6.ULUSLARARASI İNSANSIZ HAVA ARAÇLARI YARIŞMASI KAVRAMSAL TASARIM RAPORU

6.ULUSLARARASI İNSANSIZ HAVA ARAÇLARI YARIŞMASI KAVRAMSAL TASARIM RAPORU

1. PROJE ÖZETİ

1.1 Tasarımda İzlenen Yöntem:

TAY-Tulpar döner kanatlı insansız hava aracı, yenilikçi yönleri esas alan, özgünlük ilkesine bağlı kalan bir kurgu içerisinde tasarlanmıştır. İHA, sonuca odaklı tasarım mantığı çerçevesinde, fikirler geliştirilerek ortaya çıkarılmıştır. Aracın ana odağı, yarışma isterlerini yerine getirebilecek bir yapıda olmasıdır. Gövde üzerindeki kenar kapaklarında bulunan TAY- TULPAR yazıları, kolayca sökülüp takılabilir batarya yuvası ve su taşıma mekanizması ile kullanışlı ve özgün bir gövde yapısı oluşturulmuştur. Aracın güç sistemi için 3S 5200 mAh Li- Po pil, DC-DC dönüştürücü ve 2 adet akım kesici, itki sistemi için 4’ü 1 EHD ile kontrol edilen fırçasız 1400 kV DC motorlar ve 8*4.5 pervaneler, uçuş kontrol kartı olarak Pixhawk Küp Turuncu, yardımcı bilgisayar olarak Jetson Nano, haberleşme sistemlerinde yer istasyonu ile haberleşme için Xbee telemetri ve Radiolink AT9S kumanda, yük alma-bırakma sistemi kontrolü için servo motor ve su pompası, konum ve zaman bilgisi için HERE3 GPS kullanılmıştır.

1.2 Takım Organizasyonu:

RESİM 1.2.1: Takım Üyeleri Görev Dağılımı ABDÜLSAMET

TÜTÜNCÜ

•OpenCv|

Görüntü İşleme

•ROS| Otonom Uçuş

MAHMUT UZUNALİ CAN

•Mekanik imalat

•Solidworks Tasarımları

ÖMER YASİR ALTUNTAŞ

•Solidworks Tasarımları

•Ansys Analizleri

SEDAT YILMAZ

•OpenCv|

Görüntü İşleme

•Elektronik Aksam

GÜLİZAR BASMAZ

•Sponsorluk Görüşmeleri TAKIM ADI: TAY- TULPAR

ARAÇ TÜRÜ: DÖNER KANAT

ÜNİVERSİTE: İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ-CERRAHPAŞA TAKIM KAPTANI: ABDÜLSAMET TÜTÜNCÜ

RESİM 1.2.2: Takım Üyeleri Organizasyonu

Takım üyelerinden Mahmut Can UZUNALİ Gazi Üniversitesinde öğrenim görmektedir.

Diğer üyeler İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa’da öğrenim görmektedir. Takım akademik danışmanı İÜC İnşaat Mühendisliği Bölümü öğretim üyesidir.

1.3 İş Zaman Çizelgesi Planlanan ve Gerçekleşen:

İŞ PAKETLERİ ve FAALİYETLERİ

BAŞLANGIÇ TARİHİ BİTİŞ TARİHİ SÜRE(AY) OCAK ŞUBAT MART NİSAN MAYIS HAZİRAN TEMMUZ AĞUSTOS EYLÜL

1.

Kavramsal ve Taslak Tasarımın Oluşturulması

01/01/2021 28/02/2021 2

01/01/2021 28/02/2021 2

1.1 Kaynak Taraması 1

1

1.2 Kavramsal Tasarım 2

2

1.3 Taslak Tasarım 2

2 2. Detaylı Tasarım ve

Malzeme Seçimi

01.03.2020 30/07/2021 5 01.01.2020 30/06/2021 6

2.1 Detaylı Tasarım 2

4

2.2 Malzeme Seçimi 3

2

2.3 Tasarımın Güncellenmesi 2

3 3. Prototip İmalatı ve Sistem

Entegrasyonu

01.01.2020 31.07.2020 7 01.01.2020 30.5.2020 5

3.1 SolidWorks Tasarımları 4

3 3.2 Mekanik Sistem İmalatı ve Montajı 3 3

Tablo 5.4.1: İş-zaman çizelgesi (Planlanan - Gerçekleşen) 2. DETAYLI TASARIM

2.1 Tasarımın Boyutsal Parametreleri

TAY-Tulpar döner kanatlı İHA’nın, tasarlanan çerçevesinin çapı 485 mm’dir.

Kullanılacak fırçasız motorların istenen itki kuvvetine göre test edilerek ideal pervane ölçüsü 8*4.5 inç (203,2 mm) olarak belirlenmiştir. Pervane ve çerçeve ikilisinin oluşturduğu alan dışında kalan kısım elektronik parçaların montajlandığı gövde kısmını oluşturmaktadır.

Gövde 180x180 mm bir karenin yontulması ile elde edilmiştir. İki motor arası en yakın dik mesafe 308 mm olarak ölçülmüştür. Elektronik parça montajı için toplamda üç katlı bir yapı oluşturulmuştur. Bu yapılar arası toplam uzaklık 92 mm olarak ölçülmüştür. Gövdenin en alt kısmının yerden yüksekliği 205 mm’dir. Ayakların dikey boyutu 250 mm’dir ve aracın gövdesine 124°’lik bir açı ile konumlandırılmıştır. Gps’i motorların oluşturacağı manyetik alandan koruyabilmek üzere gövdenin üst kısmından 110 mm yukarısına montajlanmıştır.

Aracın yüksüz ağırlığı, tüm bileşenler dahil, yaklaşık 2000 gram gelmektedir.

Taşınacak yükün 400 gr civarı olması hedeflenmektedir. Gövde üç parçadan meydana gelmekte olup toplam 423 gr ağırlığındadır. İniş takımını dört adet ayak oluşturmaktadır. Bir ayağı oluşturan 3 parçanın ağırlığı ise 30 gr’dır.

Aracın ağırlık merkezi kanatların kesişim noktası üzerinde olması hedeflenmiştir. Bu nokta üzerinde z ekseninde sapmalar yaşanması beklenilen bir durum olurken, x ve y eksenlerinde bu sapmalardan kaçınılmıştır. Elektronik parçaların yerleşimi denge merkezi gözetilerek konumlandırılmıştır. Tablo 2.1.1 (TAY-Tulpar döner kanatlı İHA parça ve ağırlık tablosu) ve Tablo 2.1.2 (TAY-Tulpar döner kanatlı İHA malzeme ağırlık ve denge tablosu) ‘de sistem tasarımı ayrıntılı bir şekilde açıklanmıştır.

3.3 Elektrik Elektronik Sistem Entegrasyonu 2 2

3.4 Alt Sistem İmalatı ve Montajı 2

3 4. Prototip ve Sistem

Testleri 01.06.2020 10.09.2020 4 01.01.2020 10.09.2020 9

4.1 Batarya Testi 2

2

4.2 Gövde Testleri 2

4

4.3 Simülasyon Uçuş Testleri 3

5

4.5 Alt Sistem Testleri 2

3

4.6 Görev 1 Testi 2

5

4.7 Görev 2 Testi 2

4

No Parça Adı Ağırlık (gram) Adet Toplam Ağırlık (gram)

1 Emax XA2212 1400 KV Motor 50 4 200

2 SucceX 4 in 1 EHD 14,4 1 14,4

3 Pixhawk Küp 75 1 75

4 Pixhawk GPS 48,8 1 48,8

5 Jetson Nano 136 1 136

6 Mini Devre Kesici Akü Şalter 35 1 35

7 PPM Encoder 3,8 1 3,8

8 Kumanda Alıcısı 10,7 1 10,7

9 5200 mAh Li-Po Pil 360 1 360

10 Telemetri 22 1 22

11 Sigorta 15 1 15

12 Güç Modülü 50 1 50

13 Servo MotorM8MM8MMU8 9 1 9

14 Raspberry Pi Kamera Modülü 3 1 3

15 DC/DC Dönüştürücü 14 1 14

16 On/Off Anahtar 2 1 2

17 8x4.5 Pervane 11 4 44

18 Su Pompası 60 1 60

19 Üst Tabla (PLA) 95 1 95

20 Alt Tabla (PLA) 108 1 108

21 Kanat (Karbon Fiber) 220 1 220

22 Kenar Kapakları 16 3 48

23 Kenar Kapakları-Ön 22 1 22

24 Ayak Bağlantı Parçası 9 4 36

25 Ayak 19,5 4 78

26 Ayak Ucu Parçası 2 4 8

27 Su Kabı 29 1 29

28 Su Kabı Kapağı 9 1 9

29 Su Kabı Tutacağı 12 1 12

30 Tıpa 5 1 5

31 Su Hortumu 70 1 70

32 GPS Tutacağı 21 1 21

32 Diğer (Kablo+Vida+Bant) 1 100

33 Taşınacak Faydalı Yük (Su) 400 1 400

Toplam Yüksüz Ağırlık 51 1963,7 Toplam Yüklü Ağırlık 51 2363,7 Tablo 2.1.1: İHA Parça ve Ağırlık Tablosu

No Parça Adı Ağırlık (gram)

X Uzaklığı (mm)

Y Uzaklığı (mm)

Z uzaklığı (mm)

1 Motor 1 50 153,8 9,88 -153,8

2 Motor 2 50 153,8 9,88 153,8

3 Motor 3 50 -153,8 9,88 153,8

4 Motor 4 50 -153,8 9,88 -153,8

5 SucceX 4 in 1 EHD 14,4 0 -3,9 0

6 Pixhawk Küp 75 0 61,55 0

7 Pixhawk GPS 48,8 -51,27 152,26 -51,27

8 Jetson Nano 136 0 16,5 0

9 Mini Devre Kesici Akü

Şalter 35 49,5 55,3 -28,9

10 PPM Encoder 3,8 -35,2 -26,6 0

11 Kumanda Alıcısı 10,7 50,2 9,8 50,2

12 5200 mAh Lipo Pil 360 0 -24,85 19,5

13 Telemetri 22 -38,5 7,1 -38,5

14 Sigorta 15 37,5 -31,5 0

15 Güç Modülü 50 -37,5 -29,3 0

16 Servo Motor 9 -38,9 -54,5 -19

17 Raspberry Pi Kamera

Modülü 3 -15,3 -141,1 0

18 DC/DC Dönüştürücü 14 -46,6 7,6 46,6

19 On/Off Anahtar 2 -46,9 50,1 46,9

20 8x4.5 Pervane 11 +/-153,8 30,5 +/-153,8

21 Su Pompası 60 122,15 -145,2 0

22 Üst Tabla (PLA) 95 0 48,45 0

23 Alt Tabla (PLA) 108 0 -43,55 0

24 Kanat (Karbon Fiber) 220 0 0 0

25 Kenar Kapakları 16 +/-63,2 0 +/-63,2

26 Ayak Bağlantı Parçası 9 +/-62,2 -46,9 +/-62,2

27 Ayak 19,5 +/-90,65 -125,8 +/-90,65

28 Ayak Ucu Parçası 2 +/-139,1 -212,2 +/-139,1

29 Su Kabı 29 0 -106,9 0

30 Su Kabı Kapağı 9 61,05 -106,9 0

31 Su Kabı Tutacağı 12 -14,1 -111,5 0

32 Tıpa 5 -40,75 -120,05 0

33 GPS Tutacağı 21 -51,27 121,1 -51,27

Ağırlık Merkezi Konumu 1,34 38,75 0,18

Tablo 2.1.2: TAY-Tulpar Döner Kanatlı İHA Malzeme Ağırlık ve Denge Tablosu

Referans Noktası

Referans noktası kanat adlı parçanın merkezi olarak seçilmiştir. Tablo 2.1.2’de parçaların ağırlık merkezlerinin referans noktasına olan uzaklıkları gösterilmiştir. Su borusunun boyu 2000 mm ve çıkarılıp takılabilir bir mekanizma olmasından dolayı Tablo 2.1.2’de yer verilmemiştir.

Resim 2.1.1: Referans Noktası

2.2 Gövde ve Mekanik Sistemler

İHA, quadcopter X sistemi üzerinden tasarlanmıştır. Bu motor düzeninde, aracın hareketi için ön iki motorunu kullanması diğer frame (şase) çeşitlerine göre hız avantajı sağlamaktadır.

Aracın minimum hızı belirlenip kalkış ağırlığı hesaplandıktan sonra gövde ve kanat boyutlandırılması yapılmıştır. Aynı zamanda yarışma görevlerini yerine getirebilecek uygunlukta olması en önemli tasarım kıstasıdır.

Aracın kanat frame’i rijitliğini koruması ve aşırı esnemelere maruz kalmaması için bütünleşik bir yapıda olup karbon fiber plakadan üretilmiştir. Kanat parçasının montajı, alt ve üst kısımlarından olmak üzere 2 adet gövde parçasının içine oluşturulan yuvalara oturtularak yapılmıştır. Gövde parçaları ise birbirlerine cıvata-somun elemanlarıyla montajlanmıştır. Gövde ve kanadı ayakta tutan, yükü taşıyan iniş takımları, alt gövdeye bağlanmıştır. Bağlantı elemanı olarak M3 ve M4 metrik cıvataları kullanılmıştır. Gövde, kanat ve iniş takımları toplamda 7 adet parçadan oluşmasına rağmen yalnızca iki ayrı bağlantı bölümü vardır. Bu sayede şaseden kaynaklanabilecek mekanik titreşimlerin önüne geçilmesi istenmiş ve Resim 2.7.4’te görüldüğü üzere başarılı olunmuştur.

Aracın tasarımı yapılırken numerik analiz yöntemlerinden faydalanılmıştır. Modal analiz yöntemiyle kanadın doğal frekans titreşim değerleri belirlenip bu

frekanslarda parçanın yer değiştirme (deplasman) davranışları incelenmiştir. Aynı zamanda kanadın esnemezliğinin (stiffness) dağılımı da bu sayede gözlemlenmiştir. Bu analizden alınan bir diğer çıktı ise yüksek hassasiyetli elektronik sensörlerin şase üzerinde hangi konuma yerleştirileceğinin saptanmasıdır. Titreşimin ve yer değiştirmenin az olduğu bölgeler güvenli bölgeler olarak seçilmiş, uçuş kontrol kartı, batarya ve yardımcı bilgisayar bu bölgelere montajlanmıştır.

Resim 2.2.3: Kanat Parçasının Farklı Periyotlardaki (Mode) Frekans Değişimleri

Resim 2.2.1 İniş Takımı Montajı

Resim 2.2.2 Gövde Montajı

Analizden elde edilen sonuçlar incelendiğinde düşük frekans değerlerinde motorların bağlı olduğu kısımlarda titreşim ve yer değiştirmeler gözlemlenirken frekans arttıkça tüm kanat kollarına yayılan bir deformasyon görülmektedir. İç ve orta kısımlarda deformasyonun olmaması elektronik bileşenlerin bu kısımlara montajlanabileceğinin bir göstergesi olmuştur.

Özgün tasarımı ortaya çıkartmak için yapılan bir diğer çalışma ise topoloji optimizasyonudur. Kanat parçası aracın en önemli parçası

olduğundan üzerinde yapılan tasarımsal değişiklikler doğrudan uçuş performansını etkilemektedir. Topoloji optimizasyonu ile kanat parçası üzerinde %10’luk bir kütle azaltım işlemi yapılmıştır. Bu işlem yapılmadan önce parça üzerine yüklemeler ve destekler uygulanmış ve mukavemeti düşürmeden kütle azaltımı yapılabilecek bölgeler belirlenmiştir. Daha sonra bu bölgeye tersine mühendislik uygulanarak elektronik parçaların montajı için vida delik yerleri açılmıştır. TAY-Tulpar’ın tasarımı bu mühendislik çözümleri ile oluşturulmuştur.

Resim 2.2.5: Kanat Tasarım Faaliyetleri

Resim 2.2.6: Sistem Yerleşimi (Ekipman, Bileşenlerin İç-Dış Yerleşimi)

Resim 2.2.7: Yapısal Konfigürasyon Çizimi

Resim 2.2.4: Frekans Değerleri

Not: Uçuş kontrol kartının rüzgar gibi dış etkenlerden korunması için üzerini kapatacak, koruyucu bir kutu yapılması planlanmaktadır. DTR’de bu kutu bulunmamaktadır.

Resim 2.2.8: Tulpar Teknik Ölçüler Tablosu

2.3 Aerodinamik, Stabilite ve Kontrol Özellikleri

Döner kanatlı araçların hareketi, pervanelerin dönerek ürettiği kuvvet sayesinde oluşur.

Pervane pallerinin burulma açıları bu kuvvetlerin değerlerini doğrudan etkilemektedir. Araçta kullanılacak pervanenin ürettiği itki kuvveti hesaplanıp kalkış ağırlığı belirlenmiştir.

𝑇 =𝑃𝑛_𝑝 𝑉 𝑛_𝑝= 𝐶𝑡

𝐶_𝑝𝐽 =0,0867

0,0411 0,22 = 0,461 𝑇 =196.8𝑊. 0,461

8.9 𝑚/𝑠 = 10.19 𝑁 = 1038 𝑔 𝑇𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 İ𝑡𝑘𝑖 = 4𝑥𝑇 = 40,76 𝑁 = 4152 𝑔

Resim 2.3.1: 8*4.5 Pervane Özellik Tablosu

Uçuş performansı açısından itki kuvvetinin, aracın kalkış ağırlığına olan oranının (T/W) 2 olması istenmektedir. Aerodinamik, Stabilite ve Kontrol Özellikleri başlığı altında hesaplanan aracın kalkış ağırlığı dikkate alınarak yapılan hesaplamalara göre belirtilen isterlere uygun şekilde olması için hava aracının kalkış ağırlığı 2076 g olması gerekmektedir. Tay-Tulpar döner kanatlı insansız hava aracının yüksüz ağırlığı ise 1963 gr gelmektedir. Üretilen aracın stabil bir uçuş için istenen değeri yakaladığı gözlemlenmiştir.

Aracın uçuş mekaniğini ve stabilitesini arttırmak için numerik çözümler ile akış analizleri gerçekleştirilmiştir. Alınan çıktılara göre araçta tasarım iyileştirmeleri düşünülmüş ve uygulanmıştır. TAY-Tulpar’ın gövde alt ve üst parçaları arasının boşluklu hali ve kapalı halinin hava akımı içerisindeki basınç ve hız dağılımı incelenmiştir. İki yapının üzerindeki akış çizgilerinin dağılımı da incelenerek vortex oluşabilecek yerler belirlenmiştir. Yapılan akış analizi sonucu gövdenin kapalı hal basınç dağılımı kanat üzerinde çok fazla olmadığı gözlemlenmiştir.

Bundan ötürü kapaklı bir yapı yapılması kararlaştırılmıştır.

Resim 2.3.2: Kapaksız-Kapaklı Şase Akış Analizi

Pervanelerin oluşturduğu hava akımı da sonlu elemanlar yöntemi ile simule edilmiştir. Bu sayede pervaneler üzerinde oluşan basınç değişimleri, kontrol hacmi içerisindeki basınç gradyan eğrileri gözlenmiş ve aracın akış içindeki davranışı incelenmiştir.

Resim 2.3.3: Pervaneler Üzerinde Oluşan Basınç Dağılımı

Resim 2.3.4: Kontrol Hacmi İçindeki Hız Değişim Çizgileri

Resim 2.3.5: Kontrol Hacminde Oluşan Basınç Gradyanı Dağılımı

Resim 2.3.6: Pervanenin Aerodinamik Katsayıları Grafikleri

Piyasadan hazır halde temin edilen, naylon malzemeden üretilen 8*4.5 pervanenin itki ve güç katsayılarının ilerleme oranlarına göre oluşturulan grafikleri Resim 2.3.5’te

gösterilmiştir.1200 rpm dönüş hızına sahip motor pervane ikilisinin oluşturduğu itki, güç ve verimlilik değerleri incelenmiş ve 8*4.5 inç pervanenin kullanılması uygun görülmüştür.

2.4 Görev Mekanizması Sistemi

TAY-Tulpar’ın görev mekanizması sistemi yedi temel bileşenden meydana gelmektedir.

Bu bileşenlerin tasarımı, üretimi ve montajının görev fonksiyonlarını yerine getirebilecek standartta olması hedeflenmektedir. Su kabının hacmi 400 ml’dir. 61 mm çap, 175 mm uzunluğa sahiptir. Su borusu 2000 mm uzunluğundadır ve su kabına üst kısmından bağlanmıştır. Su pompası, su borusunun havuza giren ucuna bağlanmıştır. Su kabı değişken kesitte olduğu için, ağırlık merkezi gözetilerek tutacağın tasarımı yapılmıştır. Araca bağlı olan 2000 mm ‘lik su borusunun uçuş esnasında herhangi bir tehlikeye mahal oluşturmaması için su pompasının ucuna 2 adet 1800 mm’lik tel bağlantısı yapılıp aracın ayaklarından sabitlenmiştir. Bu sayede su borusunun eksenlerdeki serbest hareketi kısıtlanmıştır.

TAY-Tulpar’ın görev mekanizması söküp takılabilir bir yapıdadır. Su borusunun bir ucu su giriş yerine bağlanmaktadır. Su pompasının kablosu, eklenen anahtarla aracın alt kısmından kolayca takılıp çıkartılabilmektedir. Bundan dolayı birinci görevde, ikinci görev mekanizmasının çıkarılabilir elemanları araç üzerinde bulunmayacaktır.

Görev mekanizmasının çalışma prensibi şu şekildedir: Araç su havuzuna alçaldığında su pompası suyun içine girerek çalışmaya başlayacaktır. 20 sn’lik bir bekleme süresinden sonra 400 ml’lik su kabı tamamen dolu hale gelecektir. Araç su bırakma alanına geldiğinde servo motor yardımıyla su kabı içerisinde bulunan tıpa çekilecektir ve su bırakılmış olacaktır.

Resim 2.4.1: Su Sistemi Şase Montajı ve Sistem Yerleşimi

Resim 2.4.2: Su Sistemi Üretimi Resim 2.4.3: Su Sistemi Üretimi

Resim 2.4.2: TAY-Tulpar Görev Mekanizması Sistemi Teknik Ölçüler Tablosu

2.5 Elektrik Elektronik Kontrol ve Güç Sistemler

TAY-Tulpar döner kanatlı insansız hava aracının devre şeması Resim 2.5.1 ‘de gösterilmiştir. Bu devre şeması, EAGLE programı kullanılarak İHA’nın tüm elektronik bileşenleri gösterecek şekilde çizilmiştir. İHA’da, Resim 2.5.1’de belirtildiği üzere kontrol kartlarından Pixhawk Küp kullanılacaktır. Küp çeşitlerinden ise turuncu modelin tercih edilmesinde uçuş kontrol kartının H7 işlemcisine, sıcaklık kontrollü ataletsel ölçüm birimine, hızlı geçici depolama alanına sahip olması etkili olmuştur. Ek olarak Pixhawk Küp Turuncu, 3 adet ivmeölçere, 3 adet jiroskopa, 1 adet pusulaya, 2 adet barometrik basınç sensörüne sahiptir. İHA’da batarya olarak 3S 30C 5.2Ah Lipo pil kullanılacaktır. Batarya seçimi yapılırken, araçta kullanılan motor pervane çiftinin, yardımcı bilgisayarın, servo ve su motorunun çektiği akımlar ve uçuş süresi parametreleri esas alınmıştır. Kurulan güç hattının kablolaması yapılırken, enerjinin ısıya dönüşmemesi ve direncin azaltılması için 6mm çapta çok telli kablo kullanılmıştır. Araçta akım kaçaklarının önlenmesi için bıçak sigorta kullanılmıştır. Seçilen bataryanın hesaplamalar sonucu verebileceği maksimum akım 156 amper, kullanılan 4’ü 1 EHD’nin çekebileceği maksimum amper ise 180 amperdir. Sigorta, bataryanın verebileceği maksimum akım esas alınarak 150 amper olarak belirlenmiştir. Aracın herhangi bir aksaklık anında gücünün kolayca kesilebilmesi için 100-500 Amper akım kesici kullanılmıştır. Bataryadan çekilen paralel güç hattı ile yardımcı bilgisayar ve 12V DC su pompası beslenmiştir. İHA’da tüm güç tek bir batarya ile sağlanmaktadır. Yardımcı bilgisayarın herhangi bir olumsuzluk anında kolayca gücünün kesilmesi için mini akım kesici kullanılmıştır. Jetson Nano beslemesi XL4015 dönüştürücü (12V giriş-5V çıkış) kullanılarak sağlanmıştır. İkinci görevde suyun İHA’nın haznesine alınması amacıyla 12V DC su pompası kullanılmıştır. Pompanın kullanılabilmesi için Resim 2.5.3’te otonom uçuş ve görev mekanizmasında görülen sürücü devresi tasarlanmıştır. Tasarlanan devre, CNC Router’da bakır plaka kullanılarak TAY-Tulpar Takımı tarafından üretilmiştir.

Resim 2.5.1: Tulpar Devre Şeması

Tasarlanan devre, bataryadan paralel kol ile beslenen su pompasını, BJT transistör ile anahtarlamayı sağlamaktadır. Bu anahtarlama, BJT’ye Jetson Nano’nun 12. GPIO Pin’inden lojik 1-0 verilmesiyle yapılır. Tasarlanan anahtarlama devresinin testleri yapılmıştır. Su haznesindeki suyun boşaltılması için tıpaya bağlı SG90 servo motor kullanılmıştır. Servo motorun sinyali, Jetson Nano’nun 33. Pin’inden alınan PWM ile sağlanacaktır. 5V ve GND Jetson Nano üzerindeki 2. Ve 40. Pin’lere bağlanmıştır. Sıkıştırılmış tıpayı çekebilecek güçte bir servo motor seçilmiştir.

İHA’da bataryadan alınan bir diğer paralel kol güç modülüne bağlanmıştır. Güç modülü, EHD’lerin (12V) ve uçuş kontrol

kartının (5V) beslenme gerilimini sağlamaktadır. İHA’da, EHD’ler güç modülünün 12 Volt çıkışından, uçuş kontrol kartı ise güç modülünün 5 Volt çıkışından beslenmektedir.

İHA’nın itki sisteminde kullanılan motorlar, EMAX XA2212/1400KV Fırçasız DC Motor olarak seçilmiştir.

Seçilen motorun 3S batarya ve 8*4.5 pervane ile kullanıldığındaki çektiği maksimum akımı, Resim 2.5.2’de gösterilmiştir. Motorlar seçilirken, motorların yaklaşık olarak kaldırabileceği toplam ağırlığının (~3600kg), İHA’nın ağırlığının yaklaşık olarak (~2.363kg) en az 3/2 katı olmasına dikkat edilmiştir. EHD’nin minimum verebileceği akım değeri, motorun çektiği maksimum akım değerinin 2 katı olması ve aracın mimarisi durumları da göz önünde bulundurularak EHD 45 amper 4’ü bir EHD olarak belirlenmiştir. İHA’da otonom uçuşta kullanılan yardımcı bilgisayar ile uçuş kontrol kartının haberleşmesi için UART seri haberleşmesi kullanılmaktadır. Jetson Nano’nun UART seri haberleşme Pin’leri (TX (8.Pin), RX (10.Pin), GND (6.Pin)) ile uçuş kontrol kartının seri haberleşmede kullanılan telem2 portunun (RX (2.pin), TX (3.pin), GND (6.pin)) Pin’leri ile seri olarak bağlanmıştır. İHA’nın tasarlanan yer istasyonu ile kablosuz haberleşmesinde XBEE S2C modülü kullanılmıştır. Modül, uçuş kontrol kartının UART protokolüyle haberleşen Telem1 portuna bağlanmıştır ve yer istasyonunda 1km’ye kadar İHA’nın verileri anlık olarak görülebilmektedir. İHA’nın GPS verilerini alabilmesi için Here 3 GNSS modülü seçilmiştir. Modül, CAN haberleşme protokolünü kullanmaktadır. Bu haberleşme protokolü hızlı ve konum güvenilirliğinin yüksek olmasının yanında; modülün pusula, jiroskop ve ivmeölçer gibi yerleşik sensörlere sahip olmasından dolayı tercih edilmiştir. İHA’nın pilot tarafından kontrol edilebilmesi için Radiolink AT9s 10 kanal RC kumanda kullanılmıştır.

Kumandanın, 3km menzil ve 10 kanala sahip olması tercih edilmesinde önemli bir faktör olmuştur.

Resim 2.5.2: Motor Veri Sayfası

Resim 2.6.1: İHA Hedef Tespit ve Ortalama Görüntüsü

Resim 2.5.3: İHA Aviyonik Teknik Çizimi 2.6 Hedef Tespit ve Tanıma Sistemi

İHA’da, yük bırakma alanını tanıma/

tespit etme/ ortalama işlemleri için Raspberry Pi Versiyon 2. kamerası, Python programlama dili, ROS, OpenCv Kütüphanesi ve Jetson Nano yardımcı bilgisayarı kullanılmıştır. Temel görüntü işleme mantığı şu şekildedir: ROS’ta yazılan Python kodunda, kameradan alınan görüntü OpenCv vasıtasıyla bulanıklaştırılır ve görüntü anlık olarak HSV renk uzay formatına dönüştürülür.

HSV renk uzayındaki mavi ve kırmızı rengin piksel değer aralıkları kullanılarak, görüntü üzerinde mavi ve kırmızı rengin algılanması sağlanır. Görüntü üzerindeki aynı renk ve yoğunluğa sahip, sürekli eğri birleşme noktaları ile konturlar tespit edilir. Renk, eşik değerleri arasında olan kontur yüklerini oluşturur. Böylece mavi veya kırmızı tespit edilmiş olur ve ROS ile yayınlanır. Kırmızı dairenin yaklaşık olarak konumu, tur tamamlama çizgisi 1’den 2’ye hareket esnasında, bahsi geçen mantık ve her yarıçapın bir öncekinden büyük olduğu durum kontrol edilerek saptanır.

Formül 2.7.1: Uçuş Süresi Hesabı 5.2𝐴

60𝑑𝑘=69.6𝐴

𝑥 𝑑𝑘 𝑥 = 4,482 𝑑𝑘

Resim 2.7.1 : Görev-1 Testi Pist Alanı

Daha önceden konumu belli olan su alma alanına gelen İHA yazılan algoritmayla havuzu ortalar. Ortalama işlemi için algoritma şu şekildedir: İHA, kontur yoğunluğunun merkezine olan uzaklığını alınan görüntü üzerinde (frame), 𝑟 = √(𝑑𝑥)²+ (𝑑𝑦)² formülü ile hesaplar. Hesaplanan uzaklık (2.6.1’de görülen distance) 20’den küçük olana kadar İHA X

ve Y eksenlerinde doğrusal hız denklemi (V=a+br) ile hareket eder.

Burada a ve b sabit, r ise mesafedir. r’ye bağlı doğrusal hız denklemi ile hareketin sağlanması ile İHA, ortalamayı daha hızlı ve net bir şekilde gerçekleştirir. Ortalama

gerçekleştirildikten sonra İHA 2 metreye alçalarak su pompasını çalıştırır ve 20 sn.

bekler. Su pompası şu şekilde çalıştırılır: Tulpar Takımı tarafından tasarlanan BJT devresine Jetson Nano’nun GPIO çıkışlarından 12. Pin ile dijital 1

yollanır. Dijital 1 ile BJT tetiklenir ve anahtar iletime geçer. Resim 2.6.2: Ortalama Algoritması Su pompasına 12 Volt iletilir ve böylece, su kabına su aktarılmaya başlar. 20 sn. sonunda 12.

Pin dijital 0 olur ve motor durdurulur. Su alma alanından su alındıktan sonra yükselip saptanan konuma gelen İHA, kırmızı daireyi, Resim 2.6.2’de gösterilen algoritma ile ortalama işlemine başlar. Ortalama gerçekleştirildikten sonra İHA 4 metreye alçalır. Alçaldıktan sonra İHA bekletilirken Jetson Nano’nun GPIO çıkışlarından PWM çıkışı veren 33. Pin kullanılarak servo motor tetiklenir ve alt sistem tıpası açılır. Böylece alınan su, yük bırakma alanına bırakılmış olur.

İHA tekrardan yükselerek tur tamamlama çizgisini geçer ve otonom iniş yapar. Böylece görev başarıyla tamamlanmış olur.

2.7 Uçuş Performans Parametreleri:

Aracın batarya kapasitesi belirlenirken motorların ve yardımcı bilgisayarın çektiği akımlar temel alınmıştır. Minimum uçuş süresi, motorlar ve yardımcı bilgisayarın maksimum çekebileceği akım (69.6 A) ile 4,482 dk. olarak hesaplanmıştır. Maksimum görev uçuş süresi (5 dk.) ile karşılaştırıldığında, bu değerin yeterli olacağı uygun görülmüştür. Yapılan testlerdeyse aracın maksimum havada kalma süresi 12 dk.

olarak saptanmıştır. Yarışma alanı ile benzer pist oluşturularak yapılan 1. Görev testinde, aracın ulaşabildiği maks. hız Resim 2.7.2’de görüldüğü üzere 12,86m/s’dir. Test sınırlaması aşamasında maks. hız olarak verilen 20 m/s değeriyle, aracın ulaşabildiği hız değeri karşılaştırıldığında, hızlanma başarı oranı belirlenen mesafede %64.3 olarak tespit edilmiştir.

1. Görevde aracın, kalkış, uçuş ve iniş süresi toplamda 107 saniye olmuştur.

Resim 2.7.2: İHA’nın Ulaşabildiği Maks. Hız ve Uçuş Süresi

Görev-2’de ortalama işlemi için kameranın orta noktasından, r=20 piksel yarıçapta bir alan hata payı olarak bırakılmıştır.

Bu alan göz önüne alınıp frame alanı ile oranlandığında, Görev-2 Hedef İsabet Oranı

%99,84 olarak belirlenmiştir.

𝐇𝐚𝐭𝐚 𝐎𝐫𝐚𝐧ı = ^{𝐩𝐢∗𝐫^𝟐}

𝟏𝟎𝟐𝟒∗𝟕𝟔𝟖∗ 𝟏𝟎𝟎 = %𝟎. 𝟏𝟓𝟗

GÖREV 1 KALKIŞ AĞIRLIĞI DİKEY HIZ YATAY HIZ ALINAN YOL UÇUŞ SÜRESİ

~1655 gram 2 m/s 12,86 m/s 543 metre 107sn.

GÖREV 2 YÜKLÜ AĞIRLIK DİKEY HIZ YATAY HIZ ALINAN YOL UÇUŞ SÜRESİ

~2364gram 2 m/s 4.5 m/s 287.6 metre 186 sn.

Tablo 2.7.1: İHA Yarışma Görevlerinin Parametreleri Tablosu

Gerçekleştirilen test uçuşlarında, direklerden dönüş esnasındaki manevra yarıçapı uçuş verilerinden alınan değerlerde birinci görev testinde 11 metre, ikinci görev testinde ise İHA belirli bir doğrultuda hareket ettiği için 0,5 metre olarak ölçülmüştür.

1. Görev testinde elde edilen titreşim seviyesi grafiğinde (Resim 2.7.4) görüldüğü üzere titreşim maksimumum 0.025 seviyelerine çıkmakta ve uçuş genelinde 0.015 seviyesinde seyretmektedir. Titreşim değerinin 0’a yakınlığı İHA stabilizesinin deneysel olarak göstergesidir.

Resim 2.7.4: İHA Kayıt Defteri Titreşim Seviyesi Grafiği 2.8 Hava Aracı Maliyet Dağılımı

No Parça Adı Birim

Fiyatı (TL)

Miktarı (ADET/kg)

Toplam Fiyatı (TL) 1 3S 11.1 V 30C Li-Po Pil

5200 mAh

567,66 2 1135,22

2 Iflight 4 İN 1 EHD 405,64 2 700

3 Pixhawk Küp Turuncu Seti 3.199 1 3.199

4 Nvidia Jetson Nano Bilgisayar 1.222,48 1 1.222,48

5 Mini Devre Kesici Akü Şalter 50 1 50

6 Radiolink AT9S 2.4GHZ 10CH RC Kumanda Verici + PPM Encoder

1512 1 1512

7 Rasspberry Pi V2 Kamera 290 1 290

8 Xbee Modül Ve Programlama Kartı 369,33 2 738,66

9 Bıçak Sigorta(150A) 17,70 2 35,40

10 Here3 GPS 1799 1 1799

11 SG90 Servo Motor 8,38 1 8,38

12 DC Su Pompası 48,74 1 48,74

13 Jetson Nano-Alt Sistem Anahtar 2 1 2

14 18*16 Karbon Fiber Boru 175 1 175

15 Karbon Fiber Plaka 500*500 1.300 1 1.300

16 Emax A2212 DC Motor 95 4 380

17 XL4015 DC-DC Dönüştürücü 21,12 1 21,12

18 8045 Pervane Seti 14,26 2 28,52

19 Şase PLA Filament 160 1 160

20 Alt Sistem (Su Kabı + Tıpa + Hortum) 60 1 60

21 Diğer (Bant + Vida + Kablo vb.) 70 1 70

TOPLAM 12.346,48

Tablo 2.8.1: Hava Aracı Maliyet Tablosu

2.9 Yerlilik

2.9.1 Arayüz Tasarım ve Yazılımı

TAY-Tulpar Takımı tarafından Resim 2.9.1.1’de görülen ara yüz tasarımı ve yazılımı yapılmıştır. Tasarım yapılırken Basic-T standardına uygun olmasına dikkat edilmiştir. Bu standarda göre tasarımda yatay hız, tutum, yükseklik, yuvarlanma, pusula ve dikey hız olmak üzere 6 adet gösterge bulunmaktadır. Bu göstergelerin yanı sıra arm durumu, enlem, boylam, uydu sayısı, batarya ve uçuş modu göstergeleri bulunmaktadır. Tasarımın görsel içerikleri Adobe Photoshop kullanılarak üretilmiştir. Tasarımın yazılımında Json, Dart ve Python dilleri ile birlikte, Dronekit ve Flutter yazılım geliştirme kitleri kullanılmıştır. Python ile Dronekit kullanılarak uçuş kontrol kartından veriler anlık olarak çekilir. Çekilen veriler 100 ms’de bir txt dosyasına kaydedilir. Txt dosyası ise localhost’a yayınlanır ve veriler arka planda çekilerek ekrana anlık olarak yansıtılır. Arayüzün çalışma prensibi temel olarak bu şekildedir. Flutter yazılım kiti kullanılmasındaki en önemli etken Hot Reload (gerçek zamanlı düzenleme) özelliği içermesidir. Hot Reload ile arayüzün yenileme işlemi tüm ekran değiştirilerek değil, sadece değişen parametreler yenilenerek gerçekleştirir. Bu özellik ile hem uygulama çok daha hızlı bir şekilde çalışır, hem de işletim sistemi diğer reload (düzenleme) tekniklerine göre çok daha az güç tüketir. Flutter tercih edilmesindeki diğer bir etkense tek bir kodlama işleminden sonra Android, IOS, Web ve masaüstü çıktıları alabilme yeteneğidir.

Flutter aynı zamanda Windows, Linux, Mac ortamlarında alışabilmektedir. Tasarlanan arayüz sayılan çıktı ortamlarında çalışabilmektedir. Kodun koşulması için Microsoft Visual Studio veya Linux komut satır ekranı kullanılmaktadır.

Resim 2.9.1.1: Kullanıcı Arayüzü Masaüstü Görüntüsü

Kodlar: https://drive.google.com/file/d/1r0LOEHpXWbPkN0d3MSuUH-eSaWMexL- n/view?usp=sharing