Coanda Etkili VTOL Hareket Edebilen İnsansız Hava Aracı Ön Kontrol Tasarımı ve Donanım...

iii

Tez Danışmanı : Y. Doç. Dr. Turgut Berat KARYOT ..............................

İstanbul Teknik Üniversitesi

Jüri Üyeleri : Doç. Dr. Vedat Ziya DOĞAN .............................


Dr. Murat ŞİMŞEK ..............................


İTÜ, Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesinin …............... numaralı öğrencisi

…………….................., ilgili yönetmeliklerin belirlediği gerekli tüm şartları yerine

getirdikten sonra hazırladığı “……………………………………………....................

.................................................................... ” başlıklı tezini aşağıda imzaları olan jüri

önünde başarı ile sunmuştur.

Teslim Tarihi : 20 Mayıs 2014

Savunma Tarihi : 9 Haziran 2014

v

ÖNSÖZ

Bu bitirme tezi, Uçak ve Uzay Bilimleri, Uzay Mühendisliği lisans eğitimini

tamamlamak üzere yazılmıştır. Bitirme tezinin konusu “Coanda etkisi ile çalışan

VTOL hareket edebilen insansız hava aracı ön kontrol tasarımı” şeklindedir. Gümüş

Uzay Savunma Havacılık şirketi bu konuda KOSGEB destekli askeri ve sivil kullanım

amaçlı “Cevher” adında bir proje geliştirmektedir ve bu proje, bitirme tezime ilham

kaynağı olmuştur. Bitirme tezi kapsamında yapılan, zaman ve imkan kısıtı sebebiyle

temel düzeyde kalan bu ilk çalışma ile birlikte, bu alanda sürdürmeyi planladığım

çalışmalar için ilk adımı attım. Gelecek yıllarda yüksek lisans eğitimi kapsamında veya

hobi olarak bu alanda başladığım çalışmayı, projenin şu anda değinemediğim diğer

kısımlarına da hakim olabilmek açısından kendimi geliştirerek sürdürmeyi

planlamaktayım.

Bitirme tezini hazırlarken yaptığım çalışmalarda emeği geçen başta Murat Süer ve

Burak Sunan olmak üzere tüm Gumush Uzay Savunma Havacılık şirketi çalışanlarına,

Lisans eğitimim süresince, duruşu ve değerli fikirleri ile bana yön veren değerli hocam

Y. Doç. Dr. Turgut Berat Karyot’a,

Yıllardır desteklerini bir an olsun hissetmekten uzak kalmadığım ve bu günlere

gelmemde en önemli payın sahibi olan değerli aileme en içten teşekkürlerimi sunarım.

Mayıs 2014 Enes ERDOĞAN

vii

İÇİNDEKİLER

Sayfa No

ÖNSÖZ ........................................................................................................................ v

İÇİNDEKİLER ........................................................................................................ vii

KISALTMALAR ...................................................................................................... ix

TABLO LİSTESİ ....................................................................................................... x

ŞEKİL LİSTESİ ........................................................................................................ xi

ÖZET ........................................................................................................................ xiii

SUMMARY ............................................................................................................. xiv

1.GİRİŞ ....................................................................................................................... 1

1.1 Havacılık Tarihi .................................................................................................. 1

1.2 İnsansız Hava Araçları ........................................................................................ 2

1.2.1 Kullanım Alanları ......................................................................................... 2

1.3 Coanda Etkisi ...................................................................................................... 3

1.4 Tezin Amacı ........................................................................................................ 4

2. İHA SİSTEM TASARIMI ..................................................................................... 5

2.1 Sistem Tasarımı .................................................................................................. 5

2.1.1 Konsept Tasarım Aşaması ............................................................................ 5

2.1.2 Ön Tasarım Aşaması .................................................................................... 5

2.1.3 Detaylı Tasarım Aşaması ............................................................................. 6

2.1.4 Donanım Seçme ve Satın Alma Aşaması ..................................................... 6

2.1.5 Üretim Aşaması ............................................................................................ 6

2.2 İnsansız Hava Aracı Sistem Bileşenleri .............................................................. 7

3. COANDA ETKİLİ VTOL HAREKET EDEBİLEN İHA ................................. 9

3.1 Coanda Etkili İHA Örnekleri .............................................................................. 9

3.2 Hava Aracının Tasarımı .................................................................................... 12

3.2.1 Yapısal ve Mekanik Tasarımı ..................................................................... 12

3.2.2 Kontrol Mekanizması Tasarımı .................................................................. 14

3.3 Test Düzeneğinin Hazırlanması ........................................................................ 15

3.4 Donanım Seçimi ve Entegrasyonu .................................................................... 18

3.5 Kontrol Sistemi ................................................................................................. 20

3.5.1 Arduino Programlama ................................................................................ 20

3.5.2 Kontrol Yazılımının Hazırlanması ............................................................. 22

viii

4. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME .............................................................. 27

4.1 Değerlendirme ................................................................................................... 27

4.2 Sonuçlar ve Kazanımlar .................................................................................... 27

4.3 Geliştirme Çalışmaları ...................................................................................... 28

5. KAYNAKLAR ...................................................................................................... 31

6. EKLER .................................................................................................................. 33

ix

KISALTMALAR

İHA : İnsansız Hava Aracı

VTOL : Vertical Take-Off and Landing (Dikey İniş Kalkış)

RC : Remote Control (Uzaktan Kontrol)

RPM : Revolution Per Minute (1 Dakikadaki Tur Sayısı)

CAD : Computer Aided Design (Bilgisayar Destekli Tasarım)

CFD : Computational Fluid Dynamics (Hesaplamalı Akışkan Dinamiği)

IMU : Inertial Measurement Unit (Ölçüm Ünitesi - Sensörler)

GPS : Global Positioning System (Küresel Konumlandırma Sistemi)

Gyro : Gyroscope (Dönü Ölçer)

x

TABLO LİSTESİ

Sayfa No

Tablo A. 1 : Kullanılan Ekipmanlar .......................................................................... 34

Tablo A. 2 : Kullanılan Başlıca Diğer Eşyalar .......................................................... 34

Tablo A. 3 : Arduino Modellerinin Özellikleri ......................................................... 35

Tablo A. 4 : Arduino UNO Kartının Özellikleri ....................................................... 35

Tablo B. 1 : Kullanılan Programlar ........................................................................... 35

xi

ŞEKİL LİSTESİ

Sayfa No

Şekil 1. 1 : Havacılık Tarihi ......................................................................................... 1

Şekil 1. 2 : Coanda Etkisi ............................................................................................ 3

Şekil 1. 3 : Henri Coanda'nın patenti ........................................................................... 3

Şekil 2. 1 : İHA için sistem tasarımı ............................................................................ 7

Şekil 3. 1 : Robert Collins'in Coanda Etkili İHA tasarımı ......................................... 10

Şekil 3. 2 : Geoffrey Hutton ve Coanda Etkisi ile VTOL Hareket Eden İHA'sı ....... 10

Şekil 3. 3 : Jean-Louis Naudin'in Tasarımı ................................................................ 11

Şekil 3. 4 : MEDIAS tasarımı .................................................................................... 11

Şekil 3. 5 : AESIR Firmasının Coanda Etkili İHA'sı ................................................ 12

Şekil 3. 6 : Coanda yüzeyinden akış sırasında Düşük ve Yüksek basınç bölgeleri ... 13

Şekil 3. 7 : Kanatlar (Yandan ve Üstten) ................................................................... 13

Şekil 3. 8 : Coanda Etkili İnsansız Hava Aracı Tasarım Taslağı............................... 14

Şekil 3. 9 : Coanda Etkili VTOL Hareket Eden İHA Kontrol Ön Tasarımı .............. 15

Şekil 3. 10 : Coanda Etkili İHA Test Düzeneği İskeleti ............................................ 16

Şekil 3. 11 : Test Düzeneğinin Hazırlanışı ................................................................ 16

Şekil 3. 12 : Hava Aracı Şeklinde Tasarlanan Test Düzeneği Çizimleri ................... 17

Şekil 3. 13 : Coanda Etkili İHA Test Düzeneği ........................................................ 18

Şekil 3. 14 : Test Düzeneği Üzerinde Kanat ve Servo Numaralandırılması ............. 19

Şekil 3. 15 : Test Düzeneği Üzerinde Kanatçık ve Servo Numaralandırması ........... 19

Şekil 3. 16 : Donanım Entegrasyonundan Sonra Test Düzeneği ............................... 20

Şekil 3. 17 : Arduino UNO ........................................................................................ 21

Şekil 3. 18 : Arduino UNO Pin Bağlantıları .............................................................. 22

Şekil 3. 19 : Test Aşamaları ....................................................................................... 23

Şekil 3. 20 : Kontrol Programı Akış Şeması ............................................................. 24

Şekil 3. 21 : 1. Otonom Yörünge, 3 Eksende Hareket ............................................... 25

Şekil 3. 22 : 2. Otonom Yörünge, 3 Eksende Hareket ............................................... 25

Şekil C. 1 : Otonom Yörünge 1 ve 2 Program Akış Şeması ..................................... 40

Şekil D. 1 : Otonom Yörünge 1 için Servo Hareket Grafikleri (X:zaman, Y:Açı) ... 41

Şekil D. 2 : Otonom Yörünge 2 için Servo Hareket Grafikleri (X:zaman, Y:açı) .... 42

xiii

COANDA ETKİLİ VTOL HAREKET EDEBİLEN İNSANSIZ HAVA ARACI

ÖN KONTROL TASARIMI VE DONANIM ENTEGRASYONU

ÖZET

Bu bitirme tezinde, son yıllarda oldukça popüler hale gelen otonom veya kumanda

kontrolü ile hareket edebilen insansız hava araçları (İHA) konusunda özellikle

ülkemizde yapılan çalışmalara katkıda bulunmak ve daha önce ülkemizde uygulaması

görülmeyen Coanda etkisi ile VTOL (Dikey İniş Kalkış) hareket edebilen bir İHA fikri

üzerine çalışmalar yapılması amaçlanmıştır. Havacılık tarihinin gelişimi, İHA’lar ve

Coanda etkisi üzerine literatür araştırmaları yapılmış, daha önce bu alanda yapılan

çalışmalar tespit edilerek incelenmiştir. Bu inceleme kapsamında, Coanda etkisi ve

insansız hava araçları konusunda bilgi verilip karşılaştırmalar yapılarak bu alanda

yapılan çalışmaların önemine değinilmiştir.

İHA’ların sistem tasarımı aşamaları üzerine bilgiler verilmiş, Coanda etkisi ile hareket

edebilen bir İHA’yı oluşturan bileşenler anlatılmış ve bu alanda yapılan çalışmalar ile

bu bilgiler pekiştirilmiştir. Daha sonra, bu prensipte çalışabilecek bir İHA için yapısal

ve mekanik tasarım ile birlikte kontrol mekanizmasının ön tasarımı

gerçekleştirilmiştir. Bu tasarımı etkin kılabilecek donanım seçimi yapılmıştır.

Tasarlanan bu kontrol mekanizmasının test edilebilmesi için bir test düzeneği

tasarlanmış ve üretilmiştir. Ardından, donanım bu düzenek üzerine entegre edilmiştir.

Sistemin bir bütün halinde kontrolünü sağlayabilecek yazılım üzerine çalışmalar

yapılmıştır. Gerçekleştirilen çalışmaların ardından araç, otonom veya joystick

aracılığıyla manuel olarak kontrol edilebilecek hale gelmiştir. Bu bitirme tezi ile

birlikte tasarlanan sistemin, aracın yapısal, donanımsal ve yazılımsal olarak

geliştirilebilmesine son derece müsait olması hedeflenmiştir.

Son olarak, tasarlanan sistem üzerinde testler yapılmıştır ve sistemin çalışır durumda

olduğu gösterilmiştir. Genel bir değerlendirme yapıldıktan sonra elde edilen

kazanımlardan ve projenin devam edeceği süreç dahilinde yapılması planlanan

geliştirmelerden bahsedilmiştir.

xiv

VERTICAL TAKEOFF AND LANDING CAPABLE COANDA EFFECT

UNMANNED AERIAL VEHICLE PRE CONTROL DESIGN

SUMMARY

The aim of this thesis, to improve the studies about unmanned aerial vehicles which

are controlled by command control or autonomously in Turkey. Based upon this aim,

it will be informed about unmanned aerial vehicles and Coanda effect with information

about aviation history. After literature research, it is mentioned the studies about

unmanned aerial vehicles which is based on Coanda effect.

The information about system design of unmanned aerial vehicles and the parts of

Coanda effect vehicles are given. These information are supported by sample studies

about this topic. Afterwards, pre control, mechanical and structural designs of a

Coanda effect aircraft are planned. The equipment which is necessary for this plan are

chosen. Besides, a test mechanism is designed and built. After that, equipment is

integrated on this test mechanism. It is provided that the mechanism may be improved

easily. A software is developed and tested to control whole system properly. This

software provide opportunity to control manually and autonomously. The whole

system is going to be improvable in terms of structure, hardware and software.

Finally an evaluation is made and the results are presented. Later on, to do list is made

for cont’d of these project and it is mentioned about the necessary improvements.

1

1.GİRİŞ

1.1 Havacılık Tarihi

Havacılık, M.Ö. 5. Yüzyılda Çin’de ilk defa uçurtmaların kullanılmaya

başlanmasından itibaren insanoğlunun ilgisini çekmeye başlamıştır. Yüzyıllar

boyunca insanlar uçmak için birçok yol denemişlerdir. M.S. 9. Yüzyılda Endülüslü

mucit Armen Firman’ın yaptığı planörü uçurması yine bilinen tarihe bir ilk olarak

geçmiştir. M.S. 15. Yüzyılda Leonardo Da Vinci tarafından tasarlanan ve günümüze

kadar ulaşan “Ornithopter” tasarımı, havacılık tarihine önemli bir temel taşı olarak

geçmiştir. Daha sonraları insanların havacılığa duyduğu ilgi ve merak sayesinde bu

alanda yapılan çalışmalar da artmış ve gelişen teknoloji ile birlikte 20. Yüzyılın

başlarında 17 Aralık 1903 tarihinde Wright Kardeşler’in, başarıyla uçuşunu

gerçekleştiren ilk motorlu uçağı yapmasıyla havacılık tarihinde yeni bir sayfa

açılmıştır. Özellikle savaş dönemlerinde teknolojik gelişim sürecinin hızlanmasıyla

birlikte 1. Dünya Savaşı’nın hemen ardından uçaklar ile taşımacılık başlamıştır.

Gelişen teknoloji ve duyulan ihtiyaçlar doğrultusunda havacılık alanında kullanılan

araçlar da çeşitlilik kazanmıştır. Takip eden yıllarda, kullanım alanlarına göre

özelleşen birçok türde uçan araç tasarlanıp üretilmiştir.

Şekil 1. 1 : Havacılık Tarihi

2

Üretilen bu araçların bir kısmı artık tarihte kalmıştır, bir kısmı da günümüzde

farklılaşarak roketler ve uydular gibi farklı türde hava araçlarını oluşturmuştur. [1]

İnsanlık için önemli bir sektör haline gelen havacılıkta gerek duyulan farklı

ihtiyaçlardan ötürü gerek de bu alanda meydana gelen kazalardan dolayı yaşanan can

kayıplarından dolayı birtakım iyileştirmelere ve gelişmelere ihtiyaç duyulmuştur. Bu

doğrultuda son zamanlarda oldukça hızlı gelişen bir alt havacılık alanı ortaya çıkmıştır:

insansız hava araçları (İHA).

1.2 İnsansız Hava Araçları

İnsansız Hava Aracı (İHA), otonom veya kumanda kontrolü ile hareket edebilen,

kullanım alanlarına göre tasarım ve kapasitesi farklılık gösteren ve bu doğrultuda

üzerinde ek donanımlar barındırabilen bir insansız uçak türüdür. İlk olarak 1. Dünya

Savaşı yıllarında geliştirilen İHA’lar, gelişen teknoloji ile modernize edilerek kendi

içinde birçok tasarım ve özelliğe sahip, çok sayıda alanda kullanılabilen araçlar haline

gelmiştir. Kullanım alanlarına göre İHA’lar, onlara rakip sayılabilecek araçlardan olan

uydulara göre geliştirme, üretim ve kontrol maliyetleri açısından çok daha avantajlıdır.

Hareket kabiliyetleri yüksektir, belirli bir rotaya ihtiyaç duymaksızın istenilen anda

istenilen yöne kolayca hareket ettirilebilirler. Atmosfer şartlarından daha az

etkilenirler. Uçak ve helikopterlere kıyasla da daha ucuz maliyete sahiptirler. Eğitimli

pilota ihtiyaç duymazlar ve böylece çalışma esnasında insan hayatı riske edilmemiş

olur. İHA’lar, dikey iniş kalkış yapabilmeleri, havada asılı kalabilmeleri, faydalı yük

taşıyabilme özellikleri sayesinde oldukça geniş bir kullanım alanına sahiptir. [2]

1.2.1 Kullanım Alanları

İHA’lar gözlem yapma amacıyla kullanılabilir. Faydalı yük olarak üzerlerinde kamera

barındıran araçlar çevreyi gözlemlemek için kullanılmaktadır. Araç üzerinde bulunan

sensörler aracılığıyla İHA’lar, bulundukları ortama dair ölçümler yapabilmekte ve veri

toplayabilmektedir. Örneğin; özellikle yaz aylarında ortaya çıkan ve doğa için büyük

bir felaket riski taşıyan orman yangınlarını tespit etmek amacıyla İHA’lar

kullanılabilir. Maden arama gibi işler için, tehlikeli ortamlarda insan hayatını riske

etmemek ve insan kaynaklı hataları indirgemek için çeşitli ölçüm ve tespitler yapabilen

İHA’lar kullanılmaktadır. Diğer bir yandan, tasarımların farklılaşması ve çoğalması

3

ile birlikte İHA’lardan elde edilen verim artmıştır ve kargo amaçlı taşımacılık işlerinde

İHA’lar kullanılmaya başlanmıştır. [3]

1.3 Coanda Etkisi

Coanda etkisi, hızla hareket eden bir akışkanın, doğruca bir yol izlemek yerine

yakınındaki bir yüzeye yapışarak, bu yüzeyin eğimini izleyerek ilerlemesi olayına

verilen isimdir. Örneğin; musluktan akan suyun yanına bir kaşık yaklaştırıldığında,

akan suyun doğrultusunun kaşık yüzeyinin etrafında değiştiği gözlemlenir.

Şekil 1. 2 : Coanda Etkisi

Thomas Young’ın 1800 yılında verdiği bir derste silindirik bir yüzey arkasına saklanan

yanar haldeki bir mumun, alevin arka tarafından üflenen biri tarafından

söndürülebilmesinden bahsetmesi ve Henri Coanda’nın 1910 yılında kendi tasarladığı

bir uçağın düşüş sebebini araştırmaya başlaması ile yapmaya başladığı deneyler

sonucu bu etkinin varlığı tespit edilmiştir. Henri Coanda, Rumen bir mucittir, aynı

zamanda aerodinamik ve havacılığın öncülerindendir. Öte yandan, üretilen ilk jet

motorlu uçağın tasarımcısı ve üretimcisidir.

Şekil 1. 3 : Henri Coanda'nın patenti

4

Henri Coanda’nın patentine göre, bir kanat profile üzerinde yüzeye paralel hareket

edecek akış oluşturacak bir pervanenin çalışmasıyla, Coanda etkisi oluşur ve bu kanat

profili etrafından akan akış basınç farkı ve kanat ucunda hareket doğrultusuna dik

yönde bir sirkülasyon oluşturur. Bu sirkülasyon hareketi sonucu bir taşıma kuvveti

elde edilir. İlk etapta kendi ağırlığı kadar bir taşıma elde edip aracı havalandırarak daha

sonraki aşamalarda yüzey profilinin optimize edilmesi ile birlikte araç ile beraberinde

faydalı yük taşıyabilecek sistemler geliştirilmeye başlanmıştır. [4]

Bu özellikten faydalanılarak tasarlanan Coanda etkisi ile hareket eden VTOL hareket

edebilen insansız hava araçları, bu bitirme tezine ilham kaynağı olmuştur.

1.4 Tezin Amacı

Gelecek yıllarda, gelişen teknoloji ve ihtiyaçlar doğrultusunda havacılık ve uzay

alanında oldukça avantajlı bir konumda yer alacak olan İHA’lar oldukça önemli bir

yere sahip olacaktır. Bu doğrultuda yürütülen bir çok araştırma, geliştirme ve üretim

çalışması mevcuttur. Gümüş Uzay Savunma Havacılık şirketinin, KOSGEB desteği

ile bu alanda geliştirmekte olduğu VTOL harekete edebilen, Coanda etkisi ile hareket

eden rotorlu İHA projesi, ülkemizde bu alanda yürütülen ilk çalışmalardandır. Bu

bitirme tezinin amacı; bu alanda yürütülen çalışmaları incelemek ve bu proje

kapsamında yürütülen çalışmalara katkıda bulunmaktır. Rumen bilim adamı Henri

Coanda’nın keşfederek patentini aldığı “Coanda etkisi” denen prensip ile çalışan

İHA’lar, sahip oldukları özellikler sebebiyle bu bitirme tezinin inceleme konusu

olmuştur. Bu bitirme tezinde, dikey iniş kalkış yapabilen bir insansız hava aracı türü

olan Coanda etkili İHA’nın genel hatlarıyla kontrol sisteminin ön tasarımını

gerçekleştirmek ve bir prototip test düzeneği hazırlayarak aracın donanım

entegrasyonunu gerçekleştirmek amaçlanmıştır.

5

2. İHA SİSTEM TASARIMI

2.1 Sistem Tasarımı

Bir sistemin tasarlanması, genel olarak bazı alt sistemlerin kısmi ve süreli olarak başarı

ile gerçekleştirilmesi sonucu gerçekleşmektedir. Bu kısımda öncelikle bu sistem

tasarımı aşamalarından kısaca bahsedilecektir.

2.1.1 Konsept Tasarım Aşaması

Literatür araştırması ile başlanarak tasarlanması düşünülen ürünün ne olduğunun ve

ne için üretileceğinin belirlenmesi, literatür tarayıp piyasa araştırması yapılarak daha

önce o konuda yapılmış çalışmalar, teknolojik gelişmelerin tespit edilmesi, ürünün

tasarım ve üretim aşamasında takip edilecek yol ve yöntemlerin uygulanabilirliğinin

tespiti, kar ve zarar durumu ile birlikte sayı ve maliyet tahmini, tasarım ve üretim

süreci boyunca karşılaşılabilecek zorluklar gibi faktörler üzerine yapılacak

çalışmaların tamamı konsept tasarım aşamasını oluşturmaktadır.

Konsept tasarım aşaması tamamlandıktan sonra bir diğer süreç olan ön tasarım

aşamasına geçilir.

2.1.2 Ön Tasarım Aşaması

Ön tasarım aşamasında ürünün detaylı tasarım sürecinin özeti ve bu sürecin çıktıları

belirlenir. Elde edilebilecek verimi en yüksek düzeye çekmek ve sistemi en kararlı

halde elde edebilmek için detaylı olarak belirlenen kullanılması muhtemel ürün

parçalarının “tradeoff” çalışması yapılır. Sistemi oluşturan alt sistemler genel

hatlarıyla belirlenir ve bu doğrultuda çalışmalar yapılır. Tasarlanması düşünülen

sistemi ürün haline getirmeden önce bu aşamada çeşitli programlar aracılığıyla detaylı

çizimler yapılır. Bu aşamanın sonunda bütçe de ortaya çıkar.

6

2.1.3 Detaylı Tasarım Aşaması

Ön tasarım aşamasında yapılan çalışmalar, her anlamda detaylandırılarak, süreç

sonuçlandırılmak üzere bu aşamada çalışmalar yapılır. Alt sistemler bütünüyle analiz

edilir.

Ürünün yaşam ömrü, çalışma özellikleri, malzeme seçimleri, boyut analizi, testler gibi

gereklilikler bu aşamada sonuçlandırılır. Satın alma ve üretim süreci öncesi aşama

böylelikle tamamlanmış olur.

2.1.4 Donanım Seçme ve Satın Alma Aşaması

Bu aşamada üretilmesi planlanan ürünün, kullanılacağı alana göre şekillenen

özelliklerini karşılayabilecek donanımların satın alınması ve ürünün o doğrultuda

şekillendirilmesi sağlanır. Üretim aşamasının planı çıkarılır.

2.1.5 Üretim Aşaması

Önceki aşamalarda yürütülen çalışmalara sadık kalınarak ürünün tasarlandığı

doğrultuda ve çıkarılan üretim planı doğrultusunda test sonucunda elde edilecek başarı

ile birlikte ürünün prototipi üretilmiş ve sistemlerin çalışabilirliği test edilmiş olur.

Daha sonra ürün seri üretime geçebilir. [5]

7

İHA Sistem Tasarımı

Konsept Tasarım Aşaması

Literatür Araştırması

Ön Tasarım Aşaması

Uygulanabilirlik

Detaylı Tasarım Sürecinin Özeti Alt Sistemlerin Belirlenmesi

Detaylı Tasarım Aşaması

Detaylı Alt Sistem Analizi Kullanım Ömrünün Belirlenmesi, Tradeoff Çalışması

Donanım Seçme ve Satın Alma

Donanım Seçimi ve Sipariş Üretim Planı

Testler ve Üretim

Şekil 2. 1 : İHA için sistem tasarımı

2.2 İnsansız Hava Aracı Sistem Bileşenleri

İnsansız Hava Aracı (İHA) sistemini oluşturan başlıca bileşenler; aracın yer kontrol

istasyonu ve hava aracının kendisidir. Bu iki bileşenin birbiriyle senkronize çalışması

sonucu hava aracı hareket eder. RC (Uzaktan Kontrol) kontrol aracılığıyla bu bağlantı

kablosuz olarak sağlanır. Bunun için hava aracı ve yer kontrol istasyonu üzerinde birer

adet uzaktan kontrol alıcı ve vericileri bulunmalıdır. Yer kontrol istasyonu olarak

tanımlanan bileşen, istenen komutların şekillendirilebilmesi ve hava aracına

gönderilebilmesi için bir RC kumanda da içermektedir. Aracın uçuşunun otonom

olarak gerçekleşmediği durumlarda kontrol bu kumanda aracılığıyla sağlanabilecektir.

Hava aracı üzerinde faydalı yük olarak bulunabilecek kamera vb. sistemlerin de ihtiyaç

8

doğrultusunda ilave kontrol mekanizmasına sahip olarak kontrolünün

gerçekleştirilebilmesi yine bu kumanda aracılığıyla mümkün olabilecektir. Bu işlemler

telemetri olarak adlandırılır.

Yer istasyonunda, uçuş işleminin kontrolünü ve planlamasını sağlamak üzere bir yer

kontrol bilgisayarı bulunur. Uçuş öncesi, hava aracının kontrol mekanizmasını

işletecek programlar bu bilgisayar aracılığıyla hava aracına gönderilir. Uçuş sırasında

da hava aracı üzerinden toplanacak veriler yine kablosuz iletişim yoluyla bu

bilgisayara iletilir ve anlık analiz işlemi gerçekleştirilebilir.

Hava aracı, öncelikle kanatlar, kuyruklar ve diğer yüzey parçaları ile birlikte

aerodinamik yapıda bir gövdeye sahip olmalıdır. Bu tasarım, birçok analiz ve

hesaplama sonucu ortaya çıkmaktadır. Bunlarla birlikte aracın iniş kalkış ağırlığı,

ağırlık merkezi, faydalı yük ve donanım alanı gibi durumlar da hava aracı tasarımını

oluşturan diğer etmenlerdir.

Hava aracı üzerinde uçuş işlemlerini gerçekleştirmek ve kontrolünü sağlamak üzere,

uçuş kontrol bilgisayarı (kontrolcü) bulunur. Bu kontrolcü, hava aracı üzerinde

bulunan diğer alt sistemlere talimatlar vererek aracın çalışmasını kontrol eder. Hava

aracının kullanım şekline göre bu kontrolcü yeniden programlanır ve uçuş deneyimi

kazanıldıkça uçuş kontrol programı güncellenerek uçuş iyileştirmesi yapılır. Kontrolcü

ile birlikte araç üzerinde tam hakimiyet kurmak üzere IMU denen sensörler topluluğu

bulunur. Bu birimin içinde konum hakkında bilgi veren “GPS”, yönelim ve pozisyon

hakkında bilgi veren “Gyro” ve ivme hakkında bilgi veren “Accelerometer” gibi temel

sensörler bulunur. Kullanım alanına göre ekstra ölçüm yapan sensörler de

bulunmaktadır.

İnsansız hava araçlarının kullanım alanına göre taşıdıkları faydalı yükler de farklılık

gösterir. Aracın görev yükü ve planlanan kullanım alanı, aracın tasarımını etkiler.

Kullanım koşullarına ve görev yüküne göre aracın manevra kabiliyeti, boyutları ve

donanımları değişebilir.

Aracın manevra kabiliyetini kontrol eden pervaneler, kanat ve kanatçıklar ise

motorlarla kontrol edilir. Pervaneler için sessiz çalışan, yüksek tork üretebilen ve

yüksek hızlara ulaşabilen fırçasız DC motor kullanılır. Kanat ve kanatçık kontrolü için

ise servolar tercih edilir. Araç güç sistemi olarak birçok kaynak kullanılabilir.

Bütünüyle bu sistemler bir araya gelerek, insansız hava aracını oluştururlar. [5]

9

3. COANDA ETKİLİ VTOL HAREKET EDEBİLEN İHA

Önceki bölümlerde Coanda Etkisi ve İHA sistemleri ayrı ayrı anlatılmıştır. Bu

bölümde, Coanda Etkisi prensibiyle çalışan ve dikey iniş kalkış yapabilen bir insansız

hava aracı tasarımından bahsedilecektir. Bu konuda daha önceden yapılmış

çalışmalara değinilecek ve bu bitirme tezinin ana amacı olarak böyle bir İHA’nın

kontrol sisteminin kontrol ön tasarımı yapılacak ve prototip olabilecek bir test

düzeneği üretilip, donanım entegrasyonu bunun üzerinde gerçekleştirilecektir.

3.1 Coanda Etkili İHA Örnekleri

Birinci ve İkinci Dünya Savaşı yıllarından itibaren girilen teknoloji yarışında, etkinin

varlığının tespit edilmesinden itibaren faydalanılmaya başlanan Coanda etkisi, o

yıllardan itibaren bir çok araçta kullanılmıştır. Soğuk savaş yıllarında 2 adet olarak

üretilen VZ-9 Avrocar hava aracı prototipi ve daha sonra üretilen Boeing YC-14 uçağı

bu etkiyle hareket eden başarılı ilk örneklerdendir. Takip eden yıllarda yürütülen

çalışmaların ardından özellikle günümüzde bu etkiyi insansız hava araçlarına

uyarlayan ve başarılı ürünler ortaya çıkaran şirket ve eğitim kurumları olmuştur.

2002 yılında Robert Collins, bir elipsin iki odağının ortasından kesilmesi ile elde

edilecek yarım bir elips şeklindeki eğri gövdenin ortasına bir rotor ve bu gövdenin

etrafından hava akışını sağlayabilecek bir pervane sistemi ile birlikte bir insansız hava

aracı tasarımından bahsetmiştir. [6]

10

Şekil 3. 1 :Robert Collins'in Coanda Etkili İHA tasarımı

90’lı yıllarda Geoffrey Hutton önderliğinde başlanan GFS adı verilen bir proje ile yine

Coanda Etkisi ile çalışan bir insansız hava aracı 2005 yılında geliştirilerek üretimi

gerçekleştirilmiştir.

Şekil 3. 2 : Geoffrey Hutton ve Coanda Etkisi ile VTOL Hareket Eden İHA'sı

2006 yılında Jean Louis Naudin, GFS projesinin tasarımının üzerinden giderek kendi

İHA’sını yapmıştır. Ürününde elektrik motorları kullanarak Coanda etkisinden

faydalanarak dikey iniş kalkış yapabilen, havada asılı durabilen helikopter ile benzer

özelliklere sahip olan bu aracı üretmiştir. Bu aracın üretim aşamasını detaylandırarak

öğretici bir doküman hazırlamıştır ve bu aracın benzerini üretmek isteyenlere yol

göstermiştir.

11

Şekil 3. 3 : Jean-Louis Naudin'in Tasarımı

2008 yılında Rumen araştırmacılar bir araya gelerek MEDIAS adı verilen daha

kapsamlı bir Coanda Etkili İHA tasarımı sunmuşlardır. Bu araç üzerinde daha etkin

taşıma kuvveti elde edebilmek için Helyum balonları kullanılması düşünülmüştür.

Şekil 3. 4 : MEDIAS tasarımı

Daha önce bahsedilen GFS Proje şirketinin el değiştirerek AESIR firmasının

kurulmasıyla birlikte Coanda etkili İHA üretiminde günümüzde çalışma yürüten en

etkin firma ortaya çıkmıştır ve bu alanda bir çok farklı ürün üretmiştir. Bu ürünlerin

çoğu askeri amaçla kullanılmaktadır.

12

Şekil 3. 5 : AESIR Firmasının Coanda Etkili İHA'sı

KhAI (Kharkiv Ulusal Havacılık Üniversitesi) ve Bristol Üniversitesi’nin de bu alanda

adından söz ettiren ürünleri bulunmaktadır. Bu ürünler, Coanda etkili İHA’ların ne

denli etkin kullanıldığını ortaya koymaktadır. [4]

3.2 Hava Aracının Tasarımı

3.2.1 Yapısal ve Mekanik Tasarımı

Tasarlanacak hava aracının çalışma prensibi Coanda etkisine dayandığı için, buna

uygun bir yüzey tasarımı yapılacaktır. Bu yüzeyi tasarlarken elde edilebilecek

maksimum taşıma kuvvetini bulabilmek için bazı aerodinamik hesapları ve akışkan

analizleri yapılması gerekmektedir. Bu süreç, uzun bir deneme süreci ve zamanla

birlikte ilave imkanlar gerektireceği için bitirme tezinde bu kısımlar üzerinde

durulmayacaktır.

Taşıma elde edebilmek açısından itki üretebilecek bir sistem gerekir. İlave düzeltme

yapmamak açısından bu sistemin düşey doğrultuda ağırlık merkezi ve simetri merkezi

üzerinde bulunması doğru olacaktır. Coanda etkisinin sağladığı etkili kaldırma kuvveti

sayesinde multikopterlerden farklı olarak bu araç üzerinde tek motor ile kontrol edilen,

tek bir pervaneden oluşan bir sistem olacaktır. Bu pervanenin havayı etrafa dağıtmadan

doğrudan aşağıya üfleyecek özellikte olmasına dikkat edilmelidir. Pervaneyi kontrol

etmek üzere bir adet fırçasız DC motor gerekecektir. Daha sonradan yapılacak testlere

göre aracın üzerinde bulunan donanımlar ve faydalı yüküyle birlikte kaldırma elde

edebilmesini sağlayabilecek RPM değerine sahip, yüksek itki üretebilen, düşük güç

tüketimi olan bir fırçasız DC motor seçilecektir.

13

Pervanenin yarattığı akışı Coanda yüzeyi üzerine yönlendirebilmek için pervane

etrafına oluklar yerleştirilecektir. Pervane, aracın üzerinden aldığı havayı aracın

üzerine üfleyerek yüzey şekli etrafında havanın dolaşıp ardından aracın alt kısmından

ayrılırken girdap oluşturarak taşıma kuvveti elde edilmesini sağlayacaktır. Bu sırada

arada yüksek ve düşük basınç bölgeleri oluşacaktır.

Şekil 3. 6 : Coanda yüzeyinden akış sırasında Düşük ve Yüksek basınç bölgeleri

Hava akışının Coanda yüzeyinden ayrılırken izlediği yolu flap kontrolü ile değiştirerek

araca 2 eksende manevra kabiliyeti kazandırılabilecektir. Araç üzerinde 4 adet

hareketli kanat bulunması planlanmıştır. Bu kanatlar karşılıklı olarak simetrik bir

şekilde aracın üzerinde yer alacaktır. Karşılıklı kanatların servolar aracılığıyla

senkronize hareket etmesi sonucu hava aracının yönelimi kontrol edilebilecektir.

Şekil 3. 7 : Kanatlar (Yandan ve Üstten)

14

Aracın hareket sırasında kendi etrafında dönüşünü (sapma) engellemek için

pervanenin oluşturduğu akışın, yüzey üzerinden akış doğrultusunu düzeltmek üzere

kanatçık sistemi kullanılmalıdır. Kanatçık sisteminin konumu, aracın tasarımına göre

değişebilecektir. Literatür araştırmasında, bu sistemin pervane etrafındaki olukların

içinde yer alabileceği veya yapılan akışkan analizi sonucu yüzey üzerinde bir yerde

yer alabileceği tespit edilmiştir. Bu bitirme projesi kapsamında tasarlanan araçta

kanatçıklar yüzey üzerinde yer alacaktır. Böylece temel anlamda aracın tasarımı ortaya

çıkmıştır.

Şekil 3. 8 : Coanda Etkili İnsansız Hava Aracı Tasarım Taslağı

3.2.2 Kontrol Mekanizması Tasarımı

Coanda Etkisi ile çalışan VTOL hareket edebilen İHA için taşıma kuvvetinin elde

edilmesi, aracın gövdesinin orta üst kısmında bulunan bir fırçasız DC motor ve ona

bağlı pervanenin düzenlediği akışın gövde yüzeyinin etrafından akacak şekilde

yönlendirilmesi sonucu basınç farkı ve ayrılma noktalarında girdap oluşturması ile

olur. Pervanenin bağlı olduğu motorun hızının kontrolü ile elde edilecek taşıma

kuvveti ayarlanabilir. Pervanenin pompaladığı hava, gövdenin uç kısımlarında

bulunacak olan, servoların kontrol ettiği flaplar sayesinde yönlendirilir ve böylece

aracın 2 eksende ileri-geri ve öne-arkaya hareketi sağlanabilir. İki eksende hareketin

sağlanabilmesi için karşılıklı servolar karşılıklı olarak eşleştirirler. Böylece senkronize

servo ve kanat hareketiyle birlikte araç denge kaybına uğramadan hareket eder. Öte

yandan araç üzerinde anti tork sistemi olarak gövde üzerinde simetrik şekilde

konumlandırılmış akışın gövde üzerinden akışını düzenleyici görev üstlenen ve yine

servolar aracılığıyla kontrol edilen kanatçıklar bulunacaktır. Hazırlanan yazılım

sayesinde bu sistemlerin kontrolü mümkün olacaktır.

15

Kontrol ön tasarımı basitçe şu şekilde oluşacaktır;

Şekil 3. 9 : Coanda Etkili VTOL Hareket Eden İHA Kontrol Ön Tasarımı

3.3 Test Düzeneğinin Hazırlanması

Hava aracının prototipini üretmeden önce, kontrol sisteminin çalışmasını denetlemek

amacıyla bir test düzeneği oluşturulması planlanmıştır. Bu test düzeneği üzerine aracın

kontrol mekanizmasını oluşturan donanımların entegrasyonu gerçekleştirilecektir. Bu

test düzeneği sayesinde öncelikle aracın yönelimini sağlayacak olan flap kontrolü test

edilecektir. Aracın tasarımında simetrik olarak planlanan 4 hareketli, 4 adet de sabit

kanat olacaktır. Aynı sistem test düzeneği üzerinde de bulunacaktır. Aracın yüzey

geometrisinin belirlenmesi sürecinin bu bitirme tezinin kapsamı dahilinde değildir. Bu

sebeple, yüzey geometrisi değişikliklerine müsait bir test düzeneği oluşturulması

gerektiği düşünülmüştür. Bu doğrultuda aracın donanımlarını üzerinde barındıracak,

hareketli parçalarının motorlar aracılığıyla kontrolüne uygun, parça değişimlerinin

kolaylıkla gerçekleştirilebileceği bir test düzeneği tasarlanmıştır.

16

Şekil 3. 10 : Coanda Etkili İHA Test Düzeneği İskeleti

Test düzeneğinin iskeletinde sağlamlık açısından ahşap malzeme kullanılmıştır. Alt ve

üst tabaka için hediyelik eşya ve dekorasyon sektöründe yaygın olarak kullanılan

eyong kontrplak türünde ağaç kullanılmıştır. Düzeneğin alt ve üst tabakasını birbirine

bağlamak için ise müzik aleti yapımında sık kullanılan paduk ağacından 8 adet çıta

kullanılmıştır. Bunun sonucunda simetrik yapıda bir düzenek ortaya çıkmıştır.

Parçaların birleştirilmesi için tel zımba kullanılmıştır. Seçilen malzemeler her ne kadar

havacılık için uygun olmasa da, test düzeneğinin hafif olması açısından

kullanılabilecek en hafif ve sağlam ürünler tercih edilmiştir. Test düzeneğinin tasarım

aşamasında, yüzey geometrisi ve kanat profillerinin değişebileceği göz önünde

bulundurularak bu profilleri oluşturmada sert köpükten kesilen parçalar kullanılmıştır

ve bunların kolaylıkla sökülüp takılmasının mümkün olabilmesi sağlanmıştır. Aracın

yüzey şekillerini oluşturacak köpük kısımlar için de ayrıca teknik resim çizimleri

yapılmıştır ve parçalar buna göre kesilmiştir.

Şekil 3. 11 : Test Düzeneğinin Hazırlanışı

17

Düzeneğin CAD çizimi yapılmıştır ve düzeneğin montajı buna göre yapılmıştır.

Şekil 3. 12 : Hava Aracı Şeklinde Tasarlanan Test Düzeneği Çizimleri

Oluşturulan iskeletin üzerine kesilen yüzey şekillerinin 502 süper yapıştırıcıyla

yapıştırılması ve hareketli kanatların bu özelliklerini koruyabilmesi için çift taraftan

bant ile yapıştırılmasıyla birlikte test düzeneğinin montajı tamamlanmıştır. Bu

aşamada test düzeneğinin üzerinde, tasarlanan hava aracının pervane sistemini kontrol

ederek taşıma elde etmeye yarayacak olan fırçasız DC motorun bağlanacağı kısım

bulunmamaktadır.

18

Şekil 3. 13 : Coanda Etkili İHA Test Düzeneği

Test düzeneği oluşturulduktan sonra, kontrol için gerekli diğer mekanizmalar bu

düzenek üzerine entegre edilecektir. Test düzeneğini çalıştırmadan önce, düzeneğin

üzeri hava akışını bozmayacak ve kesilen yüzey profilinin şeklini koruyacak şekilde

ince şeffaf plastik bir örtü ile kaplanacaktır. Yüzey şeklinin modifikasyonunu

kolaylıkla gerçekleştirmek açısından burada şeffaf şemsiye örtüsü kullanılacaktır.

Daha sonra, aracın fırçasız motor ve pervane entegrasyonu gerçekleştirilerek bu yüzey

üzerine hava akışı sağlanacak ve diğer sistemlerin de çalışması ile aracın kontrolü

sağlanabilecektir.

3.4 Donanım Seçimi ve Entegrasyonu

Hazırlanan test düzeneği üzerine, kontrol testleri için gerekli donanımlar

yerleştirilecektir. Test sonuçları ile birlikte optimizasyon ve “tradeoff” çalışmaları

yapılarak en uygun ekipmanlar tespit edilecek ve araç üzerine entegrasyonu

sağlanacaktır. Üretilecek ürünün boyut ve diğer gereksinimlerine göre seçilen bu

ürünler değişecektir. Bu bitirme tezinde öncelikle sistem kontrolünün düzgün bir

biçimde sağlanabilmesi hedeflenmiştir.

Aracın kontrol sistemini oluşturabilmek için kullanılan başlıca ekipman ve diğer

eşyaların detaylı olarak bulunduğu tablolar, EKLER kısmında EK – A başlığında

bulunmaktadır. [Tablo A.1], [Tablo A.2]

19

Kanat Kontrolü;

4 adet hareketli kanadın kontrolü için her bir kanada 1 adet servo bağlanmıştır. Bu

servolar, test düzeneğinin yönüne göre ön-sağ-arka-sol ve 1-2-3-4 olarak

işaretlenmiştir. Bu yerleşim, aracın kontrol yazılımının hazırlanması ve ardından

entegrasyon sürecinde kolaylık sağlayacaktır. Bağlanan bu servolar aracılığıyla

joystick aracılığıyla alınan voltaj değerlerine göre kanatların konumları kontrol

edilebilecektir.

Şekil 3. 14 : Test Düzeneği Üzerinde Kanat ve Servo Numaralandırılması

Kanatçık Kontrolü;

Aracın yüzeyinin 8 parçaya ayrıldığı düşünüldüğünde, hareketli kanatların bulunduğu

4 yüzeyde sabit, diğer 4 yüzeyde ise hareketli olan ve servolar ile kontrol edilecek

kanatçık bulunacaktır.

Şekil 3. 15 : Test Düzeneği Üzerinde Kanatçık ve Servo Numaralandırması

20

Şekilde belirtilen bölgeler üzerinde üçer adet kanatçık birleştirilerek birer servo ile

kontrol edilebilecektir.

Donanımların test düzeneği üzerine entegrasyonu sağlandıktan sonra test düzeneği

donanımsal olarak çalışmaya hazır hale gelmiştir.

Şekil 3. 16 : Donanım Entegrasyonundan Sonra Test Düzeneği

Donanımların çalışmasını sağlayacak yazılım ise “Kontrol Yazılımı” bölümü altında

incelenecektir.

3.5 Kontrol Sistemi

Kontrol sistemi, hazırlanan düzeneğin kanat kontrolü, kanatçık kontrolü ve pervane

kontrolü olmak üzere 3 ana işlevi kontrol etmek üzere hazırlanmıştır. Hava aracının

bu 3 işlevi, 2 adet 2 eksenli joystick ve 1 adet potansiyometre ile anlık ve manuel

olarak kontrol edilebilecektir. Bununla birlikte otonom uçuşu sağlayabilecek 2 adet

yörünge seçeneğiyle birlikte bir kontrol yazılımı oluşturulmuştur. Bu donanımlar,

Arduino platformu üzerinde programlanmıştır.

3.5.1 Arduino Programlama

Arduino, bir takım yazılım ve donanımlar içeren açık kaynak kodlu bir geliştirme

platformudur. İçerisinde kendi mikroişlemcisini barındırır ve analog/dijital giriş

çıkışları vardır. “Processing” ve “wiring” dilleri ile programlamaya imkan tanır. Açık

kaynak kodlu olduğu için baskı devresi, şematik tasarımı ve kütüphaneleri detaylarıyla

21

mevcuttur. Açık kaynak kodlu bir platform olmasının getirisi olarak, gönüllülük

esasına dayanan birçok proje, kütüphane ve ek donanım mevcuttur ve bunlar sürekli

olarak geliştirilmektedir. Farklı ihtiyaçlara yönelik tasarlanan birçok Arduino modeli

vardır. Coanda etkili İHA için ön kontrol tasarımı sürecinde Arduino’nun UNO modeli

kullanılmıştır. Kontrolcü olarak Arduino seçilmesinin sebebi, basit ve kapsamlı olarak

sunduğu imkanlar ile birlikte geliştirilmeye sürekli açık olmasıdır. Ayrıca ihtiyaca

göre kullanılabilecek onlarca Arduino modeli vardır. Bu modellere ilişkin bilgiler,

EKLER kısmında EK – A başlığının altında yer almaktadır. [Tablo A.3] UNO modeli

Arduino’nun en sık kullanılan modelidir. Bu bitirme projesinde oluşturulacak sistem

için maksimum 8 adet servo ve 1 adet fırçasız motor bulunacağı için, giriş ve çıkış

portları ihtiyaç duyulan sayıyı karşılayan en uygun model olan Arduino UNO kartı

seçilmiştir. Arduino UNO kartının özelliklerinin yer aldığı tablo EKLER kısmında,

EK – A başlığının altında yer almaktadır. [Tablo A.4]

Arduino, USB aracılığıyla veya Bluetooth aracılığıyla diğer cihazlar ile haberleşebilir.

Bilgisayar üzerinden USB aracılığıyla derlenebilir ve Arduino Geliştirme Platformu

(IDE) aracılığıyla programlanabilir. [7]

Yapılan testler ile birlikte program ve yapı geliştirildikçe, ihtiyaca göre farklı

platformlarda programlamaya geçiş yapılabilecektir.

Şekil 3. 17 : Arduino UNO

22

3.5.2 Kontrol Yazılımının Hazırlanması

Coanda etkili VTOL hareket edebilen İHA için hazırlanan kontrol yazılımı EKLER

kısmında, EK – C başlığı altında sunulmuştur. Program, bilgisayara kurulan Arduino

Geliştirme Platformu üzerinde yazılmış ve daha sonra derlenerek Arduino UNO içine

yüklenmiştir. Donanım, test düzeneği üzerine entegre edilmeden önce bir çok deneme

sistemi kurulmuş ve testler gerçekleştirilmiştir. Ardından donanım, test düzeneği

üzerine entegre edilmiş, kontrol yazılımı Arduino işlemcisine yüklenmiş ve testler

gerçekleştirilmiştir.

Program hazırlanırken aracın üzerinde bulunacak her donanım, Arduino üzerinde bir

pin ile ilişkilendirilmiş ve gerekli giriş çıkış bilgisi Arduino yazılımına eklenmiştir.

Kullanılan donanımların, Arduino üzerinde bağlanacağı pinler aşağıdaki gibidir;

Şekil 3. 18 : Arduino UNO Pin Bağlantıları

23

Şekil 3. 19 : Test Aşamaları

Program çalıştırıldığında, 2 seçenek mevcuttur. Otonom veya manuel kontrol, joystick

üzerinde bulunan buton sayesinde seçilebilecektir.

Manuel seçilirse, LED ışık yanacak ve hareket kontrolü için kullanılan joysticklerden

gelen veriler denetlenerek anlık olarak ilgili donanımlara Arduino aracılığıyla konum

bilgisi içeren komutlar gönderilecektir. 1. Joystick, yön tayini yani kanatların kontrolü

için kullanılmıştır. 2 eksende hareket; ileri-geri ve sağ-sol olarak belirlenmiştir. Diğer

bir joystick ile de aracın kendi etrafında dönüşü yönetilmek üzere kanatçık kontrolü

sağlanmıştır. Bu joystickin yalnızca 1 ekseni kullanılarak kanatçıkları hareket ettiren

servoların açısı kontrol edilerek aracın saat yönünde veya saat yönünün tersinde

hareketi gerçekleştirilebilmektedir. Potansiyometre aparatı ile de aracın pervanesini

kotrol eden DC motor, ESC hız kontrolcüsü aracılığıyla kontrol edilebilmektedir. Yine

potansiyometre üzerinden gönderilen analog voltaj değeri, program içerisinde

ölçeklenerek hız kontrolcüsüne uygun hareketi sağlaması için gönderilmekte ve daha

sonra motora iletilerek pervanelerin hızı ayarlanabilmektedir.

Otonom seçilirse, hazırlanan yazılım içerisine gömülen 2 adet yörünge arasında seçim

yapılacaktır. Bu seçim, breadboard üzerine bağlanan bir başka buton sayesinde

yapılabilecektir. Butonun konumuna göre seçilen yörüngelerden biri, belirlenen akış

içerisinde döngü halinde sürekli olarak tekrar edecektir.

Hazırlanan kontrol yazılımının akış şeması aşağıdaki gibidir;

24

Başlangıç

IF (joyButon)

INPUT(joyButon ve switchButon)

LOW HIGH

IF(switchButon

)

INPUTJoystick

Data

PROCESSVeri

Ölçekleme[map]

OUTPUTServolara

Pozisyon Bilgisi, Fırçasız Motora

PWM Bilgisi Gönderilir

LOOPDöngü

DISPLAYServo ve Fırçasız Motor Verilerini

Ekrana Yazdır

SETUPPin Atamaları

HIGHLOW

Manuel Kontrol

Otonom Kontrol

Yörünge 1 Yörünge 2

OUTPUTServolara ve

Fırçasız Motora Belirlenen

Pozisyon ve PWM Bilgisi Gönderilir

OUTPUTServolara ve

Fırçasız Motora Belirlenen

Pozisyon ve PWM Bilgisi Gönderilir

Şekil 3. 20 : Kontrol Programı Akış Şeması

Kontrol yazılımı içerisinde tanımlanmış otonom yörüngeler için daha ayrıntılı akış

şemaları, EKLER kısmında EK – C başlığında bulunmaktadır. [Şekil C.1]

Otonom hareket esnasında 2 farklı yörünge için araç üzerinde bulunacak yönelim ve

tork servolarının hareketlerini gösteren zamana göre pozisyon grafikleri EKLER

kısmında EK – D başlığı altında bulunmaktadır. [Şekil D.1], [Şekil D.2]

25

Aracın otonom olarak çalıştırılması durumunda 1 veya 2 numaralı yörüngelerden biri

seçilecektir. Otonom yörünge 1 ve 2 için aracın hareketi X, Y ve Z eksenlerinde 3

boyutlu olarak aşağıdaki gibi olacaktır (Eksenlerdeki veriler uygun katsayılar ile

çarpılacaktır.);

Şekil 3. 21 : 1. Otonom Yörünge, 3 Eksende Hareket

Şekil 3. 22 : 2. Otonom Yörünge, 3 Eksende Hareket

27

4. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME

4.1 Değerlendirme

Bu bitirme tezi kapsamında, öncelikle havacılık tarihinin gelişim sürecinden

bahsedilmiş ve bu doğrultuda gelişen teknoloji ve duyulan ihtiyaçlar ile birlikte

kullanılan hava araçlarının geçirdiği farklılaşma süreci ortaya konmuştur. Son yıllarda

özellikle insansız hava araçları konusunda yapılan çalışmaların öneminden ve bu

araçların kullanım alanlarından bahsedilmiştir. 1910 yılında Henri Coanda tarafından

başlatılan çalışmalar sonucu keşfedilen ve literatüre “Coanda Etkisi” olarak geçen

özellikten yararlanarak tasarlanan bir İHA türünden bahsedilmiştir. Bu alanda daha

önceden yapılmış çalışmalar araştırılarak örneklerle sunulmuştur. Gümüş Uzay

Savunma Havacılık firmasının yürüttüğü proje kapsamında, bu alanda yapılan

çalışmalara katkıda bulunmak için izlenmesi gereken tasarım aşamalarından

bahsedilmiştir ve ardından Coanda etkisi ile çalışan dikey iniş kalkış yapabilme

kabiliyetine sahip bir insansız hava aracının ön kontrol tasarımının ve donanım

entegrasyonunun gerçekleştirilmesine yönelik çalışmalar yapılmıştır.

4.2 Sonuçlar ve Kazanımlar

Yapılan çalışmalar sonucunda, Coanda etkisi ile çalışan dikey iniş kalkış yapabilme

kabiliyetine sahip bir insansız hava aracına manevra kabiliyeti kazandıracak bir

kontrol tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu tasarım ile, kumanda aracılığıyla aracın anlık

olarak manuel veya otonom kontrol edilebilmesi sağlanabilmektedir.

Yapılmış olan ve daha sonra yapılacak olan çalıştırmaları kolaylaştırması ve deneme

çalışmalarının test edilerek sonuçların görülebilmesi için bir test düzeneği

hazırlanmıştır. Hazırlanan bu düzenek ile akışkan ve aerodinamik hesaplamalar

sonucu elde edilecek olan farklı Coanda yüzeylerinin kolaylıkla sökülüp takılarak

etkinliğinin denetlenmesine imkan sağlanabilecektir. Test düzeneğinin üzerinde

28

donanım entegrasyonuna müsait bolca alan bulunmaktadır. Bununla birlikte açık

kaynak kodlu bir platform olan Arduino üzerinde çeşitli denemeler sonucu sürekli

geliştirme halinde, farklı alternatifler ile birlikte yazılan programlar da hazırlanmıştır.

Entegre edilen donanımın, hazırlanan yazılım ile kontrolünün sağlanması ile birlikte

genel anlamda aracın kontrol tasarımı gerçekleştirilmiş bulunmaktadır. Yazılım ve

donanımın birlikte çalışması, test düzeneği üzerinde yapılan denemeler ve bu

denemeler sonrası tespit edilen gerekli iyileştirmelerin belirlenmesiyle birlikte

ilerleyen zamanlarda aracın geliştirilme süreci netlik kazanacaktır.

Yapılan ve sonuçlandırılan çalışmalar ile birlikte, yapılan ama sonuçlandırılmadan

vazgeçilen çalışmalar da olmuştur. Aracın kontrol kumandasının çok daha fonksiyonlu

ve kolaylıkla programlanabilir olması açısından “Logitech Extreme 3D Pro Joystick”

satın alınmıştır ve donanımın bu kumanda aracılığıyla çalıştırılabilmesi için çalışmalar

yapılmıştır. USB bağlantısının çözümlenerek, bu kumandanın istenen fonksiyonları

kullanabilmek için yeniden programlanması gerektiğinden ve bu sürecin bitirme tezi

kapsamına dahil edilemeyeceğinden dolayı bu düşünce daha sonra yapılacak

geliştirmeler arasına eklenmiştir. Programlama işinde kullanılabilecek birden fazla

kontrolcü bulunmaktadır. Öncelikle düşünülen “Raspberry Pi” mikro bilgisayarı

aracılığıyla kontrol işlemini gerçekleştirmekti. “Raspberry Pi” da Arduino gibi sıkça

kullanılan bir mikro kontrolcü kartıdır. “Raspberry Pi” aracılığıyla çalışma

yapabilmek için araştırmalar yapılmıştır ancak donanımsal kontrolü “Raspberry Pi”

aracılığıyla gerçekleştirmek daha karmaşık olduğu için çalışmalarda Arduino

platformu kullanılmıştır.

Bu bitirme projesinin hazırlanması sırasında özellikle literatür araştırması aşamasında

bir çok yeni şey öğrenilmiştir. Donanım entegrasyonu, yazılım hazırlama ve raporlama

aşamalarında ise öğrenilen yeni program paketleri ile birlikte lisans eğitimi süresince

teorik olarak edinilen bilgi ve öğrenilen programların da pratiğe dönüşmesi

sağlanmıştır. Bitirme tezi hazırlama sürecinde kullanılan başlıca programlar EKLER

kısmında EK – B başlığında verilmiştir. [Tablo B.1]

4.3 Geliştirme Çalışmaları

Bitirme tezi kapsamında yapılan çalışmalar, Coanda etkili VTOL hareket edebilen

İHA için temel teşkil etmektedir. Bu çalışmaların sürekli olarak iyileştirilmesi

gerekmektedir. Bitirme tezi kapsamında başlatılan bu çalışmaya daha sonra devam

29

edilerek, geliştirilmesi düşünülen kısımlar üzerinde çalışılarak bu geliştirmeler üzerine

çalışmalar yapılacaktır.

Planlanan ve tespit edilen başlıca geliştirmeler şunlardır;

Arduino platformunun MATLAB programı ile etkileşimi sağlanarak görsel

programlama arayüzü ile bilgisayar ortamında bir kontrol paneli oluşturulacak

ve kumanda olarak kullanılabilecektir.

Kontrol işlemi sırasında program çıktılarının daha etkin olarak elde

edilebilmesi için kumanda üzerine ekran entegresi bağlanacaktır.

Test düzeneği üzerinde kontrol tasarımı geliştirmeleri sağlandıktan sonra

aradaki kablolar kaldırılarak RC kontrol işlemi gerçekleştirilecektir.

Aracı kontrol etmek üzere Logitech Extreme 3D Pro Joystick üzerinde bulunan

tuşların fonksiyonları programlanarak gelişmiş bir kumanda elde edilecektir.

Kontrolcü olarak Arduino temel düzeyde kaldığı için daha sonra gelişmiş

başka bir kontrolcü kullanılarak kontrol sistemi geliştirilecektir.

Sensörler kullanılarak kontrol işlemi daha verimli hale getirilecek ve otonom

uçuş sırasında risk minimize edilerek, maksimum verim alınabilecektir.

Test düzeneği üzerinde, aracın boyutlarına, taşıyacağı faydalı yüke ve diğer

özelliklerine göre donanımlarda “trade off” çalışması ile birlikte optimizasyon

yapılarak en uygun donanımlar seçilecektir.

CFD analiz yapılarak uygun bir yüzey geometrisi elde edilmeye çalışılacak ve

test düzeneği üzerinde deneme çalışmaları yapılacaktır.

31

5. KAYNAKLAR

[1] http://www.flyingmachines.org/

[2] Sullivan, J. M. (2006). Evolution of revolution? The rise of UAVs. IEEE

Technology And Society Magazine, (3)

[3] Feasibility of UAV and Coanda Effect UAV (2011). Kharkiv:National

Aerospace University “Kharkiv Aviation Instute”

[4] Nedelcut, F. (2010). Towards a New Class of Aerial Vehicles Using The Coanda

Effect. Dunărea de Jos University, Galaţi, România.

[5] Austin, R. (2010). Unmanned aircraft systems : UAV design, development, and

deployment / Reg Austin. Chichester, West Sussex, U.K. : Wiley.

[6] Collins, R.J. (2002). Coanda – A New Airspace Platform For UAVs. Seventeenth

International Conference, Bristol, United Kingdom.

[7] http://www.arduino.cc

33

6. EKLER

EK - A : Kullanılan Malzeme ve Donanımların Özellikleri

EK - B : Kullanılan Programlar

EK - C : Hazırlanan Kontrol Yazılımı ve Akış Şemaları

EK - D : Hareket Grafikleri

34

EK – A : Kullanılan Malzeme ve Donanımların Özellikleri

Tablo A. 1 : Kullanılan Ekipmanlar

Kullanılan Ekipmanlar Miktar Fiyat (TL) Açıklama

Tower Pro 9g mikro servo 8 -

Fırçasız DC motor 1 31

Arduino UNO 1 -

Breadboard 1 -

Joystick 2 26

Multimetre 1 20

Potans 1 1

Elektronik aksesuarlar - 30 Direnç, bağlantı kabloları, konnektörler

Güç kaynağı 1 -

ESC 1 -

LED 2 -

Pervane 1 -

Logitech Extreme 3D Pro Joystick 1 89,24 Kumanda olarak kullanılacaktır.

Arduino USB Host Shield 1 66 Arduino -USB bağlantısı sağlayacaktır.

263,24

Tablo A. 2 : Kullanılan Başlıca Diğer Eşyalar

Kullanılan Diğer Eşyalar Miktar Fiyat (TL) Kullanım Amacı

İnce, sert köpük tabakası 2 (plaka) 10 Yüzey geometrisi oluşturmak için kullanılmıştır

Eyong kontrplak 1 (plaka) - Test düzeneğinin iskeleti için kullanılmıştır.

Paduk ağacı 1 (plaka) - Test düzeneğinin iskeleti için kullanılmıştır.

Kırtasiye Malzemeleri - 20 Falçata, yapıştırıcı, klips, kağıt bant,

Şemsiye 1 5 Coanda yüzeyini örtmek için kullanılmıştır.

35

35

Tablo A. 3 : Arduino Modellerinin Özellikleri

Tablo A. 4 : Arduino UNO Kartının Özellikleri

Arduino UNO

Mikroişlemci Atmega 328

Çalışma Gerilimi 5V

İdeal Besleme Gerilimi 9V

Sayısal Giriş/Çıkış Pinleri 14 pin

Analog Giriş Pinleri 6 pin

Flash 32 KB

EEPROM 1 KB

Saat Frekansı 16 MHz

EK – B : Kullanılan Programlar

Tablo B. 1 : Kullanılan Programlar

Kullanılan Programlar Kullanım Amacı

Arduino IDE (v1.05) Kontrol Yazılımı

MATLAB + Simulink (R2014a,R2012b) Grafik Programlama

Photoshop (CS6) Rapor Düzenleme

Microsoft Office 2013 (Word, Excell, Visio) Rapor Düzenleme

CATIA (V5R20) CAD Çizimler

Uno ATmega328 5 V/7-12 V 16 Mhz 6/0 14/6 1 2 32 Regular 1

Due AT91SAM3X8E 3.3 V/7-12 V 84 Mhz 12/2 54/12 - 96 512 2 Micro 4

Leonardo ATmega32u4 5 V/7-12 V 16 Mhz 12/0 20/7 1 2,5 32 Micro 1

Mega 2560 ATmega2560 5 V/7-12 V 16 Mhz 16/0 54/15 4 8 256 Regular 4

Mega ADK ATmega2560 5 V/7-12 V 16 Mhz 16/0 54/15 4 8 256 Regular 4

Micro ATmega32u4 5 V/7-12 V 16 Mhz 12/0 20/7 1 2,5 32 Micro 1

Mini ATmega328 5 V/7-9 V 16 Mhz 8/0 14/6 1 2 32 - -

ATmega168 0.512 1 16

ATmega328 1 2 32

Ethernet ATmega328 5 V/7-12 V 16 Mhz 6/0 14/6 1 2 32 Regular -

Esplora ATmega32u4 5 V/7-12 V 16 Mhz - - 1 2,5 32 Micro -

ArduinoBT ATmega328 5 V/2.5-12 V 16 Mhz 6/0 14/6 1 2 32 - 1

Fio ATmega328P 3.3 V/3.7-7 V 8 Mhz 8/0 14/6 1 2 32 Mini 1

Pro (168) ATmega168 3.3 V/3.35-12 V 8 Mhz 6/0 14/6 0.512 1 16 - 1

Pro (328) ATmega328 5 V/5-12 V 16 Mhz 6/0 14/6 1 2 32 - 1

3.3 V/3.35-12 V 8 Mhz

5 V/5-12 V 16Mhz

ATmega168V

ATmega328V

LilyPad USB ATmega32u4 3.3 V/3.8-5V 8 Mhz 4/0 9/4 1 0,512 32 Micro -

LilyPad

Simple

LilyPad

SimpleSnap

SRAM

[KB]

2 32 - -

1

1 16 - 1

ATmega328 2.7-5.5 V/2.7-5.5 V 8 Mhz 4/0 9/4 1

1 16 - -

1

0.512

2 32 - -

ATmega328 2.7-5.5 V/2.7-5.5 V 8 Mhz 4/0 9/4

LilyPad 2.7-5.5 V/2.7-5.5 V 8 Mhz 6/0 14/6

Pro Mini ATmega168 6/0 14/6 0.512

Model İşlemci USB UART

Nano 5 V/7-9 V 16 Mhz 8/0 14/6 Mini-B

Voltajİşlemci

Hızı

Analog

Giriş /

Çıkış

Sayısal

Giriş /

Çıkış

(PWM)

EEPROM

[KB]

Flash

[KB]

36

EK – C : Hazırlanan Kontrol Yazılımı

#include <Servo.h> // Servo'ların kontrolü için gerekli servo

kütüphanesini barındırır

const int joy1FB=A0; // Joystick - ileri ve geri hareketi kanat

kontrolü için analog veri girişini sağlar

const int joy1RL=A1; // Joystick - sağ ve sol kanat kontrolü için

analog veri girişini sağlar

const int joy2DON=A2; // Joystick - kanatçık kontrolü için saat

yönünde ve tersinde hareketin veri girişini sağlar

const int potans=A3; // Potans - Anti tork sistemi kapsamında

kanatçık kontrolü için analog veri girişini sağlar

const int joyButon=10; // Otonom veya manuel kontrol için joystick

butonu

const int switchButon=12; // Yörünge seçim butonu

Servo yonservo1; // Ön kanat servo

Servo yonservo2; // Sağ kanat servo

Servo yonservo3; // Arka kanat servo

Servo yonservo4; // Sol kanat servo

Servo torkservo1; // Ön sol kanatçık servo

Servo torkservo2; // Ön sağ kanatçık servo

Servo torkservo3; // Arka sağ kanatçık servo

Servo torkservo4; // Arka sol kanatçık servo

int joyButonOku;

int switchButonOku;

int led1=13; //Otonom - Manuel kontrol butonu için LED

int ESCmotor=11; //DC motora bağlı olan hız ayarlayıcısının Arduino

üzerindeki giriş pini (PWM)

int ESChiz=0;

int yservooku1; // Joystick'ten gelen ön kanat servo değeri

int yservooku2; // Joystick'ten gelen sağ kanat servo değeri

int yservooku3; // Joystick'ten gelen arka kanat servo değeri

int yservooku4; // Joystick'ten gelen sol kanat servo değeri

int tservooku1; // Joystick'ten gelen ön sol kanatçık servo değeri

int tservooku2; // Joystick'ten gelen ön sağ kanatçık servo değeri

int tservooku3; // Joystick'ten gelen arka sağ kanatçık servo

değeri

int tservooku4; // Joystick'ten gelen arka sol kanatçık servo

değeri

int potansoku; // Potanstan gelen analog değer

void setup() {

Serial.begin(9600);

yonservo1.attach(2); // Her bir servo için Arduino üzerinde giriş

pini ayarlaması

yonservo3.attach(3);



torkservo1.attach(6);




pinMode(led1, OUTPUT); // Pinlerin okuma veya yazma durumu için

ayarlanması

pinMode(joyButon, INPUT);

pinMode(switchButon, INPUT);

pinMode(potans, INPUT);

pinMode(ESCmotor, OUTPUT);

}

37

void loop() {

joyButonOku=digitalRead(joyButon);

switchButonOku=digitalRead(switchButon);

if (joyButonOku == LOW) { // Manuel hareket

digitalWrite(led1, HIGH);

yonservo1.write(90); // Servolar için başlangıç koşulları

yonservo2.write(90);



torkservo1.write(90);




yservooku2 = analogRead(joy1RL);

yonservo2.write(map(yservooku2, 0 , 1023 , 135 , 45));

yservooku4 = analogRead(joy1RL);


yservooku1 = analogRead(joy1FB);


yservooku3 = analogRead(joy1FB);


tservooku1 = analogRead(joy2DON);

torkservo1.write(map(tservooku1, 0 , 1023 , 60 , 120));







potansoku = analogRead(potans);

potansoku = map(potansoku, 0 , 1023 , 0 , 255);

analogWrite(ESCmotor, potansoku);

Serial.print("Joystick / Ileri - Geri : ");

Serial.print((520 - yservooku1) , DEC); // İleri ve geri yönde

hareket için girilen joystick değeri

Serial.print("\tJoystick / Sag - Sol : ");

Serial.print((520 - yservooku2) , DEC); // Sağ ve sol yönde


Serial.print("\tJoystick / Anti Tork : ");

Serial.print((515 - tservooku1) , DEC); // Sağ ve sol yönde


Serial.print("\tPervane Hizi : ");

Serial.print(potansoku, DEC); // DC motor hızı için girilen

potans değeri

Serial.println("");

delay(10);

}

else {

if (switchButonOku == LOW) { // 1. Otonom Yörünge

digitalWrite(led1, LOW);

yonservo1.write(90); // Servo motorların ilk konum ayarlaması








38

delay(2000); //T2=2

for(ESChiz = 0; ESChiz <= 200; ESChiz += 5) {

analogWrite(ESCmotor, ESChiz);

delay(100);

}

delay(3000); //T3=5





delay(2000); //T4=7





delay(500); //T5=7.5



delay(5000); //T6=12.5



delay(3000); //T7=15.5





analogWrite(ESChiz, 180);

delay(2000); //T8=17.5

for(ESChiz = 180; ESChiz <= 0; ESChiz -= 2) {


delay(100);

Serial.print("\tESC Hizi(PWM) : ");

Serial.print(ESChiz, DEC);

Serial.println("");

}

delay(5000);

}

else {

yonservo1.write(90); // Servo motorların ilk konum ayarlaması








delay(2000); //T2=2

for(ESChiz = 0; ESChiz <= 210; ESChiz += 5) {


delay(100);

}

delay(3000); //T3=5

analogWrite(ESCmotor, 200);

39





delay(1000); //T4=6









delay(4000); //T5=10





delay(2000); //T6=12






delay(3000); //T7=15






delay(3000); //T8=18









delay(1000); //T9=19





for(ESChiz = 200; ESChiz <= 0; ESChiz -= 2) {


delay(100);

Serial.print("\tESC Hizi(PWM) : ");

Serial.print(ESChiz, DEC);

Serial.println("");

}

delay(5000);

}

}

}

40

Şekil C. 1 : Otonom Yörünge 1 ve 2 Program Akış Şeması

41

EK – D : Hareket Grafikleri

Şekil D. 1 : Otonom Yörünge 1 için Servo Hareket Grafikleri (X:zaman, Y:Açı)

42

Şekil D. 2 : Otonom Yörünge 2 için Servo Hareket Grafikleri (X:zaman, Y:açı)

Coanda Etkili VTOL Hareket Edebilen İnsansız Hava Aracı Ön Kontrol Tasarımı ve Donanım...

Documents

Transcript of Coanda Etkili VTOL Hareket Edebilen İnsansız Hava Aracı Ön Kontrol Tasarımı ve Donanım...