑛𝚤𝑚 𝑂𝑟𝑎𝑛𝚤 (Denklem 5) 𝑃𝑖𝑙𝑖𝑛 1 𝑑𝑘′𝑑𝑎 𝑣𝑒𝑟𝑒𝑏𝑖𝑙𝑒𝑐𝑒ğ𝑖 𝑎𝑘𝚤𝑚 𝑚𝑖𝑘𝑡𝑎𝑟𝚤 = 4,2 ∗ 60 ∗ 0,80 = 201,6𝐴𝑑𝑘
20
Motorların talep ettiği akım bulunurken hover (denge) durumunda motor başına düşen ağırlık Denklem 6 ile hesaplanmaktadır.
𝐻𝑜𝑣𝑒𝑟 𝑑𝑢𝑟𝑢𝑚𝑢𝑛𝑑𝑎 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑏𝑎ş𝚤𝑛𝑎 𝑑üş𝑒𝑛 𝑘𝑎𝑙𝑑𝚤𝑟𝑚𝑎 𝑑𝑒ğ𝑒𝑟𝑖 =𝐾𝑎𝑙𝑘𝚤ş 𝐴ğ𝚤𝑟𝑙𝚤ğ𝚤
𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑆𝑎𝑦𝚤𝑠𝚤 (Denklem 6) 𝐻𝑜𝑣𝑒𝑟 𝑑𝑢𝑟𝑢𝑚𝑢𝑛𝑑𝑎 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑏𝑎ş𝚤𝑛𝑎 𝑑üş𝑒𝑛 𝑘𝑎𝑙𝑑𝚤𝑟𝑚𝑎 𝑑𝑒ğ𝑒𝑟𝑖 =1950
4 = 487.5𝑔𝑟
Hesaplanan bu değere göre motorun özellik tablosundan motorun çekmiş olduğu akım değeri 8.7A olarak görülmektedir. Denklem 7 ile dört motorun çektiği toplam akım değeri 34.8A olarak bulunmuştur.
𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟𝑙𝑎𝑟𝚤𝑛 ç𝑒𝑘𝑡𝑖ğ𝑖 𝑡𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 𝑎𝑘𝚤𝑚 = 8.7 ∗ 4 = 34.8𝐴 (Denklem 7)
Uçuş süresi Denklem 4’de görüldüğü gibi pilin 1 dakikada verebileceği akım değerinin motorların talep ettiği toplam akım değerine bölünerek bulunabilir. Denklem 8 sonucunda uçuş süresi 5.8 dk olarak bulunmuştur.
𝑈ç𝑢ş 𝑆ü𝑟𝑒𝑠𝑖 =201,6
34,8 = 5,8 𝑑𝑘 (Denklem 8)
Uçuş süresinin hesaplanması için Ecalc.ch internet platformu kullanılmıştır. Şekil 14 ile uçuş süresinin sürüklenme durumunda maksimum 4,9 dakika verdiği ve hız arttıkça uçuş süresinin azaldığı görülmektedir.
Şekil 14. Ecalc.ch Platformu ile Uçuş Süresinin Hesaplanması.
21
Tasarlanan drone ile görev denemeleri yüklü ve belirli hızlarda test edilerek gerçekleştirilmiştir. Birinci görev uçuşuna ait tamamlama sürelerinin hız arttıkça azaldığı Tablo 7 ile görülmektedir.
Tablo 7. Görev 1 Uçuş Performansları.
Görev 1 Uçuş Performansları
Hız Süre
2 m/s 2.58 dk
4 m/s 2.33 dk
6 m/s 2.14 dk
8 m/s 1.52 dk
İkinci görev uçuşu için üç ayrı test oluşturulmuştur ve bu testlerde belirli atış sayılarına göre isabet oranları Tablo 8’ de detaylı bir şekilde görülmektedir.
Tablo 8. Görev 2 Uçuş Performansları.
Görev 2 Uçuş Performansları
Test Sayısı Atış Sayısı İsabet Oranı
Test 1 5 3
Test 2 10 7
Test 3 15 10
3.4 Hava Aracı Maliyet Dağılımı
Gerçekleştirilmiş olan drone üzerinde kullanılan malzemelerin adet ve fiyat bilgisi detaylı bir şekilde Tablo 9’da görülmektedir.
Tablo 9. İHA malzeme maliyet tablosu.
No Parça Adı Birim Fiyatı (TL) Miktarı Toplam Fiyatı (TL) 1 Pixhawk Ucuş Kontrolcüsü 1240,99 1 1240,99
2 EMAX Fırçasız Motor 213,60 4 854,4
3 SKYWALKER ESC 179,90 4 719,6
4 250A Akım Kesici Ve Sigorta 191,90 1 191,90
5 Radio link Kumanda Alıcı 1367 1 1367
7 Güç Dağıtım Kartı 143,86 1 143,86
8 Pixhawk Titreşim Sönümleyici 38,7 1 38,7
9 Güç Modülü 393,12 1 393,12
10 3DR Telemetri Modülü 404,52 1 404,52
22
11 Pil Tutucu Cırt 6,22 2 12,44
12 Here3 GPS Mödülü 1.397,46 1 1.397,46
13 Li-Po Pil 531,21 1 531,21
18 5x4.5 3 Bıçaklı Pervane 17,42 4 69,68
19 Emax ES08MA II Servo motor 57,76 1 57,76
20 M3 40mm Aralayıcı 2,50 8 20
21 M3 15mm Aralayıcı 0,59 4 2,36
23 Gövde (Şasi) 1015,52 1 1015,52
26 Paraşüt 64,82 1 64,82
TOPLAM 8.495,34
4.PROTOTİP ÜRETİM SÜRECİ 4.1 İHA İmalat ve Montaj Süreci
Drone’un imalatı için karbonfiber plakadan CNC Router yardımı ile karbon fiber gövde kesimi gerçekleştirilmiştir. Drone alt gövde, üst gövde ve ayaklardan oluşmaktadır.
Drone’un üst gövdesi sağlam ve hafif olması sebebi ile karbonfiber malzemeden, alt gövdenin üretiminde sağlamlık gerekmemesi ve hafif olması nedeni ile 3D yazıcı PLA filament baskı (%80 doluluk) kullanılmıştır. Üst gövde ile alt gövdenin bağlantısı 50mm metal aralayıcı kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Motor cıvatalarının motora temas etmemesi için 3D yazıcından motoru yükseltecek parça basılmıştır. Elektronik malzemelerin gövde üzerine montajı yapılabilmesi için cıvata, fiberli somun, çift taraflı bant ve cırt kelepçe kullanılmaktadır. Drone’un imalatı ve montaj aşalamaları Şekil 15’de detaylı bir şekilde görülmektedir.
Şekil 15. İmalat ve Montaj Detaylı Görünüm.
23
Drone’un imalatından sonra montaj aşamasına geçilmektedir, Montaj aşamasında ilk olarak üst gövde ile alt gövdenin birleşimi metal aralayıcılar sayesinde birleştirilmektedir. Gövdelerin birleşmesi sonrasında üst gövdenin uç kısımlarından ayaklar gövdeye civata ile sabitlenir. Şasinin toplanması sonucunda elektronik malzemeler gövdeye yerleştirilerek montaj tamamlanmaktadır. Li-Po pil alt gövde içerisinde cırt cırt yardımı ile emniyetli bir şekilde sabitlenmektedir. Drone’un montajı ve test uçuşları tamamlandıktan sonra alt gövdenin alt yüzeyine servo motorun montajı yapılmaktadır. Drone ’un montaj sonrası ve görev mekanizmasına ait detaylı görseller Şekil 16’ da görülmektedir.
Şekil 16. Montaj Sonrası Fotoğraflar ve Görev Mekanizması.
4.2 İHA Elektrik Elektronik Entegrasyon Süreci
Gövdenin toplanması sonrasında elektronik bileşenlerin montajı drone üzerinde yapılmaktadır. Elektronik bileşenler gövdeye çift taraflı bant, cıvata ve cırt kelepçe kullanılarak sabitlenmektedir. İlk olarak drone’un enerji hattı sağlanmaktadır Li- po pilden sonra gelen sigorta sayesinde elektronik elemanların enerjisi tamamıyla kesilebilmektedir. Sigortanın çıkışından alınan + hat ve pilden gelen – hat ile güç dağıtım kartının enerjisi verilmektedir. ESC’ler güç dağıtım kartına lehimlenmektedir.
Lehimleme işleminin yapılması sonucunda motorlar ile ESC’lerin birleştirilmesi sağlanmaktadır. Bu işlemlerden sonra kontrolcü bölümüne geçilerek Pixhawk kontrolcüsü üzerine GPS, telemetri, kumanda alıcı ve servo gibi elemanların montajı yapılarak kontrol bileşenlerinin montajı gerçekleştirilmektedir. Şekil 17 ile elektronik bileşenlerin montajı detaylı bir şekilde görülmektedir.
24
Şekil 17. Elektronik Bileşenlerin Detaylı Görünümü.
Montaj sırasında maket bıçağı, testere, havya ve dramel gibi aletlerin kullanımında güvenlik tedbiri amacıyla gözlük ve eldiven kullanılmıştır. Elektronik bileşenlerin montajı sırasında uyulan iş akışı Şekil 18 ile detaylı bir şekilde görülmektedir.
Şekil 18. Elektronik Bileşenlerin Montaj İş Akışı.
4.3 İHA Montajı ve Genel Kontroller
Tasarlanmış olan drone’un üretimi yapılırken ilk olarak şasi hazır hale getirilir ve gövdenin elektronik malzemeler ile bütünlüğü sağlanarak toplanır. Gövdenin toplanması ile elektronik güç bileşenleri ve kontrol sistemi gerekli kalibrasyon ve ayarlamalar sonucunda drone uçuşa hazır hale getirilmektedir. Drone’un motor ve pervane testleri yapıldıktan sonra ilk uçuşa hazırlanmaktadır. Drone ilk uçuş sırasında
25
kararlı bir şekilde uçuşunu tamamlayabilirse görev mekanizmasının eklenmesi ve ayarlanması işlemlerine geçilir, eğer kararlı bir şekilde uçuş yapılamaz ise kalibrasyon ve ayarlama adımlarına tekrar dönülmesi gerekmektedir. Tasarlamış olduğumuz drone’un montajı ve ilk uçuşa hazır hale gelene kadar geçen süre içerisinde takibi yapılan kontrol listesi Tablo 10’da detaylı bir şekilde gözükmektedir.
Tablo 10. Genel Kontrol Aşamaları.
26 4.4 Üretim İş Zaman Çizelgesi Planlanan ve Gerçekleşen
27 5. TEKNİK ÇİZİMLER
Tasarlanan Drone’un 3D modellemesi SOLIDWORKS programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Drone’un parçaları ilk olarak ayrı ayrı çizilerek daha sonrasında montaj bölümünde birleştirilmiştir. Drone’un çerçeve uzunluğu 290mm olarak çizilmiştir. Drone üst levha ve alt plakadan oluşmaktadır. Alt plaka içerisine Li-Po pil yerleşimi yapılmaktadır. Üst gövde ile alt gövdenin bağlantısı 40 mm metal aralayıcı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Üst gövde üzerinde orta bölümde 250A sigortalı akım kesici, kumanda alıcısı, telemetri ve GPS modülü bulunmaktadır. Üst gövdenin uç kısımlarında fırçasız motorlar ve pervaneler bulunmaktadır. Pixhawk uçuş kontrolcüsü 55mm metal aralayıcı kullanılarak yükseltilme işlemi gerçekleştirilmiştir. Şekil 19 ile tasarlanan drone’un üç görünüşü, perspektif görünüşü ve elektronik bileşenler görülmektedir.
Şekil 19. Drone’un Üç Görünüş, Perspektif Görünüşü ve Elektronik Bileşenler.
Tasarlanan görev mekanizması drone’un alt yüzeyinde bulunmaktadır ve Şekil 20’de görüldüğü gibi Servo Motor, gergin lastik ve kancadan oluşmaktadır. Kanca Servo motor’un ucuna bağlanmaktadır. Lastiğin iki ucundan bir tanesi kancaya diğer uç ise
28
karşı tarafta bulunan sıkıştırma mekanizmasına bağlanmaktadır. Servo motor’un 45- 90 derecelik hareketi sonucunda su şişesi ve su şişesinin kapağına bağlanmış olan paraşüt sistemi düşerek su şişesinin emniyetli bir şekilde belirlenen alana inişi sağlanmaktadır.
Şekil 20. Servo Motor ve Kanca.
Drone’un üzerinde güç ve kontrol bileşenleri olarak Pixhawk uçuş kontrolcüsü, fırçasız motor, pervane, batarya, ESC’ler, güç dağıtım kartı, güç modülü, kumanda, alıcı, 250A sigorta ve akım kesici, GPS modülü ve telemetri modülü bulunmaktadır. Sistemin genel bağlantı şeması Şekil 21’de detaylı bir şekilde görülmektedir.
Şekil 21. Genel Bağlantı Şeması.
