Yeni Site

Bundan sonraki paylaşımlar bu sitede yapılacaktır.

http://www.gokhangol.com/

RC Receiver Değerlerinin Arduino ile Okunması

Multikopter sistemleri yada modelcilikte kumanda alıcı verici sistemleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Çeşitli frekans değerlerinde çalışan bu sistemlerden en yaygın kullanılanı 2.4 GHz frekans değerine sahip olanlardır. Kumandalar pwm (pulse width modulation) yada ppm (pulse position modulation)  modülasyon özellikleri ile çalışmaktadır. PWM yada PPM sistemlerini ileriki çalışmalarda detaylı bir şekilde inceleyeceğiz. Bu çalışmada kumandanın nasıl bir sinyal gönderdiğini ve bu sinyalin hangi değerler arasında olduğunu inceleyeceğiz.

Kumanda üzerinde bulunan joystick yada switchler kanallara atanmıştır. Bazılarında ise kanallara atama olayını kullanıcılar yapar. Bir multikopterin kontrol edilebilmesi için en az 4 kanallı kumandaya ihtiyaç vardır.

Kanallardan gelen sinyallere çoğu çalışmada ihtiyaç duyulmaktadır. Multikopterin farklı kontrol çalışmalarında, android kontrollerinde bu verilere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu veriler basit bir şekilde arduino kartları ile okunabilmektedir. İlgili kod aşağıda bulunmaktadır. Receiverdan gelen değer analogRead fonksiyonu ile okunamaz. Çünkü PWM yada PPM sinyali ile çalışılır. Yani okunması gereken sinyalin HIGH yada LOW olma süresi okunmalıdır. Bunu okuyabilmek için arduino da özel bir fonksiyon vardır. Aşağıdaki kodda "pulseIn" fonksiyonu sinyalin HIGH olduğu durumları saymaktadır.

Kod:

int pin = 7;     // değeri okunmak istenen receiver pini
unsigned long duration;

void setup()
{
  Serial.begin(9600);
  pinMode(pin, INPUT);
}

void loop()
{
  duration = pulseIn(pin, HIGH);   // pulse' in HIGH olması durumunda sayar
  Serial.println(duration);
}

Kontrol Kartı (Uçuş Kontrol Kartı)

Multikopter sistemlerinde kullanılan malzemeler arasında en önemli olanı kontrol kartıdır. Çünkü çok rotorlu araçlarda kontrol işlemi uçaklarda olan sistemlerden daha karmaşık ve zordur. Yapılacak hava aracının hangi amaçla kullanılacağına göre kontrol kartını seçmek gerekir. Bu sebepten kullanılan kontrol kartlarının özellikleri iyi analiz edilmelidir.

Piyasa da kullanılan kontrol kartlarından bazıları şu şekildedir:

•         Ardupilot

•         DJI Wookong Multi Rotor (WKM)

•         Paparazzi Pilot

•         DJI Naza

•         KK Multicopter

•         Multi wii

•         ZERO TECH

•         MegaWAP

•         Shrediquette

•         Open copter control

•         Mikrocopter

Pervane (Propeller)

          Hızın etkisiyle taşıma kuvvetini üreten taşıyıcı yüzeylere başka bir deyişle döner kanatlara pervane denir. Quadrokopterlerde 2 tip pervane kullanılır.

1.      Saat yönü dönen (clockwise)

2.      Saat yönü tersi dönen (counter clockwise)

2 farklı dönüş yönüne sahip pervane kullanılmasının sebebi yukarıda da anlatıldığı gibi quadronun gövde üzerinde oluşturmuş olduğu anti tork etkisini yok etmektir. Fakat piyasada genelde imalat açısından kolay olması sebebi ile tek tip pervane üretilmesi,  istenen pervane ölçülerinin bulunmasını güçleştirmektedir. Bu sebepten farklı çözüm yolları olsa da en sağlıklısı uygun pervanelerin kullanılmasıdır.

Pervane seçiminde, kullanılan motorun özellikleri ana parametredir. Özellikle Kv değerine göre pervane seçimi yapılması ve motor özellik çizelgesindeki pervanelerin kullanılması verimlilik açısından önemlidir. Kv değeri küçük olan yani devir sayısı az olan motorlarda gerekli taşımayı oluşturması açısından Kv değeri büyük olan motorlara göre daha büyük pervane kullanılır. Şekil 1’de E-MAX BL 2826 tipinde bir motor ile kullanılması gereken pervaneler ve akım-voltaj durumlarına göre ürettiği itki değerleri bulunmaktadır.

Şekil 1

           Pervaneler, boy ve burulma açılarına göre isimlendirilirler. Yani üzerlerinde iki ayrı numara vardır. Örneğin 12x6 pervane demek 12 inch boyunda ya da çapında 6 inch burulma açısına sahip bir pervane demektir. Burulma açısı, pervanenin 360 derecelik dönüşünde ilerlediği mesafe değeridir. Bu değerler bazen mm cinsinden de verilmektedir. Fakat belirtilmediği durumlarda inch olarak kullanılır.

            Pervanelerde burulma açısına göre bazı özellikler elde edilir. Örneğin burulma açısı yüksek pervaneler yavaş süratlenip hızlı uçuş sağlarlar. Bunun yanında motor durduğunda pervane hızı geç yavaşlar. Burulma açısı küçük pervaneler ise çabuk hızlanırlar, yavaş uçuş sağlarlar, basit motor devir kontrolü sunarlar.

Modellerde kullanılan yapım malzemelerine göre pervane tipleri;

Ø  Naylon pervaneler

Ø  Plastik pervaneler

Ø  Karbon pervaneler

Ø  Karbon-fiber pervaneler

Ø  Ahşap pervaneler

Ø  Fiberglass pervaneler

Ø  Metal pervaneler

şeklindedir.

           Naylon ya da plastik pervaneler esnek olmaları sebebi ile kalitesizdirler. Fakat ucuz olmalarından dolayı özellikle ilk denemelerde, pervane kırımı fazla olabileceğinden kullanılmasında fayda vardır. Bu pervanelerin kullanılması durumunda kenarlarında kalan keskin çapaklar zımpara ile temizlenmelidir.  

           Ahşap pervaneler diğerlerine göre hafif ve az esnek olduklarından motor üzerine az yük bindirirler. Böylece diğer pervanelere göre daha yüksek devir sayılarına ulaşabilirler. Esnek olmaları sessiz çalışmalarına da bir etkendir. Fakat yeni başlayanlar için uygun değildirler. Çünkü çok çabuk kırılırlar.

Karbon-fiber pervaneler hafif, esnek olmayan verimli pervanelerdir. Tek dezavantajı fiyatlarının yüksek olmasıdır.

Fiberglass pervaneler karbon ve ahşap pervanelere göre ucuz plastik pervanelerden verimli, ağır ve esnek pervanelerdir. Kullanılması halinde keskin yüzeyleri zımparalanmalıdır. 

Şekil 2

Fırçasız (Brushless) Motorlar

Elektrik motorları elektriğin manyetik alan özelliğini kullanarak elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren makinelerdir. Fırçasız motorlar adından da anlaşılacağı gibi fırça olmadan elektronik aksamlar içeren motorlardır. Bunların, fırçalı motorlardan farkı akım çeviricilerin fırça değil elektronik olmasıdır. Daha sessiz çalışmaları, fırçaların meydana getirdiği sürüklemenin ve ısıdan kaynaklanan kayıpların, fırçaların meydana getirdiği kıvılcımların olmaması, kolay soğutulabilmeleri fırçalı motorlara göre  üstünlükleridir.

Fırçasız motorlar diğer DC motorlar gibi direk bataryaya bağlanarak çalıştırılamazlar. Böyle bir yanlışlığın yapılması motorun yanmasına neden olur. Bu sebepten fırçasız motorların çalıştırılabilmesi için ESC’lere ihtiyaç duyulur.

Fırçasız motorlar inrunner ve outrunner olmak üzere ikiye ayrılırlar. Inrunner motorlar, rotoru motorun merkezinde olan sabit sargıları dış kısımda bulunan motorlardır. Yani motorun dış çeperi sabitken iç kısmı hareket eder. Outrunner motorlarda ise motor sargıları motorun merkezinde ve sabitken, rotor üzerinde mıknatısları da barındıracak şekilde motorun dış çeperindedir.Yani motorun dış kısmı hareket ederken iç kısmı sabittir. Genellikle multikopter sistemlerinde kullanılan fırçasız motor tipleri outrunnerdır (Şekil 1).

           

Şekil 1

            Motor etiket bilgileri

Motorların özelliklerini içeren bazı parametreler vardır. Bunlardan ilki V kısaltmasıyla anılan elektrik akımının basıncı olarak tanımlanan potansiyel farktır. Yani kısaca gerilim değerini gösterir. Modelcilikte kullanılan motorlar üzerinde ya da özellik tablosunda genellikle voltaj değerleri lipo pil hücre sayısına göre verilir.

İkinci parametre akım değeridir. A kısaltmasıyla anılan amper bir noktadan birim sürede akan elektrik yük miktarını gösterir. Yani birim zamandaki yük miktarına akım denir. Bu parametreye göre ESC ve pil simi yapılır.

Üçüncü parametre güç değeridir. W kısaltmasıyla anılan watt motorun pervaneyi çevirebilmesi için ihtiyaç duyacağı gücü ifade eder. Akım ve gerilimin çarpılmasıyla elde edilir.

Kv değeri fırçasız elektrik motorları için geçerli olan devir katsayısını gösteren değerdir. Voltaja göre devir sayısının hesaplanmasını sağlar. Yani motorun 1V başına 1 dakikada çevireceği devir sayısını gösteren parametredir. Örneğin 10 V ile çalışan bir motorun Kv değeri 700 ise bu motorun dakikadaki devir sayısı= 10x700=7000 devir/dakika’ dır. Genellikle dev/dakika yerine rpm (revolution per minute) kullanılır.

Diğer bir parametre Kt değeri diye tabir edilen tork katsayısıdır. Bu değer bir motorun amper başına vereceği tork değerini ounce-inch cinsinden ifade eder. Örneğin 0,60 oz-inc/A Kt değerine sahip bir motor 10 A de 6 oz-inc tork verir.

Kv değeri ile Kt değeri arasında ters orantı vardır. Yani Kv değeri yüksek olan bir motorun amper başına vereceği tork değeri düşük olur. Bu sebepten yüksek Kv değerli motorlarda tork değerinin artırılması için küçük pervaneler ya da ek dişli sistemleri kullanılmalıdır.

Fırçasız motorların etiketlerinde ya da özellikler tablosunda optimum verim için kullanılması gereken pervane ölçütleri de belirtilir. Kullanılacak pervanelerin bu özellikler dahilinde olması verimi artırmaktadır.

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.

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).

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.

Quadrokopter Dizaynları

İnsansız hava araçları üretiminde yapılan modellerin dizaynları kullanım alanlarına göre farklılık göstermektedir. Dar bir alanda kullanılacaksa motorlar ve pervanelerin zarar görmemesi ve etrafa zarar vermemesi için korumaya alınır. Bu sayede güvenli bir uçuş gerçekleştirilir. Şekil 1’de pervane ve motorların korumaya alınması için tüm pervaneyi içeri alacak şekilde quadrokoptere karbon çubuklar eklenmiştir. Şekil 2’de ise tamamen pervane ve motorlar bir çember içerisine alınarak hem motor ve pervanelerin korunması sağlanmış hem de daha güvenli uçuş şartları oluşturulmuştur.

Şekil 1

Şekil 2

Kapalı ya da kalabalık alanlarda kullanılacak bir quadrokopterin dizaynında dikkat edilmesi gereken noktalar şu şekilde tanımlanabilir:

Ø  Pervaneler korumaya alınmalıdır. Yukarda gösterilen şekiller buna örnek gösterilebilir.

Ø  Motor tutacakları sağlam bir malzemeden yapılmalıdır. Titreşime ve çekmeye karşı mukavemeti yüksek olmalıdır.

Ø  Pervanenin monte edildiği motor şaftı pervane hub genişliğiyle uyumlu olmalıdır.

Ø  Pervane, motor şaftına kontra somun tarzı titreşimde gevşemeye müsaade etmeyen parçalar takılmalıdır.

Ø  Pervane şafta takılırken gevşemeye karşı direnç oluşturan cıvata yapıştırıcıları (LOCTITE) kullanılmalıdır.

Ø  Kullanılacak malzemeye ve sisteme göre kontrol kartı üzerinde plate olarak adlandırılan malzemelerin monte edileceği alanlar oluşturulmalıdır.

Ø  Oluşturulacak tüm platelerin titreşimden az etkilenmesi için, onların özel yapılar ile kaplanması gerekir. Bunlara titreşim önleyici (vibration prevent) denilmektedir  (Şekil 3).

Şekil 3

Ø  İniş takımlarının monte edileceği yerler önceden tespit edilip, sert inişlerde burulma yapmaması için destekleyici önlemler alınmalıdır. Şekil 4’deki iniş takımı burulma dikkate alınmadan imal edilmiş ve karbon gövdenin şeklini sert inişlerde değiştirmiştir.

Şekil 4

Ø  Quadrokopterlerde ağırlık merkezinin yeri önemlidir. Bu sebepten dizayn edilecek gövdede ağırlık merkezi ortada olmalıdır. Bu, yapılan ayarlamaları kolaylaştırır.

Ø  Genellikle quadrokopterlerde lion polimer (lipo) piller kullanılmaktadır. Bu pillerin kullanımı tehlikelidir ve model üzerinde montajı doğru yerlere yapılmadığı takdirde herhangi bir kırım sonucu patlayarak yangına sebep olabilir. Bu sebeple pilin korunması önemlidir. Ek olarak pilin kendi plastik yalıtımı üzerine ek yalıtım da yapılarak koruma artırılır. Şekil 5’de pil bir kafes içerisine alınarak ve bantla sarılarak koruma sağlanmıştır.

Şekil 5

           Quadrokopter tipleri

Quadrokopterler genelde x ve + mod denilen 2 tipte üretilirler. Bu modlar harekete verilecek tepkilerin kaç motorla yapılacağını gösterir. Örneğin ileri yönlü bir harekete verilecek tepkide hangi motorlar daha etkindir sorusunun cevabı bu modlarda saklıdır.

            X tipi quadrokopter

X mod quadrokopterde aracın önü 2 motorun orta noktasına denk gelmektedir. İstenen hareket için 2 motor tepkisi gözlenmektedir. Bu anlamda aracın önünde 2, arkasında 2 motor bulunmaktadır. Örneğin ileri yönlü bir hareket için arkadaki 2 motor öndeki 2 motordan daha fazla itki üretir. Böylece 2 motor ile daha hızlı bir şekilde ileri yönlü hareket gerçekleştirilir. Sağ sapma için hareketi tanımlarsak sol 2 motor sağ 2 motora göre daha fazla itki üretir. Aracın sağa doğru kayma denilen hareketi bu şekilde 2 motorun üretmiş olduğu itki ile daha hızlı gerçekleştirilir. Bu birinci avantajıdır. X modun diğer avantajı ise istenen hareketler için 2 motorun birlikte çalışarak tek motora fazla yüklenilmemesidir. X modda motor dönüş yönleri Şekil 6’da gösterilmiştir. Bu modda ön ve arka iki motorun dönüş yönleri birbirlerinin tersidir. Ön sağ ve arka sol saat yönü tersine (counter clockwise) , ön sol ve arka sağ saat yönüne (clockwise) dönmektedir.

Şekil 6

             +  tip quadrokopter

+ mod quadrokopterde aracın önü tek motorun tutturulmuş olduğu eksendedir (Şekil 7). Bu modta istenen hareketlere tek motor tepki vermektedir. Bu sebepten x moda göre daha yavaş ve motorları yoran bir sistemdir. İleri yönlü bir hareket için arka motor ön motora göre daha faza itki üretir ve hareket gerçekleşir. Sağa kayma hareketinde sol motor sağ motora göre daha fazla itki üreterek araç sağ yönlü kayma hareketini gerçekleştirir. + mod için motor dönüş yönleri Şekil 7’de gösterilmiştir. Ön ve arka motor saat yönü tersi sağ ve sol motor saat yönünde dönmektedir.

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.

Multikopter Sistemleri ve Uçma Prensipleri

Trikopter, quadrokopter, hexakopter, octokopter gibi isimlerle anılan birden fazla motora sahip döner kanatlı hava araçlarına multikopter sistemleri denir. Çok rotorlu dikine iniş kalkış yapabilen, 3 eksende hareket kabiliyetine sahip motorlarına iliştirilmiş pervanelerle taşıma kuvveti oluşturarak uçma işlemini gerçekleştiren, otonom ya da kumanda ile uçuş imkânına sahip insansız hava aracı tipleridir. Havada asılı kalma ya da tam adıyla uçma işlemini döner kanatları vasıtasıyla yapmaktadırlar. Helikopterlerdeki kuyruk rotorunun engellemiş olduğu, helikopterin kendi ekseni etrafında dönüş hareketi multikopterlerde motorların farklı yönlerde dönmesi ile bertaraf edilir. Örneğin quadro için motorların ikisinin aynı, diğer ikisinin zıt yöne dönmesi multikopterlerin kendi ekseni etrafında kontrolsüz dönmesini engeller. Kısaca helikopterlerde ana rotorun gövdeden destek almasıyla ürettiği döndürme etkisini engelleyen kuyruk rotoru, multikopterlerde ana rotorların farklı yönlere dönmesiyle sağlanmaktadır.

Quadrokopter dikey iniş kalkış yapabilen, havada asılı kalabilen, manevra kabiliyeti yüksek, kontrol sistemi karışık olmasına rağmen yapısal olarak basit 4 rotorlu, motorların üretmiş olduğu tahrik kuvvetinden yararlanarak pervaneleri vasıtasıyla taşıma kuvveti oluşturan döner kanatlı insansız hava aracıdır (Şekil 1).

Şekil 1

Quadrokopter uçma prensibi helikopterlerin uçma prensibine çok benzemektedir. Helikopterlerde pervanenin yaratacağı itme kuvveti ilk olarak Rankin ve Froyt tarafından bulunmuştur ve ancak 20. yy’ın başlarında uygulamaya konulabilmiştir. Ek olarak ana rotorun gövde üzerinde oluşturduğu anti-tork reaksiyonu da büyük bir problem teşkil etmiş fakat kuyruk rotoruyla ya da bazı dizaynlarda bu görevi görecek hava alıklarıyla bu etki giderilmiştir. Helikopterlerden örnek alınarak kısmen de olsa quadrokopterlerin yapısı belirlenmiştir.

Havada tutunmayı sağlayan taşıyıcı yüzeyler döner kanat isminden de anlaşılacağı gibi pervanelerdir. Havada “V” hızıyla yer değiştiren herhangi bir profil üzerinde yukarıya yönelmiş F_N olarak tabir edilen aerodinamik kuvvet oluşur. Bu kuvvet havadan daha ağır cisimlerin havada tutunmasına izin verir. Esas olarak burada ana faktör hızdır. Hız profil üzerinde aerodinamik kuvvet oluşumuna etki eden temel faktördür ve aerodinamik kuvvet rotorun belli hıza ulaşmasıyla oluşur. Yani quadrolarda havada tutunmayı sağlayan, taşımayı üreten pervaneler iken pervane dönme hareketini sağlayan, hızı oluşturan pervanelerin takılmış olduğu motorlardır.

            Quadrokopterin Dikey Eksende Hareketi 

Quadronun 4 rotorunun aynı devirde (bozucu etkinin olmadığı varsayılır) dönmesiyle sağlanan düşey düzlemdeki dikine inişin ya da kalkışın gerçekleşeceği harekettir. Rotorların aynı devirde dönmesiyle tüm pervaneler üzerinde oluşacak aerodinamik taşıma kuvveti ve sürükleme (drag) aynı olacaktır. Böylece dikine hareket gerçekleşecektir. Eğer bozucu etki varsa (rüzgâr ya da sol dengesiz yük gibi) kontrol kartı, kumanda sisteminden motorlara verilen itki (thrust) değerine göre quadroyu dengelemeye çalışacaktır. Sadece itki sinyalinin gönderilmesi quadronun dikey eksende hareket ettirilmek istendiğini gösterir. Bu durumda kontrol kartı bozucu etkiyi bertaraf etmek için ilgili motorların daha fazla devirde dönmesini diğer motorların daha az devirde dönmesini sağlayarak dikine hareketi gerçekleştirecektir. Böylece kontrol kartının müdahalesiyle quadro yere paralel olarak bozucu etkilere rağmen dikey eksende hareketini gerçekleştirecektir.

           Quadrokopterin Boylamasına Hareketi

Quadrokopterin boylamasına eksendeki hareketi ileri geri hareketi olarak tanımlanır (Şekil 2). Bu hareket için kumanda sisteminden yunuslama (pitch) sinyali gönderilir. Örneğin yunuslama kanalından (genellikle 1. kanaldır) gelen sinyal quadrokopterin ileri gitmesi içinse -X mod için- quadrokopterin arkasında bulunan 2 motor öndekilere göre daha hızlı dönerek daha fazla itki üretirler ve quadrokopter ileri yönlü hareketini gerçekleştirmiş olur. Geri yönlü hareket içinse öndeki 2 motor arkadaki 2 motora göre daha hızlı döner.

Şekil 2

           Quadrokopterin Yatay Eksende Hareketi

Quadrokopterin yatay eksendeki hareketi , sağa ve sola hareket ve kendi ekseni etrafındaki dönüşü olarak tanımlanabilir. Yani uçaklarda yaw olarak adlandırılan rudder (dikey stabilize=kuyruk dümeni) tarafından kontrol edilen sapma ve roll olarak adlandırılan aileron tarafından kontrol edilen yalpa hareketlerdir. Fakat bu 2 hareketin kontrolü quadroda uçakların tersi şeklindedir. Quadro roll kontrolü ile sağa ve sola doğru ilerleme hareketini gerçekleştirirken, yaw kontrolü ile kendi ekseni etrafındaki hareketi gerçekleştirir. Yani ekseni etrafında daire çizme eğiliminde bulunur. Quadronun roll ile sağa ya da sola hareketine sağa yada sola sapma hareketi denmektedir. Örneğin sağa hareket için kumanda sisteminden stick sağa doğru çekilerek roll sinyali (genelde 2. kanaldır) gönderildiğinde quadronun -x mod için- sol tarafındaki 2 motor sağ taraftaki 2 motora göre daha hızlı dönerek daha fazla itki üretir ve sağ sapma gerçekleşir. Tabi bu durum herhangi bir bozucu etkinin olmadığı şartlar için böyledir. Örneğin, sağ taraftan esen rüzgâr var ve siz yine sağ tarafa dönmek istiyorsunuz. Bu durumda soldaki motorlar ilk örneğe göre daha fazla thrust üretmek zorunda kalır ve sağ motorlar ilk duruma göre daha fazla yavaşlar. Çünkü burada motorların rüzgârın yaratacağı etkiyi de yenmesi gerekir. Bu işlem kontrol kartının ilgili sensörlerden (IMU) aldığı verileri kullanarak aracı dengeli bir dönüş için kontrol etmesiyle mümkündür.