TEKNOFEST
ULUSLARARASI İNSANSIZ HAVA ARAÇLARI YARIŞMASI
DETAYLI TASARIM RAPORU
2021
1. PROJE ÖZETİ
RACLAB Kapsül Tuğberk takımı insansız hava araçları (İHA) üzerine çalışan, kendini geliştirmek isteyen, gelişimleri ile ülkemize katkı sağlamayı hedefleyen mühendis adaylarından oluşmaktadır. Takımın büyük çoğunluğu önceki yıllarda TÜBİTAK Uluslararası İnsansız Hava Araçları Yarışması’na katılım sağlamış ve dereceler (birincilik, ikincilik, üçüncülük) elde etmiştir. Yeni ekip üyeleriyle; bilgi aktarımı ve devamlılık sağlanacak, gelecek yıllara da çalışmalar aktarılmış olacaktır. Konya Teknik Üniversitesi’ni temsilen yarışmaya katılacak olan takım, altı lisans ve bir yüksek lisans öğrencisinden oluşmaktadır. Takım üyeleri arasında görev bilincini geliştirmek ve başarıyı elde etmek için gerekli görev dağılımları yapılmıştır.
Takımın akademik danışmalığını Doç. Dr. Akif DURDU yapmaktadır.
RACLAB Kapsül Tuğberk takımının ürettiği döner kanatlı İHA’nın adı Tuğberk olarak belirlenmiştir. Yarışma görevleri değerlendirilerek optimum verim alabilmek için İHA quadcopter olarak tasarlanmıştır. Hafif ve dayanıklı olması nedeniyle üretim malzemesi karbonfiber seçilmiştir. Görevlerin başarılı ve yüksek puan alarak tamamlanması için; birinci görevde hava aracının ağırlık değeri ve manevra kabiliyeti, aynı zamanda ikinci görevde taşıyacağı yük ve bırakma mekanizması ekleneceğinden İHA dayanıklılığı göz önünde bulundurulmuş ve İHA’nın tasarımı bu unsurlar ön plana alınarak yapılmıştır. Üretimi gerçekleştirilen İHA birinci görev için, 915 gram kalkış ağırlığına, ikinci görevde de su taşıma mekanizması eklendiği zaman 1424 gram ağırlığa sahip olmaktadır.
İlk görev gerçekleştirilirken Python DroneKit kütüphanesi kullanılmaktadır. Uçuş kartı ve özgün olarak hazırlanan uçuş kodu hava aracını otonom olarak kontrol etmektedir. İkinci görevde, uçuş kontrol kartı, tasarlanan yük taşıma/bırakma mekanizması, harici mini bilgisayar ve kamera kullanılarak uçuş kodunun içerisine OpenCV kütüphanesi ile renk filtreleri kullanarak görüntü işleme tabanlı su bırakma bölgesi tespiti, tespit edilen bölgenin küresel koordinat sistemindeki noktasal konumunun belirlenmesi ve su bırakma algoritmaları ile görev gerçekleştirilmektedir.
1.1 Tasarımda İzlenen Yöntem
Özgün olarak tasarlanan İHA dört kollu, dört motorlu olup, X şase tipindedir. Görev isterleri doğrultusunda boyutlandırılan hava aracı hafif olması, karbonfiberden üretilmesi ve sade
TAKIM ADI: RACLAB KAPSÜL TUĞBERK ARAÇ TÜRÜ: DÖNER KANAT
ÜNİVERSİTE: KONYA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ TAKIM KAPTANI: MERT DAĞADASI
tasarımıyla fark yaratmaktadır. Ağırlığı kadar faydalı yük taşıma kapasitesine sahip olan İHA, yüksek manevra kabiliyeti ile de görevlerde başarı elde etmektedir.
Uçuş kontrolcüsü olarak Pixhawk Orange Cube, Emax MT2213 935KV fırçasız DC motor, XRotor 20A Micro 2-4S BLHeli_32 ESC, 1033 pervane, Here2 GPS, görüntü işleme için Raspberry Pi 4 ve Raspberry Pİ V2.1 kamera modülü, Gens Ace 11.1V 1300mAh 25C Lipo Pil, yer istasyonu ile haberleşme sistemi için de V5 868 MHz 1000 MW radyo telemetri İHA’nın sahip olduğu donanımlardır.
1.2 Takım Organizasyonu
Takımın görev dağılımı; geçmiş yıllardaki tecrübelere, görev istemlerine, takım üyelerinin beceri ve kabiliyetlerine göre oluşturulmuştur. Şekil 1.2.1’de görev dağılımı, bir organizasyon şeması ile verilmiştir.
Şekil 1.2.1: Takım Organizasyon Şeması.
1.3 İş Zaman Çizelgesi Planlanan ve Gerçekleşen
Şekil 1.3.1: İş Zaman Çizelgesi Planlanan ve Gerçekleşen.
İHA’nın kavramsal tasarımı, prototip üretimi, detaylı tasarımı ve testlerinin planladığı iş- zaman çizelgesi Şekil 1.3.1’de verilmiştir. İHA kavramsal tasarımdan sonra detaylı tasarım süreci başlamış ve kavramsal tasarımdaki eksik görülen detaylar araştırmalarla değiştirilmiştir.
Detaylı tasarım ortaya konduktan sonra prototip üretimine geçilmiştir. Mekanik imalat ile elektrik elektronik donanım montajı yapılmıştır. Montaj yapılırken karşılaşılan zorluk, estetik görüntü vb. sebeplerden dolayı İHA için oluşturulan gövde, alt tabla, üst tabla da montajlama ve düzenleme konusunda değişiklikler olmuştur. Tekrardan tasarlanan analizleri gerçekleştirilen parçalar üzerinde üretim süreci gerçekleştirilmesi ile İHA son halini almıştır.
Sisteme ait testler ile donanım ve bırakma testlerinin eksikliklerin giderilmiştir.
2. DETAYLI TASARIM
Döner kanat İHA’nın minimum ağırlıkta maksimum yükü taşıması için tasarımda değişikliklere gidilmiştir. Üretilen her parça tasarım sürecinde dayanıklılık ve hafiflik göz önünde bulundurularak üretilmiştir. Tablalar, bağlantı parçaları ve elektronik araçlara hazırlanan parçalar Tuğberk takımının özgün tasarımı olup ağırlığı en az olup dayanıklılığı en iyi olacak ve göze hitap edecek şekilde uçabilecek parçalar üretilmiştir. Kollar plakalar yerine hava şartlarına ve ağırlığa daha dayanıklı katı model olan boru olarak değiştirilmiştir. Bununla beraber motor tutucu ve boru şeklindeki kolları tutması için parçalar tasarlanmıştır. Ayaklar daha mukavemetli ve kırınımı yok etmek amacıyla boru şekline dönüştürülmüştür. Boruyu gövdeye bağlanacağı parça ve iniş esnasında inişi yumuşatması için ek ayak ucu parçası oluşturulmuştur. Ayakların bağlantı noktaları gerekli statik analizleri yapılarak değiştirilmiştir.
2.1 Tasarımın Boyutsal Parametreleri
Döner kanat İHA’nın boyutlandırılması Görev-1 için hafifliğe önem verilerek yapılırken her iki görev için de önemli olan dayanıklılık unsuru da önemli etkenler arasında yer almıştır.
İki motor arası çapraz mesafe 42 cm olarak belirlenmiştir. Bu boyutta döner kanat İHA uçuş performansı açısından manevraları alabilen ve 800 gram ağırlığına kadar ağırlık taşıyabilen bir üründür. Tüm parçalar ağırlık merkezinin geometrik merkezle aynı noktada olacağı biçimde dengeyi bozmayacak şekilde simetrik olarak tasarlanıp konumlandırılmıştır. Elektronik araçlar da aynı şekilde dengeyi bozmayacak şekilde konumlandırılmıştır. Tablo 2.1.1’de İHA Parça ve toplam ağırlık tablosu ve Tablo 2.1.2’de İHA malzeme ağırlık ve denge tablosu verilmiştir.
Tablo 2.1.1. Döner Kanatlı İHA Parça ve Toplam Ağırlık Tablosu
No Parça Adı Ağırlık (gram) Adet Toplam Ağırlık (gram)
1 Alt tabla 62 1 62
2 Üst tabla 1,5mm 35 1 35
3 Üst tabla 3mm 57 1 57
4 Motor tutucu (üst) 4 4 16
5 Motor tutucu (alt) 1 4 4
6 Kol bağlantı 7 4 28
7 Ara parça 2 2 4
8 Kol 8 4 32
9 Ayak 4 4 16
10 Ayak bağlantı 4 4 16
11 Pervane 11 4 44
Tablo 2.1.2. Döner Kanatlı İHA Malzeme Ağırlık ve Denge Tablosu No Parça Adı Ağırlık
(gram)
X uzaklığı (mm)
Y uzaklığı (mm)
Z uzaklığı (mm)
1 Kol 1 8 93,6 -5,2 -93,71
2 Kol 2 8 93,6 -5,2 93,71
3 Kol 3 8 -93,83 -5,2 93,71
4 Kol 4 8 -93,83 -5,2 -93,71
5 Pervane 1 11 159,69 21,39 161,24
6 Pervane 2 11 159,69 21,39 161,24
7 Pervane 3 11 -161,82 21,39 -161,24
8 Pervane 4 11 -161,82 21,39 -161,24
9 Motor 1 53 159,69 2,68 161,24
10 Motor 2 53 159,69 2,68 161,24
11 Motor 3 53 -161,82 2,68 -161,24
12 Motor 4 53 -161,82 2,68 -161,24
13 Motor tutucu 1 5 154,14 -5,2 155,68
14 Motor tutucu 2 5 154,14 -5,2 -154,72
15 Motor tutucu 3 5 -156,26 -5,2 -154,72
16 Motor tutucu 4 5 -156,26 -5,2 155,72
17 Ayak bağlantı 1 4 44,37 -26,63 45,91
18 Ayak bağlantı 2 4 44,37 -26,63 -44,95
19 Ayak bağlantı 3 4 -46,39 -26,63 -44,95
20 Ayak bağlantı 4 4 -46,39 -26,63 45,91
21 Ayak1 4 82,82 -64,91 84,45
22 Ayak2 4 82,82 -64,91 -83,4
23 Ayak3 4 -84,95 -64,91 -83,4
12 Motor 53 4 212
13 Pixhawk cube mini 51 1 51
14 ESC 8 4 32
15 Batarya 1300 mAh 118 1 118
16 Batarya 3800 mAh 290 1 290
17 GPS 48 1 48
18 GPS tutucu 5 1 5
TOPLAM
24 Ayak4 4 -84,95 -64,91 84,45
25 Kol bağlantı 1 7 44,24 -5,2 45,85
26 Kol bağlantı 2 7 44,24 -5,2 -44,83
27 Kol bağlantı 3 7 -46,49 -5,2 -44,83
28 Kol bağlantı4 7 -46,49 -5,2 45,85
29 Alt tabla 62 0 -18,12 0
30 Üst tabla 57 1,05 7,8 0,1
31 GPS 48 0 -38,79
32 GPS tutucu 5 0 -38,79
33 ESC 8 0
34 Ara parça 1 2 -1,03 -5,2 51,61
35 Ara parça 2 2 -1,03 -5,2 -50,45
36 Pixhawk 51 2,63 20,72 1,02
TOPLAM
2.2 Gövde ve Mekanik Sistemler
Şase İHA’nın ağırlık merkezinin tam ortada olacak bir şekil belirlenerek bağlantı noktaları ve açılan boşlukların da aynı neden ile konumlandırılması ile tasarlanmıştır. Şase tipi x frame ve malzemesi karbon fiber olarak belirlenmiştir. Karbon fiber ile üretime en uygun olacak şekilde tasarlanan şaselerde devre koruması, iniş takımları ve kolların titreşim oluşturmaması adına tasarımda değişikliklere gidilmiştir. Aynı zamanda eksenlerdeki eğriliklerin yok edilmesi bataryaların sabitlenmesi de tasarım sürecinde düşünülen temel hususların arasında yer almıştır. Tüm bağlantı elamanları hafif ve dayanıklı olacak şekilde esnekliği en aza indirecek tasarımlarla üretilmiştir. Pervaneler gerekli aerodinamik özellikleri incelenerek seçilmiştir. İniş takımları zemine yumuşak ve dayanıklı olacak malzemeler düşünülerek yeniden tasarlanmıştır.
Şekil 2.2.1: İHA’nın Ön, Sağ ve Üst Görünüş ve Perspektif Görünüşü.
Şekil 2.2.2: İHA’nın Sistem Yerleşimi.
2.3 Aerodinamik, Stabilite ve Kontrol Özellikleri
Döner kanat İHA’nın kararlı bir uçuş gerçekleştirmesi adına bileşenler ideal bir şekilde düzenlendi konumlandırılmıştır. Gerek kalkış hali gerek seyir halinde yatay düzlemle yapacağı açılı versiyonlarının stabilizeleri aşağıda verilen denklemlere göre hesaplanarak incelenmiştir.
∑ 𝐹𝑁𝐸𝑇 = 𝐹İ𝑇𝑀𝐸,𝐾𝐴𝐿𝐾𝐼Ş− 𝐹𝐷İ𝑅𝐸𝑁Ç− 𝐹𝑔
∑ 𝐹𝑁𝐸𝑇 = [
0
𝐹𝑀1+ 𝐹𝑀2+ 𝐹𝑀3+ 𝐹𝑀4 0
] − [
1
2 𝑚. 𝑝. 02. 𝑆𝑤𝑋. 𝐶𝐷 1
2 𝑚. 𝑝. 𝑉2. 𝑆𝑤𝑌. 𝐶𝐷 1
2 𝑚. 𝑝. 02. 𝑆𝑤𝑍. 𝐶𝐷]
− 𝑚𝑡𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚[ 0 𝑔 0 ]
𝐹𝑀1= 𝐹𝑀2= 𝐹𝑀3= 𝐹𝑀4 Olduğu için bu denklem
∑ 𝐹𝑁𝐸𝑇= (4. 𝐹𝑀) − (1
2 𝑚. 𝑝. 𝑉2. 𝑆𝑤𝑌. 𝐶𝐷) − (𝑚𝑡𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚. 𝑔)
Şeklinde sadeleştirilip hesaplamaları yapıldı.
∑ 𝐹𝑁𝐸𝑇= 𝐹İ𝑇𝑀𝐸− 𝐹𝐷İ𝑅𝐸𝑁Ç− 𝐹𝑔
∑ 𝐹𝑁𝐸𝑇 = [
sin 𝛼𝐹𝑀1+ sin 𝛼 𝐹𝑀2+ sin 𝛼𝐹𝑀3+ sin 𝛼𝐹𝑀4 cos 𝛼 𝐹𝑀1+ cos 𝛼 𝐹𝑀2+ cos 𝛼 𝐹𝑀3+ cos 𝛼 𝐹𝑀4
0
] − [ 1
2 𝑚. 𝑝. 02. 𝑆𝑤𝑋𝑦. 𝐶𝐷 0
0
]
= 𝑚𝑡𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚[ 𝑥̈
𝑦̈
0 ]
𝐹𝑀1= 𝐹𝑀2= 𝐹𝑀3= 𝐹𝑀4 Olduğu için bu denklem
∑ 𝐹𝑁𝐸𝑇,𝑥 = sin 𝛼 . ∑ 𝐹𝑀− (1
2 𝑚. 𝑝. 𝑉2. 𝑆𝑤𝑋. 𝐶𝐷) = 𝑚𝑡𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚. 𝑥̈
∑ 𝐹𝑁𝐸𝑇,𝑥= [cos 𝛼 . (𝐹𝑀1+ 𝐹𝑀2+ 𝐹𝑀3+ 𝐹𝑀4)] − (1
2 𝑚. 𝑝. 𝑉2. 𝑆𝑤𝑋𝑌. 𝐶𝐷) − 𝑚𝑡𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚. 𝑔
= 𝑚𝑡𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚𝐶̈
Şeklinde sadeleştirilip hesaplamaları yapıldı.
ANSYS üzerinden yapılan statik analiz sonuçları Şekil 2.3.1, Şekil 2.3.2, Şekil 2.3.3 ve Şekil 2.3.4’te verilmiştir. Toplam deformasyon şekildeki gibi olup minimum seviyelerdedir.
Şekil 2.3.1: Ansys Analiz Sonuçları.
Şekil 2.3.2: Ansys Analiz Sonuçları.
Şekil 2.3.3: Ansys Analiz Sonuçları.
Akma gerilmesi de bileşenler üzerinde minimum derğerlerde kalmış bulunmaktadır.
Şekil 2.3.4: Ansys Analiz Sonuçları
2.4 Görev Mekanizması Sistemi
Özgün olarak tasarlanan görev mekanizmasının tasarımı, teknik çizimi ve üretilmiş hali aşağıda verilmiştir.
Şekil 2.4.1: Görev Mekanizması Teknik Resmi.
Şekil 2.4.2: Görev Mekanizması.
Şekil 2.4.3: Görev Mekanizması.
2.5 Elektrik Elektronik Kontrol ve Güç Sistemleri
İHA elektrik-elektronik donanım seçimleri belirli parametreler ile yapılmıştır. Alt başlıklarda seçimler ve Şekil 2.5.1’de İHA’ya ait sistem devre şeması verilmiştir.
Şekil 2.5.1: İHA Devre Şeması.
2.5.1 Motor: İHA için seçilen fırçasız DC motor Emax MT2213 935KV’dir. Seçim yapılırken belirli hususlar dikkate alınmıştır. İHA’nın tam yükteki ağırlığı kalkış ağırlığı, tasarlanan İHA’nın boyutsal parametreleri, motorun sahip olduğu thrust değeri, çektiği akım ve verimliliği dikkate alınan hususlardır. İHA’nın toplam ağırlığı 1424 g olarak ölçülmüştür. Quadcopter olarak tasarlanan İHA’da her bir motora düşen thrust değeri en az 360 g olarak hesaplanmıştır. Bu değere ve diğer parametrelere en uygun ve ekonomik olan motor seçilmiştir.
2.5.2 Batarya: İHA için kullanılacak olan Li-Po pil Görev-1 ve Görev-2 için ayrı olarak seçilmiştir. Seçim yaparken görev uçuş süresi, İHA’nın toplam ağırlığı, motor başına akım miktarı ve harcanan güç dikkate alınmıştır. Belirlenmesi gereken değerler Batarya Voltajı (V), Batarya Kapasitesi (mAh), Deşarj Oranı (C) dır.
Görev-1 için verilen uçuş süresi maksimum 5 dk’dır. İHA’da kullanılan bir motorun akım miktarı 9.6 amper değerindedir. Toplam akım yaklaşık olarak 40 A olmaktadır. Batarya Kapasitesi (A), Harcanan Toplam Akım (B);
Uçuş süresi = 60×(
𝐴 1000)
𝐵 dk denklem 2.5.2.1
Seçilecek maksimum batarya 3700mAh olarak hesaplanmıştır.
Harcanan toplam akımın 2 katı değerde akım toplam akım değerine denk gelecek şekilde C hesaplanmaktadır. 80 A değerini minimum değerde sağlayan C değeri denklem 2.5.2.2 ile 25 olarak bulunmuştur. Harcanan Toplam Akım(B), bataryanın deşarj değeri(C);
C = ( 𝐴
1000) × 𝐶 denklem 2.5.2.2
Hesaplamalar doğrultusunda Görev-1 için seçilen batarya 1300 mAh ve 25 C değerlerinde olan Gens Ace 11.1V 1300mAh 25C lipo pildir.
Görev-2 için verilen uçuş süresi maksimum 7 dk’dır. Aynı denklemlerle hesaplamalar yapıldığında 3700 mAh ve 25 C değerleri elde edilmiştir. 3700mAh 25 C Gens Ace lipo pil kullanılmıştır.
2.5.3 ESC: İHA’da FVT LittleBee ESC tercih edilmiştir. Kullanılan bataryanın 3S olması ve motorların 10*33 pervanede maksimum 9.6A akım çekmesi dikkate alınarak 30 A değerinde bir ESC kullanılmıştır.
2.5.4 Güç Dağıtım Kartı: Uygun görülen güç dağıtım kartı Matek XT60’tır. İHA’da kullanılan elemanların hangi gerilimleri gerektirdiği hesaplanarak uygun regülatöre sahip olan kart kullanılmıştır. Kablolama yaparken düzene uygun şekilde merkeze yerleştirilmiştir.
2.5.5 Uçuş Kontrol Kartı: Uçuş kontrol kartı olarak Pixhawk Orange Cube tercih edilmiştir.
STM32H753VIT6 işlemci, 32 bit ARM-Cortex, 400 MHz, 1 MB RAM, 3 adet IMU, barometre, pusulaya sahip olan bu kart mini carrier board ile kullanılarak ağırlıktan kazanç sağlanmıştır.
2.5.6 GPS: İHA üzerinde GPS olarak Here2 GPS tercih edilmiştir. Pixhawk ile uyumlu, navigasyon hassasiyeti 167 dBm olan HERE2 GPS’in diğer GPS modellerine göre uydulardan aldığı sinyallerin kalitesinin yüksek olması İHA için GPS tercihi olmuştur.
2.5.7 Telemetri: V5 Radyo Telemetrisi 915MHz 1000MW Pixhawk ile uyumlu olan telemetri İHA üzerinde haberleşme için kullanılmaktadır.
2.5.8 Raspberry Pi 4 ve Kamera: Görev-2’de bırakma alanı tespiti görüntü işleme ile yapılmaktadır. Görev için yeterli ve uygun görülen mini bilgisayar Raspberry Pi 4’tür. Broadcom VideoCore IV GPU’ya 1.5 GHz 64-bit quad-core ARM Cortex-A72 ve 4 GB RAM’e sahiptir.
Kart ile uyumlu olan görüntü alımını sağlayacak olan kamera Raspberry Pi Kamera Modülü V2.1’dir.
2.5.9 Sigorta: Batarya ile bağlantısı sağlanan İHA için seçilen sigorta, acil durum butonunu üzerinde bulundurmaktadır. İHA için sigorta 80 A değerinde seçilmiştir. Kolay, ulaşılabilir uygun bir konuma yerleştirilmiştir.
Otonom uçuşlarda Pixhawk, Raspberry Pi 4 ve GPS’ten faydalanılmış ve Python yazılım dili kullanılmıştır. Otonom uçuş testlerinde Mission Planner üzerinden GPS verilerinin desteğiyle yarışma alanının benzeri olan belirli alan oluşturularak Görev-1 uçuşu denenmiş ve başarı elde edilmiştir. Raspberry Pi 4 ile Python dilinde DroneKit kütüphanesi destekli uçuş kodu hazırlanmış, Görev-2 için otonom uçuşa ek görev uçuşu gerçekleştirilmiştir.
2.6 Hedef Tespit ve Tanıma Sistemi
Döner kanat kategorisinin ikinci görevinde su bırakma kabının yeri bilinmemektedir. Bu kabın yerini tespit etmek amacıyla görüntü işleme tekniklerinden faydalanılmıştır. Bu yöntemler; görüntünün okunması, görüntünün HSV renk uzayına dönüşümü, medyan filtresinin uygulanması, renk filtresi, boyut filtresi ve maskeleme işlemlerinden oluşmaktadır. İlk olarak kameradan alınan görüntüler okunmalıdır. Elde edilen görüntüler üzerinde donanımsal ve çevresel koşullar sebebiyle her zaman istenmeyen gürültüler mevcuttur. Bu nedenle 5x5 boyutunda medyan filtresi uygulanmıştır. Renk filtresi uygulanmadan önce görüntüler HSV (Ton-Doygunluk-Değer) formatına dönüştürülür. Renk filtresi uygulanması sonucu istediğimiz renkteki nesneler tespit edilir. Farklı nesnelerin algılanması ihtimaline karşı boyut filtresi eklenmiştir. Böylece çok büyük ve çok küçük nesnelerin tespit edilmesi engellenir. Son adımda ise maskeleme işlemi yapılarak tespit edilen nesneler görselleştirilir.
Şekil 2.6.1: Görev-2 için Akış Diyagramı.
Şekil 2.6.1’de ikinci görev için kullanılacak yazılım algoritmasının akış diyagramı verilmiştir. Uçuş algoritması ilk olarak İnsansız Hava Aracının havalanması ile başlar. İlk turda görüntü işleme algoritması hava aracı havalandıktan sonra başlatılıp nesne (Kırmızı su bırakma alanı) tespit edilene kadar çalıştırılacaktır. Böylece hem yanlış nesne tespiti engellenmiş olacak hem de mikroişlemcinin çekeceği akımdan tasarruf edilmiş olunacaktır.
Aynı zamanda tespit edilen su bırakma alanının koordinatı hafızaya kaydedilecektir. Daha sonra önceden belirlenmiş koordinatlara sırası ile gidilerek ilk tur tamamlanacaktır. İkinci turda
hava aracı yine aynı koordinatları takip ederek su alma noktasına ulaşacaktır. Su alma kabının tam ortasına gelmek için ikinci bir görüntü işleme algoritması ile hava aracı nesnenin tam üstüne getirilir. GPS’deki yükseklik verisi ile hava aracının alçalması sağlanacaktır. Su kabında bulunan su dalgıç pompa yardımı ile kendi tasarladığımız hazneye doldurulacaktır. Hava aracı yükseldikten sonra tespit edilip GPS noktası kaydedilen su bırakma kabının konumuna hareket edecektir. İHA’nın su alma kabının merkezine gitmesini sağlayan görüntü işleme algoritması, su bırakmak için de kullanılarak su bırakma kabı ortalanır. Ardından GPS yardımı ile hava aracı alçalacak ve ikinci bir motor ile haznedeki suyun boşaltılması gerçekleştirilecektir. Son olarak İHA yükselip turunu tamamlayacak ve inişini gerçekleştirip görevini tamamlayacaktır.
Tasarlanan algoritmanın etkin bir şekilde kullanılabilmesi için yazılımda paralel programlama tekniğinden (Thread) yararlanılmıştır. Böylece bir yandan yol planlaması yapılırken diğer yandan görüntü işleme algoritmaları çalıştırılabilmiştir.
Nesne tespit ve tanımanın daha iyi yapılabilmesi için hafif ve işlem gücü yüksek olan Raspberry Pi 4 kullanılacaktır. Görüntü almak ve işlemek için Raspberry Pi 4 ile uyumlu olarak çalışabilen ve 1080p30 ile çekim yapabilen Raspberry Pi kamera modülü V2.1 ile çalışılmıştır.
Alınan koordinatların doğruluğu çok önemli olduğu için Here2 GPS tercih edilmiştir.
2.7 Uçuş Performans Parametreleri
İHA’nın iki göreve ait uçuşlarda alınması ön görülen performans verileri ayrı olarak Görev-1 Tablo 2.7.1, Tablo 2.7.2’de ve Görev-2 Tablo 2.7.3 Tablo 2.7.4’te verilmiştir. Batarya kapasite gereksinim hesabı uçuş süresi formülü ile yapılarak kapasite Görev-1 için 1300 mAh Görev-2 için 3700 mAh olarak belirlenmiştir. Ve uçuş performanslarında görev istemlerine bağlı olarak değerlendirmeler yapılmıştır.
Uçuş süresi= ((mAh Değeri) / (Çekilen Akım)) *60D
(xAh/12A)*60sn=300sn x=1Ah=1000mAh denklem 2.7.1
Görev-1:
Görev-1 Tamamlama
Süresi (sn.)
Toplam Uçuş Ağırlığı (g)
Batarya Kapasitesi
(mAh)
Hesaplanan Akım (Amper)
Güç Performansı
(Watt)
26 915 700 24 288
41 918 1100 18,5 222
34 914 1000 21 252
Tablo 2.7.1: Görev-1 Batarya Kapasitesi Belirleme Parametreleri.
Görev-1:
Görev-1 Tamamlama Süresi
(sn.)
Hesaplanan Uçuş Ağırlığı (g)
Batarya Kapasitesi
(mAh)
Maksimum Uçuş Hızı (cm/sn)
26 915 1100 200
41 918 1000 250
34 914 900 300
Tablo 2.7.2: Görev-1 Uçuş Performans Parametreleri.
Görev-2:
Görev-2 Tamamlama
Süresi (sn.)
Toplam Uçuş Ağırlığı (g)
Batarya Kapasitesi
(mAh)
Hesaplanan Akım (Amper)
Güç Performansı (Watt)
320 1730 3100 26 312
360 1954 2990 34 408
335 1824 3045 29 348
Tablo 2.7.3: Görev-2 Batarya Kapasitesi Belirleme Parametreleri.
Görev-2:
Görev-2 Tamamlama
Süresi (sn.)
Toplam Uçuş Ağırlığı (g)
Batarya Kapasitesi
(mAh)
Hedef İsabet Oranı (%)
Taşınan Su Miktarı (ml)
320 1730 3100 88 306
360 1954 2990 92 530
335 1824 3045 84 400
Tablo 2.7.4: Görev-2 Uçuş Performans Parametreleri.
2.8 Hava Aracı Maliyet Dağılımı
Tablo 2.8.1. İHA malzeme maliyet tablosu
No Parça Adı Birim Fiyatı ((TL)) Miktarı Toplam Fiyatı (TL)
1 Pixhawk 2.1 Orange Cube Uçuş Kontrol Kartı
3592,11 1 Adet 3592,11
2 Emax 2213 Motor 198,24 4 Adet 792,96
3 FVT Little Bee ESC 145,37 4 Adet 581,5
4 Tattu 1300mAh LiPo Pil 305 1 Adet 305
5 Here2 GPS 1499 1 Adet 1499
6 1045 Pervane 8,14 8 Adet 65,12
7 60A Sigorta 724,88 1 Adet 724,88
8 Matek Güç Dağıtım Kartı 86,19 1 Adet 86,19
9 Radiolink AT9 Kumanda 1317,20 1 Adet 1317,20
10 Raspberry Pi 4 667,78 1 Adet 667,78
11 Raspberry Pi V2.1 Kamera 401,67 1 Adet 401,67
12 V5 Telemetri Modülü 756,14 1 Adet 756,14
13 50*50 cm 3mm Karbofiber Plaka
1258,30 1 Adet 1258,30
14 1 Metre 12mm Karbonfiber Boru
121,20 2 Adet 242,41
15 Katlanabilir GPS Tutucu 25,72 1 Adet 25,72
16 12mm Motor Tutucu 48,21 4 Adet 192,85
17 1 Kg PLA Filament 75 1 Adet 75
18 1 Metre Serum Hortumu 1,77 5 Adet 8,85
19 DC Su Pompası 4,53 2 Adet 9,06
TOPLAM 11236,45 34 Adet 12601,74
2.9 Yerlilik
Döner kanatlı İHA’nın anlık izlenebilmesi için geliştirilen yazılım QT Creator ile tasarlanmıştır. Hava aracından yazılıma veri akışı için telemetri modülü kullanılmıştır. Python diliyle kodlanan bir yazılım sayesinde, telemetriden gelen uçuş verileri yerel veri tabanına kaydedilmektedir. Hava aracının uçuş arayüzünde QT Creator C++ kütüphanesi, telemetri modülünden veri çekme işlemi için Python üzerinde çalışan “Dronekit”, “pymavlink” ve “time”
kütüphaneleri kullanılmıştır. Veri tabanı sunucusu olarak da tepkime süresini olabildiğince azaltmak için JSON veri tipiyle çalışan bir NoSQL veri tabanı olan REDIS uzak sunucu veritabanı kullanılmıştır.
Çalışma prensibi: Python ile yazılan program serial port ile iletilen telemetri verilerini belirli aralıklarla, bağlanmış olduğu Redis sunucusunun ilgili anahtar değerlerine yazar. İkinci aşamada özgün arayüz halihazırda bağlanmış olan Redis sunucusundaki anahtar değerleri okuyup göstergelerin “set” parametrelerine atar ve göstergelerin hareketini sağlar. Python ve
C++ olarak iki farklı dilin senkron çalışması için “pyinstaller” scriptiyle, daha önce yazılmış Python kodunu “.exe” uzantısına çevirdikten sonra bu çalıştırılabilir dosya, arayüz programının kodlarında çalıştırılır. Dolayısıyla iki program eşzamanlı çalışır vaziyette birbirine bağlanır. QT Framework kullanım amacı QT Framework üzerindeki "signal-slot" bağlantı yapısıdır. Bu yapı, arayüzde herhangi bir değer değişince yazılıma bir olay gerçekleştirmesi için talimat verebilme işleminin en ideal yöntemidir.
Şekil 2.9.1: RACLAB Kapsül Tuğberk Özgün Ara Yüz Tasarımı.
Şekil 2.9.2: RACLAB Kapsül Tuğberk Özgün Ara Yüz Tasarımı
