2. TÜBİTAK LİSELER ARASI İNSANSIZ HAVA ARAÇLARI YARIŞMASI
DETAYLI TASARIM RAPORU
2021
2. TÜBİTAK LİSELER ARASI İNSANSIZ HAVA ARAÇLARI YARIŞMASI DETAYLI TASARIM RAPORU
TAKIM ADI: Toygar İHA TAKIM ID:40696
KATEGORİ: Sabit Kanat
KURUM ADI: Malatya Erman Ilıcak Fen Lisesi DANIŞMAN ÖĞRETMEN: Emre EKİM
İÇİNDEKİLER DİZİNİ
Sayfa
İÇİNDEKİLER DİZİNİ ... 2
1. GENEL ÖZET (TOPLAM 10 puan) ... 3
1.1 Tasarım Süreci (2 puan) ... 3
1.2 Temel Görev Gereksinimleri ve Tasarım Özellikleri (5 puan) ... 3
1.3 Sistem Performans Özellikleri (3 puan) ... 3
2. YÖNETİM ÖZETİ (TOPLAM 10 puan) ... 4
2.1 Takım Organizasyonu (5 puan) ... 4
2.2 Zaman Akış Çizelgesi (5 puan) ... 6
3. DETAYLI TASARIM (TOPLAM 45 puan)... 7
3.1 Tasarımın Boyutsal Parametreleri (10 puan) ... 7
3.2 Tasarımın Yapısal Özellikleri (20 puan) ... 9
3.2.1 Gövde, Mekanik Sistemler (5 puan) ... 9
3.2.2 Aerodinamik Özellikler (5 puan) ... 9
3.2.3 Görev Mekanizması Sistemi (5 puan) ... 10
3.2.4 Elektrik Elektronik Kontrol ve Güç Sistemleri Entegrasyonu (5 puan) 11 3.3 Uçuş Performans Parametreleri (10 puan) ... 12
3.4 Hava Aracı Maliyet Dağılımı (5 puan) ... 12
4. PROTOTİP ÜRETİM SÜRECİ (TOPLAM 15 puan) ... 13
4.1 İHA İmalat ve Montaj Süreci (3 puan) ... 13
4.2 İHA Elektrik Elektronik Entegrasyon Süreci (5 puan) ... 14
4.3 İHA Montajı ve Genel Kontroller (5 puan) ... 15
4.4 Üretim İş Zaman Çizelgesi Planlanan ve Gerçekleşen (2 puan) ... 16
5. TEKNİK ÇİZİMLER (TOPLAM 20 puan) ... 17
1. GENEL ÖZET 1.1 Tasarım Süreci
Biz Toygar İHA takımı olarak insansız hava araçlarının Türkiye’deki ve dünyadaki öneminin farkındayız. Bu doğrultuda takımca, tasarladığımız İHA’yı geliştirmek ve daha efektif bir hale getirmek için günlerce çalıştık.
Yarışmada bizden istenen İHA modeli: hızlı, manevra yapma kabiliyetine sahip, hafif, hedefe faydalı yük bırakabilen, otonom bir uçaktır. Biz uçağı tasarlarken yüksek puan alabilmek için gerekli talepleri yerine getirebilen bir İHA tasarlamaya özen gösterdik. Uçağın hafif olabilmesi için gövdeyi fotobloktan ve kanatları XPS köpükten ürettik. Fotoblok maket bıçağıyla basitçe şekillendirebildiğimiz bir ürün olduğu için kendimiz kestik ve birleştirdik.
Kanatları ise tel kesim yöntemi sayesinde rahatça istediğimiz kanat profili şekline getirdik.
1.2 Temel Görev Gereksinimleri ve Tasarım Özellikleri
Yarışmada yapmamız gereken 2 görev bulunmaktadır. Görevlerden birinde İHA’nın manevra kabiliyeti, diğerinde ise hedefe yük bırakma yeteneği ölçülmektedir. Takımımızın tasarım ekibi İHA’yı tasarlarken bu iki görevi de optimum performansta yerine getirebilmesi için çalışmışlardır. Faydalı yük bırakma mekanizmamızda su şişesi, sağa ve sola açılan iki kapaklı bir bölmede olacaktır. Mekanizmadaki her bir kapak birer servo ile kontrol edilmektedir. Bu sayede kumandadan gelen sinyal ile servolar kapağı açacak ve su şişesi bırakılacaktır.
1.3 Sistem Performans Özellikleri
Tasarladığımız İHA’nın performans ve fiziksel parametreleri aşağıda verildiği gibidir:
• 1560 gram (faydalı yük dahil)
• 3 ila 5 metre arası kalkış mesafesi
• 18 m/s seyir hızı
2. YÖNETİM ÖZETİ
2.1 Takım Organizasyonu
• 2010 yılında Selçuk Üniversitesi Bilgisayar ve Öğretim Teknolojileri Öğretmenliği bölümünden mezun olarak aynı yıl öğretmenlik
mesleğine adım atmış olup 2018 yılından itibaren okulumuzda Bilişim Teknolojileri Öğretmenliği görevini yürütmektedir. Web programlama ve robotik alanında çalışmalar yapmakla beraber Python, JavaScript ve PHP dillerine hâkimdir.
EMRE EKİM Danışman Öğretmen
• Okulumuz 10/B sınıfı öğrencisidir. Solidworks, Adobe Illustrator, xflr5, OpenRocket, Toon Boom Harmony ve Photoshop
programlarına hakimdir. Orta düzeyde Arduino
kullanabilmektedir.B1 düzeyinde İngilizce ve A2 düzeyinde Almanca konuşabilmektedir.
ARDA IRMAK ARPACI Takım Kaptanı
• Okulumuz 10/B sınıfı öğrencisidir. Cisco Python sertifikası bulunmaktadır. Orta derece Arduino kullanabilmekte ve A2 seviyesinde İngilizce bilmektedir.
ESAD TOHMA
Elektronik Yazılım Bölümü Başkanı
• Okulumuz 9/C sınıfı öğrencisidir. Orta seviye Python, başlangıç seviyesinde C# Unity ve Arduino kullanabilmektedir. B1
seviyesinde İngilizce ve A1 seviyesinde Almanca bilmektedir.
HÜSEYİN ARDA SULTANSUYU Elektronik Yazılım Bölümü Üyesi
• Okulumuz 9/B sınıfı öğrencisidir. Solidworks ve xflr5 kullanabilmektedir. B1 seviyesinde İngilizce bilmektedir.
ALTUĞ BUĞRA UÇKUN Mekanik-Tasarım Bölümü
Başkanı
• Okulumuz 9/E sınıfı öğrencisidir. Orta seviyede Python ve Adobe Illustrator kullanabilmektedir. A2 seviyesinde İngilizce bilmekte ve Avrupa Dil Portfolyosu bulunmaktadır.
MUHSİN EREN HEDEKOĞLU Mekanik-Tasarım Bölümü Üyesi
2.2 Zaman Akış Çizelgesi İş-Zaman Grafiği:
3. DETAYLI TASARIM
3.1 Tasarımın Boyutsal Parametreleri
Takımımızın mekanik bölümü İHA’yı tasarlarken faydalı yükü taşıyabilen hafif bir tasarım yapmak için özen gösterdi bu sebeple önceki raporda anlattığımız İHA’yı hafifletmek adına boyutsal parametrelerde küçültmelere gittik. Çalışmalarımızın sonucunda faydalı yük ağırlığı dahil yaklaşık 1560 gramlık, 120 cm kanat açıklığına sahip, uzunluğu 95 cm olan bir İHA elde ettik.
Tablo 1. İHA’nın parça ve toplam ağırlık tablosu:
No Parça Adı Ağırlık (gram) Adet Toplam Ağırlık (gram)
1 Karbon fiber şerit 14 4 56
2 Kanat 95 1 95
3 Stabilizatörler (Kuyruk kanatları) 25 1 25
4 Pixhawk 16 1 16
5 GPS 52 1 52
6 ESC 51 1 51
7 Servo 14 6 84
8 Güç Modülü 50 1 50
9 Alıcı 10 1 10
10 Faydalı yük 350 1 350
11 Yük bırakma mekanizması 30 1 30
12 PPM Encoder 10 1 10
13 İniş Takımı 90 1 90
14 Sigorta 20 1 20
15 Akım kesici buton 10 1 10
16 Gövde 250 1 250
17 2200 Mah Li-Po Batarya 220 1 220
18 Telemetri-Anten 20 1 20
19 Pervane 15 1 15
20 Motor 106 1 106
TOPLAM - - 1560
Tablo 2. Kullanılan Kanatların Boyutsal Parametreleri:
Kanat Yatay Stabilizatör Dikey Stabilizatör
Profil Tipi NACA 3512 - -
Açıklık 120 cm 40 cm 20 cm
Kök Veter 19 cm 17 cm 17 cm
Referans Alanı 0,23 m² 0,06 m² 0,03 m²
Açıklık Oranı 6,32 2,76 2,76
Tablo 3. İHA’nın malzeme ağırlık ve denge tablosu:
No Parça Adı Ağırlık
(gram)
X uzaklığı (mm)
Y uzaklığı (mm)
Z uzaklığı (mm)
1 Karbon fiber şeritler 56 80 0 10
2 Kanat 95 80 0 23
3 Stabilizatörler (Kuyruk kanatları) 25 550 0 0
4 Pixhawk 16 300 0 -50
5 GPS 52 350 0 10
6 ESC 51 -70 0 -60
7 Servolar (ortalama) 84 150 0 0
8 Güç Modülü 50 50 0 -40
9 Alıcı 10 200 0 -80
10 Faydalı yük 350 65 0 -100
11 Yük bırakma mekanizması 30 65 0 -115
12 PPM Encoder 10 250 0 -65
13 İniş Takımı 90 50 0 -140
14 Sigorta 20 0 0 -70
15 Akım kesici buton 10 -50 0 -30
16 Gövde 250 130 0 -55
17 2200 Mah Li-Po Batarya 220 -40 0 -80
18 Telemetri-Anten 20 400 0 -40
19 Pervane 15 -230 0 -55
20 Motor 106 -210 0 -55
TOPLAM 1560 65 0 -61
Uzaklık için referans noktası kanatların hücum kenarının merkezidir.
3.2 Tasarımın Yapısal Özellikleri 3.2.1 Gövde, Mekanik Sistemler
Sağlam bir İHA uçuş güvenliği için önem arz etmektedir. Gövde malzemesini seçerken hafiflik ve sağlamlık karşılaştırması yaparak malzeme seçiminde fotobloğu tercih ettik. 5 mm’lik iki fotobloğun birleşmesiyle oluşan gövde malzememiz düşüşlere ve darbelere karşı oldukça dayanıklıdır. Fotobloğun dayanıklılığı sayesinde İHA’yı yaparken şaseye ihtiyaç duymadık. Bu bize İHA’yı yaparken hafiflik konusunda avantaj sağladı.
Malzemeler: Balsa XPS Köpük Kompozit Malzeme Fotoblok
Ağırlık 5 4 4 3
Sağlamlık 3 2 5 4
Üretim Kolaylığı 2 4 2 5
Tamir edilebilirlik 3 2 3 3
Deneyim 0 2 0 5
Fiyat 3 4 0 5
Toplam 16 18 14 25
Tablo 4. Malzeme Karşılaştırma Tablosu
3.2.2 Aerodinamik Özellikler
Pervaneyi seçerken motorun üretici firmasının önerdiği boyutlardaki pervane kullanılmıştır. Üretici firmanın önerdiği (kullandığımız) pervane 12x45 ölçülerinde bir pervanedir.
Kanatlarda düşük sürtünme katsayısı ve yüksek kaldırma katsayısı sayesinde NACA3512 kanat profilini kullandık. Aşağıda Xflr5 üzerinden elde edilen NACA3512 kanat profilinin grafikleri mevcuttur.
Kaldırma Katsayısı/Sürtünme Kaldırma Katsayısı – Alpha Grafiği Katsayısı – Alpha Grafiği
Ürettiğimiz kanadı yaklaşık 1,5o açı ile gövdeye monteledik. Bu da bize simülasyonun gösterdiği gibi 0,4 kaldırma
katsayısı veriyor. Kanatların kaldırma kuvvetini hesaplarsak:
0,5 × 0,4 × 0,23 × 1,061 × 182 = 15,81𝑁 (0,5 × 𝐶𝐿 × 𝑆 × 𝑝 × 𝑉2 = 𝐿)
uçağın seyir hızının yaklaşık 18 m/s olduğunu görürüz.
Kanadın Kaldırma Katsayısı – Alpha Grafiği
3.2.3 Görev Mekanizması Sistemi
Görev mekanizmamız, su şişesinin yarısının uçağımızın gövdesinin içine girebileceği ve diğer yarısının iki kapak tarafından kavrandığı bir yapıya sahiptir. Bu sayede gödenin içinden yer kazanmış oluyoruz. Gövdenin içindeki su şişesinin girdiği
Su şişesinin uçakta olması veya olmaması durumlarında uçağın dengesinin bozulmaması için su şişesinin gövdeye girdiği bölümü ağırlık merkezinin üzerinde olacak şekilde tasarladık.
3.2.4 Elektrik Elektronik Kontrol ve Güç Sistemleri Entegrasyonu
Elektrik elektronik kontrol ve güç sistemleri entegrasyonunun doğruluğu bir İHA için hayati önem taşımaktadır. Biz de bu konu hakkında araştırmalar yaparak aşağıda verdiğimiz şemayı oluşturduk.
3.3 Uçuş Performans Parametreleri
Birinci ve ikinci görevde İHA’da ağırlık bakımından büyük bir fark olmayacaktır çünkü her iki görev uçuşunda da İHA faydalı yükle beraber uçacaktır. Bu durumda görevlerin birbirlerinden farklı olarak enerji harcadığı nokta birinci görevde İHA’nın daha fazla direk etrafında dolaşarak daha fazla mesafe kat etmesidir. Biz her ihtimale karşı bataryanın ömrünü şartnamede bize verilen maksimum süre olan 5 dakikadan bir miktar uzun tuttuk. 2200mAh kapasiteye sahip bir batarya bizim uçağımızı 5,28 dakika boyunca uçurabilmektedir.
• 2,2(𝐵𝑎𝑡𝑎𝑟𝑦𝑎𝑛𝚤𝑛 𝐴ℎ 𝑘𝑎𝑝𝑎𝑠𝑖𝑡𝑒𝑠𝑖) × 60(𝑠𝑎𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛 𝑑𝑎𝑘𝑖𝑘𝑎𝑦𝑎 ç𝑒𝑣𝑖𝑟𝑚𝑒) ÷ 25(ℎ𝑎𝑟𝑐𝑎𝑛𝑎𝑛 𝑜𝑟𝑡𝑎𝑙𝑎𝑚𝑎 𝐴) = 5,28(𝑑𝑎𝑘𝑖𝑘𝑎 𝑐𝑖𝑛𝑠𝑖𝑛𝑑𝑒𝑛 𝑢ç𝑢ş 𝑠ü𝑟𝑒𝑠𝑖)
3.4 Hava Aracı Maliyet Dağılımı (5 puan)
Tablo 5. İHA malzeme maliyet tablosu
No Parça Adı Birim Fiyatı (TL) Miktarı Toplam Fiyatı (TL)
1 Pixhawk Seti 1829,41 1 adet 1.829,41
2 Pervane 12x45 33,97 3 adet 101,91
3 Pervane 12x60 30,51 2 adet 61,02
4 Karbon Fiber Şerit 41,625 8 adet 333
5 XPS Köpük 220 1 paket 220
6 Motor 1040,43 1 adet 1.040,43
7 Fotoblok 20 3 adet 60
8 Epoxy 19,75 10 adet 197,52
9 Li-Po 574,90 1 adet 574,90
10 Servo 24,78 10 adet 247,8
11 Sigorta 14,90 2 adet 29,8
12 Akım Kesici Buton 59,90 1 adet 59,90
13 ESC 364,07 1 adet 364,07
14 Kumanda 430,38 1 adet 430,38
15 İniş Takımı 106,03 1 adet 106,03
16 Easy Link 15,67 2 paket 31,34
17 Tel 1,85 2 metre 3,7
18 Makoron 68,22 1 kutu 68,22
19 XT60 Konektör 7,76 3 adet 23,28
23 Lehim Teli 150,39 1 adet 150,39
- TOPLAM - - 5.957,13
4. PROTOTİP ÜRETİM SÜRECİ 4.1 İHA İmalat ve Montaj Süreci
Sabit kanatlı İHA’ların yapılarını incelediğimizde birkaç ana başlığa bölebiliriz:
kuyruk, gövde, kanat, elektronik sistem ve görev mekanizması.
• Gövde: 5 mm’lik iki adet fotobloğun kâğıt yapıştırıcısı yardımıyla birbirine tutturduğumuz bir materyalden oluşuyor. Fotoblok hafif ve oldukça sağlam bir malzemedir. Fotobloğu gövdenin şeklini alacak şekilde kesip sıcak silikon ile birleştirdik. Uçağımız iniş takımına sahip olacağı için iniş takımının geleceği yere epoxy yapıştırıcı ile
kontrplak yapıştırdık. Bu iniş takımının bulunacağı yeri daha da sağlam hale getirdi.
Son olarak iniş takımını kontrplağa vidaladık.
• Kuyruk: Kuyruk 5 mm fotobloktan oluşuyor ve gövdeye sıcak silikon ile yapıştırdık. Kuyruğun oynayan parçaları için servolar kullandık ve bu servoları gövdeye sıcak silikon kullanarak yapıştırdık.
• Kanat: Kanatları tel kesim yöntemi ile XPS köpükten ürettik. Daha sağlam olması için içine karbon fiber şeritler ekledik ve üzerini bant ile kapladık.
Eleronlar için de 2 adet servoyu
• Elektronik Sistem: Kullandığımız motoru gövdeye monteleyebilmek için XPS köpükten kesilmiş bir parça ile 3D yazıcıdan çıkardığımız bir parçayı kullandık.
Bataryayı gövdeye sabitlemek için cırt bant kullandık.
• Görev Mekanizması: Gövde üzerinde bulunan su şişesi için açılmış olan bölmenin her iki yanına birer kapak yerleştirdik. Bu kapakları fotobloktan ürettik ve sıcak silikon ile gövdeye yapıştırdığımız servolar yardımıyla onları kontrol ediyoruz.
4.2 İHA Elektrik Elektronik Entegrasyon Süreci
•
Güç, sigorta, haberleşme, algılama, kontrol ve navigasyon gibi elektrik ve elektronik unsurların montajında takip edilen iş akışı:1- İHA’yı uçuşa
hazırlarken Li-Po’nun bağlantısını yapmadan önce kablolamaların görseldeki gibi olup olmadığı kontrol edilir.
2- Kumanda açılır.
3- Kumandada motoru kontrol eden joystick en aşağıya çekilir.
4- Li-Po bağlantısı yapılır.
5- Motorun ve pixhawkın sesinden durum ile ilgili bilgi edinilir.
6- Bir sıkıntı varsa Li-Po’nun bağlantısı hemen kesilir, yoksa uçuş aşamasına geçilebilir.
•
Montaj sırasında dikkat edilmesi gereken hususlar:1- Artı, Eksi kablolarının bağlantı yönüne dikkat edilerek bağlantı yapılmalıdır.
2- Li-Po takıldıktan sonra motor hızlı hızlı ötüyorsa bağlantı kesilmelidir. Problem
•
Elektronik donanımların montajında ve bağlantılarında kullanılan yöntemler:1- Lehim (Üzerine makaron sarılabilir.) 2- Konnektörler
•
Şasiye bağlantı şekilleri:1- Elektronik eşyaların gövdeye sabitlenmesi için cırt bant kullanılmıştır.
•
Montaj sırasında alınması gereken güvenlik tedbirleri:1- Montaj sırasında odada veya montajın yapıldığı alanda yangın söndürücü bulundurmak
2- Motora takılı pervaneden uzak durmak
4.3 İHA Montajı ve Genel Kontroller
Kontrol Listesi
1 İHA’da gözle görülebilir herhangi bir sıkıntılı durum var mı? -Yok
2 Ağırlık merkezi kanattan 6,5 cm uzaklıkta mı? -Evet
3 Kumandanın sağ joystickini sağa yapınca uçağın sağ eleronu yukarı çıkıyor, sol eleronu aşağı iniyor mu?
-Evet
4 Kumandanın sağ joystickini sola yapınca uçağın sağ eleronu aşağı iniyor, sol eleronu yukarı çıkıyor mu?
-Evet
5 Kumandanın sağ joystickini aşağı yapınca elevator yukarı çıkıyor mu? -Evet 6 Kumandanın sağ joystickini yukarı yapınca elevator aşağı iniyor mu? -Evet 7 Kumandanın sol joystickini sola yapınca rudder sola gidiyor mu? -Evet 8 Kumandanın sol joystickini sağa yapınca rudder sağa gidiyor mu? -Evet 9 Kumandanın sol joystickini yukarı çıkardıkça motor ve pervane doğru yönde mi
dönüyor?
-Evet
Tablo 6. Kontrol Listesi Tablosu
4.4 Üretim İş Zaman Çizelgesi Planlanan ve Gerçekleşen
5. TEKNİK ÇİZİMLER
- Üç (ön, sağ ve üst) görünüş ve perspektif görünüş çizimi:
Önden Görünüm Verilen uzunluklar mm cinsinden verilmiştir. Sarı ok ile gösterilen yer kanadın dihedralinden dolayı 1200 mm yerine 1197,67 mm’dir.
Sağdan Görünüm Verilen uzunluklar mm cinsinden verilmiştir.
Üstten Görünüm Verilen uzunluklar mm cinsinden verilmiştir.
- Yük bırakma mekanizmasının çizimleri:
Perspektif Görünümü Yukarıda bulunan görselde kahverengi cisimler görev mekanizmasının
kapaklarıdır. Bu kapakları üstlerinde bulunan servoları kontrol etmektedir. Servolar kapakları iki yana açtığında su şişesi bulunduğu bölmeden düşecektir.
Soldan Görünüm Verilen uzunluklar mm cinsinden verilmiştir.
- Genel sistem şeması:
