2 Haziran 2014 Pazartesi

Leap Motion Arduino Sevo Kontrol

Bu yazımızda Leap Motion ve arduino uno ile 4 adet servonun el hareketlerine simetrik olarak kontrol edilmesini inceleyeceğiz. Leap Motion üzerinde 2 adet IR kamera 3 adet kızılötesi led bulunmaktadır. Kızılötesi ledlerden yayılan kızılötesi sinyaller leap motion görüş alanı içerisinde bir cisimden yansıdığında bunlar kameralar vasıtası ile tespit edilmektedir. Yani sinyalin yansıma özelliğinden ve giden sinyal ile gelen sinyal arasındaki süre ölçülerek mesafenin tespit edilmesi yönteminden yararlanılmaktadır. Radar sistemlerine oldukça benzemekteler aslında (Şekil 1).


arduino leap motion servo
Şekil 1. Infrared Led Yansıma Prensibi


Leap motion sensörünü kullanmak için çeşitli platformlar, geliştirme ortamları mevcuttur. Ancak Arduino ile benzerliği açısından biz bu çalışmada Processing-Wiring dilini kullanacağız. 

Processing kurulumunu arduino ide kurulumu gibi basit bir şekilde bilgisayarınıza yaptıktan sonra, Projessing klasörü içerisindeki "lib" klasörüne LeapMotionP5 kütüphanesini kopyalıyorsunuz. Bu sayede Leap Motion kütüphanesi' ni Projessing' e yüklemiş olacaksınız. 

Leap Motion bilgisayara USB kablosu ile bağlanmaktadır. Servolar arduino kartına bağlı olduğu için Processing içerisinde arduino seri portunu tanıtmak gerekmektedir. Bu Processing içerisinde setup bloğu içerisine "new Serial(this, portName, 9600); " kodunu ekleyerek yapılmaktadır.

Arduino çıkış akımı kullanılan servoları besleyemeyeceği için, 5V ile çalışan servolara harici kaynaktan enerji sağlamalısınız. Bunu arduino ve servoları aynı pilden beslemek isterseniz 5V regulatör devresi kullanarak yapabilirsiniz. Ancak servolarınızın toplam çekeceği akım 1A üstünde ise farklı elemanlar kullanmanız gerekmektedir. Çünkü 7805 entegresi üzerinden maksimum 1A akım geçirebilmektedir.

Bu çalışmada arduino ile uzaktan haberleşme için Xbee modemleri kullanılmıştır. Siz direk arduino kartınızı bilgisayara bağlayarak da bu çalışmayı yapabilirsiniz. İleriki günlerde Xbee modemlerinin arduino ile nasıl kullanılacağı konusunda yazı paylaşacağım.

Çalışma videosu :  http://www.youtube.com/watch?v=ysL_c9gI2Os

Processing Kodu:

//Leap motion ve arduino ile servo kontrolü

import com.onformative.leap.LeapMotionP5; //Leap Motion kütüphanesi
import com.leapmotion.leap.Finger;
LeapMotionP5 leap;

int aci;
int deger;
float deger1;

import processing.serial.*;
Serial port;

public void setup() {

  size(720, 720, P3D);  //ekran boyutu
  noFill();
  stroke(255); //parmakların modellemesi beyaz olarak ekranda gösterilecek

  leap = new LeapMotionP5(this);  //leap motion usb portu

  println("Seri porta baglanti var:"); //leap motion bağlantısının durumunu ekrana yansıtır

  String portName = Serial.list()[0]; //arduino yada kablosuz modemin bağlı olduğu porta bağlanır
  port = new Serial(this, portName, 9600);
}

public void draw() {
  background(0);
  fill(255);
  for (Finger f : leap.getFingerList())
  {
    PVector position = leap.getTip(f);
 
    ellipse(position.x, position.y, 10, 10);
 
    deger1=map(position.x,250,400,0,180); //leap motion x ekseninde okunan değerler 0-180 arasına //maplenir

    deger=int(deger1); //float deger1 deskeni integer a donusturulur
    port.write(deger); //Seri porttan arduino ya gönderilen deger
    print("deger:  ");
    println(deger); //100-400 arasi

 
  }
}

  public void stop() {
  leap.stop();
}



Arduino Kodu:

#include<Servo.h>

Servo s;
Servo s1;
Servo s2;
Servo s3;

int deger=0;

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
  s.attach(5);
  s1.attach(6);
  s2.attach(7);
  s3.attach(8);
}

void loop()
{
   if(Serial.available())
  {
 
    deger=Serial.read();
 
    s.write(deger);
    s1.write(deger);
    s2.write(deger);
    s3.write(deger);
 
  }


}

16 Şubat 2014 Pazar

ESC (Elektronik Hız Kontrolcüsü)

          Fırçalı ve fırçasız motorların hızını ayarlayan, hız kontrol ünitesidir. Diğer bir ifade ile  pilden aldıkları elektrik enerjisini, alıcının gaz kanalından aldığı sinyal ile sürerek motorlara ileten ve motor devrini kontrol eden hız kontrolcüleridir.
Elektrikli DC motorlarda (fırçalı motorlar) motor hız kontrolü, voltaj kontrolü ile gerçekleşir. Voltajın artırılıp azaltılmasına göre motor hızı değişir. Bu işlem fazlasıyla zor ve ısı açığa çıkaran verimsiz bir yöntemdir.
            Multikopter sistemlerinde kullanılan fırçasız motorlar bilinen 3 fazlı motorlardır. Bu motorlarda kullanılan ESC’ler daha kompleks olup, pilden aldığı DC gerilimi 3 fazlı AC (Alternatif akım) gerilime çevirerek ve kumandadan gönderilen sinyale göre devri değiştirerek motoru sürerler. Fırçasız motorlarda kullanılan bu ESC’ler motor devrini PWM (pulse width modulation) yöntemiyle değiştirirler. Bu yöntem sayesinde fırçalı motorlarda kullanılan voltaj- hız ilişkisi ile devir değiştiren ESC’lerin meydana getirdiği ısı problemi ve verimlilik sorunu kısmen ortadan kalkar. PWM metodu darbe genişlik modülasyonu olarak bilinir. Kumandadan alınan dijital sinyalin pulse genişliği değiştirilerek, motora giden gerilim değeri dolaylı yönden frekans kontrolü ile yapılır. Pulse genişliğini değiştirme işlemi ESC nin çıkış akımını sürekli açıp kapatmasıyla gerçekleşir. Yani motora giden voltaj çıkış akımının ne kadar süre gönderilip ne kadar süre kesildiğiyle alakalıdır. Örneğin, 1 saniyelik zaman süresince 10 V pile bağlı bir ESC-motor bağlantısında kumanda gaz kolu %60 da iken, ESC akımı, saniyenin 6/10 unda açacak 4/10 unda kapatacaktır. Böylece motora sürekli 10 V gitmeyecek ve 1 saniyede giden voltajın ortalamasına göre motorun devri değişecektir. ESC’ lerde 1 saniyedeki akım değişiminin yüksek olması istenir. Yani ESC’lerin üzerlerinde yazan KHz değerleri ne kadar yüksekse yenileme frekansı denilen saniyedeki akım açma kapama sayısı da o kadar fazla olur. Bu sebepten tercih edilecek ESC’nin yenileme frekansı yüksek olmalıdır. Fırçasız motorlarda kullanılan ESC’lerin girişinde 2, çıkışında 3 motor kablosu 3 BEC ve 1 sinyal kablosu bulunmaktadır (Şekil 1). Girişte bulunan 2 kablo, kırmızı uç + eksi uç – olmak üzere pile bağlanır. Çıkıştaki 3 kalın kablo motorlara bağlanır ve herhangi ikisinin yerinin değiştirilmesiyle motor yönü değiştirilebilir. Diğer 3 ince kablodan kırmızı ve siyah olanı ESC içerisindeki 5V, 3A ya da 5A çıkış veren regülatör devre çıkışlarıdır. 5V’u sağlayan regülatör devresine BEC (battery eliminator circuit) ya da UBEC de denilmektedir. Alıcıları ya da kontrol kartlarını beslemek için kullanılan bu çıkışlar alıcı kanallarına bağlanır ve 5V ile çalışan sistemleri, kontrol kartlarını besler. Diğer beyaz ya da sarı renkli ince kablo ESC sinyal kablosudur. Alıcının sinyal çıkışına bağlanarak ESC’ye vericiden gönderilen sinyali iletir. Böylece ESC motorun hızını kumandadan gönderilen sinyale göre değiştirir.


esc multicopter
Şekil 1



           ESC voltaj değerleri genellikle kullanılabilecek lipo pillerin hücre sayısına göre üzerlerinde yazar. Bu sebepten kullanılacak ESC ile lipo pil arasında uyum olması gerekir.

           ESC akım değeri bir ESC’nin verebileceği maksimum akımı ifade eden değerdir. Bazı ESC’lerde sürekli ve yanma akımı şeklinde 2 değer verilebilir. Bunlardan sürekli olan yani az olan değer ESC’nin sürekli olarak motora verebileceği akım değerini yanma akımı ise anlık olarak verebileceği akım değerini gösterir. Bu yüzden ESC seçiminde kullanılacak motorun maksimum çekeceği akım değeri dikkate alınmalıdır. Ayrıca ESC akımının motorun çekeceği maksimum akımdan %10 fazla olması ısınmaları ve ESC’nin yanma riskini de azaltabilir.

           ESC’ler barındırdıkları bazı özellikler sayesinde programlanabilirler. Bu konu uygulama alanında detaylıca anlatılmıştır.

Lion Polimer (LİPO) Piller


            Lion Polymer Pil (LİPO)
 Lipo piller doğadaki en hafif metal olan lityum maddesinden üretilirler. Yoğunluğu (0.535 g/cm3) en düşük katı madde olarak da bilinen lityum elementi bir alkali metaldir. Su veya su buharı ile karşılaştığında tepkimeye girerek hidrojen açığa çıkarır, ortamda oksijen de varsa alev alabilir. Ateşe tutulduğunda ise önce kırmızı bir parlama görünür, ardından parlak beyaz renkte kuvvetli bir alevle yanar. Yani herhangi bir yangın olayında kesinlikle su ile müdahale edilmemelidir ve kullanımı esnasında oldukça dikkat edilmelidir. Eğer yangın tehlikesiyle karşı karşıya gelinirse D tipi diye anılan hafif metal yangın söndürücüleri kullanılmalıdır. Genellikle kuru kimyevi tozlar bu kategoriye girmektedir.
 Lipo bataryalar küçük hacimlerde daha fazla enerji depolama kapasitesine sahip olduklarından elektrikli hava araçlarında en fazla kullanılan pil çeşididir. Kg başına 720,000 Joule enerji depolama kapasitesiyle, piyasada en fazla kullanılan nikel metal hydride pillerden yaklaşık 430,000 Joule daha fazla enerji depolama kapasitesine sahiptir.
Lipo bataryalar kullanılmadıkları süre zarfında az miktarda deşarj olurlar. Hemen hemen günde şarjının %0,01 ini deşarj ederek piller arasında en iyi orana sahip olurlar.
Lipo pillerin hücre başına düşen gerilim değeri de diğer pillere göre fazladır. Lipo pillerde hücre başına optimum 3.7 V gerilim değeri düşse de tamamen şarj edilmiş bir lipo da hücre başı gerilim 4.2 V değerine çıkmaktadır (Şekil 1).
lipo pil özellikleri

Şekil 1

Lipo bataryalar hücre sayılarına ve enerji depolama kapasitelerine göre adlandırılmaktadır. Hücre başı gerilim değeri 3,7 V olarak hesaplanmaktadır. Yani 3S pil denildiğinde bu 3,7 x 3= 11,1 V gerilim değerine denk gelmektedir (gerilim değeri =3,7 x hücre sayısı). Burada ‘S’ kısaltması 3 hücrenin seri bağlandığını ifade etmektedir. 3S2P gibi bir adlandırma var ise bu 3 hücrenin seri ve bunların ikili şekilde paralel bağlandığını ifade eder. Yani toplamda 6 hücre vardır. Gerilim değeri yine 3,7 x 3= 11,1 V tur. Fakat paralel bağlantıdan dolayı akım kapasitesi artmıştır. Enerji depolama kapasiteleri ise mAh (mili amper saat) cinsinden ifade edilir. Yani 1 saatte vereceği akım değerini gösterir. Örneğin Şekil 4.1 deki pil 3300 mAh değerine sahiptir. Yani bu pil saatte 3300 miliamper ya da  3,3 Amper akım verebilme kapasitesine sahiptir. Eğer pil 3S2P olsaydı saatte vereceği akım kapasitesi 2 katı olurdu yani saatte 6,6 A akım verebilme kapasitesine sahip olurdu.
Lipo bataryalarda ayrıca C değeri bulunur. C değeri bataryanın elektrik yükünü ne kadar hızda boşaltabileceğini gösterir. Yani C değeri arttıkça bataryanın elektrik yükünü boşaltabilme kapasitesi artar. Örneğin elinizde 20 A akım çeken bir motorunuz ve 2000 mAh kapasitesine sahip bir piliniz var. Motorunuzu bu pille çalıştırmanız için C değerinin en az 10 C olması gerekir. 2000 x 10 = 20,000 mAh yani saatte 20 A akım verebilir. Lipo pillerde genellikle iki C değeri bulunur. Bunlardan ilki lipo pilin sürekli verebileceği akım değerini, diğeri ise burst akımı denilen anlık olarak verebileceği akım değerini gösterir.
Bataryalarda raf ömrü, bir bataryanın kullanılmadığı durumda ne kadar sürede öleceğini gösterir. Lipo bataryalar bu anlamda oldukça başarılıdır ve gün geçtikçe yapılan çalışmalarla da raf ömrü süresi artırılmaktadır. Lipo bataryalarda raf ömrü ölçütü iç dirençle alakalıdır. Bataryanın iç direnci ne kadar düşükse raf ömrü o kadar fazladır. İç dirence kullanıcıların etkisi de olmaktadır. Yani bataryanın uygun sıcaklıkların üzerinde saklanması iç direncin artmasına, böylece raf ömrünün kısalmasına ya da kullanılacak kapasitenin azalmasına sebep olur. Ek olarak bataryalar uzun süre kullanılmazsa %40- 50 şarj seviyesinde bırakılıp daha düşük iç dirence maruz kalması sağlanır. Yani kullanıcıların raf ömrü konusunda dikkat etmesi gereken noktalar, bataryaları %40-50 şarj seviyesinde bırakmak ve oda sıcaklığında saklamaktır.
Bir pili tüm özellikleriyle inceleyelim. Pilimiz 4S2P 5000 mAh 30C-50C olsun;
Gerilim değeri: 3,7V x 4= 14,8 V
Akım değeri : 5000 x 2=10,000 mAh. Yani saatte 10 A akım verebilir.
Sürekli verebileceği akım kapasitesi (deşarj oranı) :10,000 x 30C =300,000 mAh. Yani saatte sürekli olarak 30 A akım verebilir.
Yanma akımı: 10,000 x 50C=500,000 mAh. Yani anlık olarak 50 A akım verebilir.
Lipo pil kullanımında dikkat edilmesi gereken kurallar:
Ø  Lipolar kullanılacak aracın üzerinde korumaya alınmalıdır. Bir kırım sonucu zedelenmesi su ile teması yangınlara sebep olabilir.
Ø  Motorların çekeceği akım değerine göre uygun kapasiteli piller seçilmelidir. Aksi takdirde pil şişer ve kullanılamaz hale gelir. Yangın tehlikesi olabilir.
Ø  Uzun süre kullanılmaması durumunda oda sıcaklığında ve %40-50 şarjlı olarak saklanmalıdır.
Ø  Şarj esnasında hücrelerin eşit miktarda dolması için balanslı şarj aletleri kullanılmalıdır ve hücrelerden çıkan kontrol kabloları şarj aletine takılmalıdır (Şekil 2).


Şekil 2

Ø  Uygun akım değerinde şarj edilmelidir. Yani şarj esnasında kaç amper akım basılacağı oldukça önemlidir. Örneğin 3S 3300 mAh lık bir pil 1C değerine göre şarj edilmelidir yani 11,1 V ile 3,3 A lik akım basılarak şarj etme işlemi yapılmalıdır (Şekil 4.2). Bu akımı karşılayacak şarj aleti de buna uygun olmalıdır. Yani şarj aletinin gücü en az teoriye göre 3.3x11,1= 36,63 Watt olmalıdır. Fakat şarj etme işleminde her zaman pilin o anki gerilim değerinden daha fazla gerilim verilmesi gerekir. Buna göre pilin tam şarjda gerilim değeri 3x4,2 =12,6 V olacağından gerekli güç 12,6 x 3,3= 51,58 watt olmalıdır. Fakat şarj aletinin verimi de hesaba katılarak bu pilin şarj edilebilmesi için şarj aletinin gücünün 60 watt civarında olması pratikte uygundur.
Ø  Lipo piller ilk 5 kullanım için %50 den fazla boşaltılmadan şarj edilmelidir. İlk kullanımlara rodaj evresi de denilmektedir. Dolu bir pilin hücre voltajı 4,2 V’tur, pil bittiğinde ise hücre voltajı 3,7 V olur. Buna göre deşarj kapasitesi 4,2 - 3,7 =0,5 V tur. Rodaj evresinde 0,5’V un yarısı 0,25 V kullanılmalıdır yani hücre gerilimi 4,2 – 0,25 = 3,95 civarına düştüğünde pil tekrar şarj edilmelidir.
Ø  İlk 5 kullanım için piller 1C değerinin %80 altında şarj edilmelidir. Yani 3300 mAh lık pil 3.3 A değerinin %80 i değerde 2,64 A ile şarj edilmelidir.
Ø  Pillerin kırmızı  (+ uç) ve siyah uçları  (- uç) kesinlikle kısa devre edilmemelidir.
Ø  Eğer hücre başı voltaj 3.5 V’un altına düşmüşse ve kullanılamayacak hale gelmişse yani şarj aleti uyarı veriyorsa (genellikle Battery check, Low voltage uyarısı) tasnif edilmeyen bir yöntem de olsa pilleri nikel metal hiydride şarj aleti ile 5 dk civarında şarj edip tekrar lipo şarj aletine bağlanmalıdır. Şarj boyunca pilin yanından ayrılmamalıdır. Yangın tehlikesi olabilir.
Ø  Lipo şarjı esnasında pilin yanında bulunmak gerekir. Herhangi bir aksilik durumun da yangın tehlikesi diğer pillere oranla daha fazladır.



Multikopterlerde Kullanılan Malzemeler

Multikopterlerde temel olarak kullanılan malzemeler şu şekildedir;
Ø  Lion polimer piller
Ø  Elektronik hız kontrol ünitesi (ESC)
Ø  Fırçasız (brushless) motor
Ø  Pervane
Ø  Kumanda (alıcı-verici)
Ø  Kontrol kartı
Ø  Sensörler (GPS, IMU, akselerometre, gyroskop, barometrik basınç sensörü, sıcaklık  sensörü, rpm  sensörü)
Ø  Telemetri sistemi(isteğe bağlı)

Ø  Kamera sistemi (isteğe bağlı)

Bu malzemeler sırasıyla diğer yazılarda incelenecektir.

15 Şubat 2014 Cumartesi

İnsansız Hava Araçları (İHA)


İnsansız hava aracı (İHA) hava akımı ve tahrik kuvvetlerinden yararlanarak uçabilen yerden kumanda edilen ya da otonom yani belli bir uçuş planı üzerinden otomatik hareket eden, uçuş için içerisinde bir pilota ihtiyaç duymayan hava aracı tipidir. İHA’lara yerden kumandalı hava aracı manasına gelen “drone” da denilmektedir. İlk İHA 1916 senesinde Archibald Low tarafından geliştirilmiştir. İlk kez 1. Dünya Savaşı’nda sınırlı sayıda üretilen  Hewitt-Sperry otomatik uçakları savaş alanlarında kullanılmıştır. Günümüzde özellikle savunma alanında talebin arttığı bir sistem olmakla birlikte, üzerine olan çalışmalar gün geçtikçe artmaktadır. Esas olarak keşif amaçlı üretimleri yapılan İHA’lar saldırı görevini de yerine getirerek ülkelerin ana araştırma konusu arasına girmiştir. Fakat birçok sivili vurması başarısız yanlarının olduğunu, üzerine daha fazla çalışılması gerektiğini göstermektedir. Bu tarz araçlar başta askeri araştırmalarda keşiflerde olmak üzere uzaktan algılama, jeofizik araştırmaları, güvenlik, taşıma ve yangın söndürme gibi birçok farklı alanda kullanılabilmektedir. İnsanlar için daha da önemlisi yetiştirilmesi zor pilotlar için çalışma alanı tehlikeli olan ortamlarda kullanımları artmaktadır.
İHA 'lar avuç içi büyüklüğünden, kanat açıklığı 20 m boyu 10 metrelere ulaşan ebatlarda farklı amaçlar için kullanılabilecek şekilde olabilmektedirler. Elden atılan modellerinin yanı sıra elektrik motoru, jet motoru ya da piston motoru kullanan modelleri mevcuttur. Kullanım alanlarına göre yükselebilecekleri irtifa değerleri de değişmektedir. Menzillerine ve kullanılan motor tipine göre İHA’lar arasında sınıflandırmalar yapılmıştır.
Günümüzde İHA kategorisi içerisinde dikey iniş-kalkış yapabilmesinden, basit yapısından ve havada asılı kalmasından dolayı multikopter sistemleri rağbet görmektedir. Multikopter sistemleri çok motorlu insansız hava araçları olarak tanımlanır. 3-4-6-8 motorlu üretilen multikopterler stabil uçuşlar ve özellikleri sayesinde izleme, arama kurtarma ve savunma alanında İHA’lar arasında ilk sıralar da yerini almaya başlamıştır. Özellikle qoadrotor (quadrokopter) üzerine yapılan çalışmalar bu sistemler içerisinde fazlalık göstermektedir.

Kontrol yapısının karmaşık olması gelişimlerini yavaşlatsa da son birkaç sene içerisinde farklı alanlarda kullanımları yaygınlaşan quadrotor sistemleri ülkemizde keşif ve görüntüleme hizmetleri için kullanılmaya başlanmıştır. Dolayısı ile üzerine olan çalışmalar ve farklı modellemeler sayesinde savunma amaçlı kullanımları yadsınamaz bir gerçektir.