1. GİRİŞ
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 [1]. 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 [2].
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.
Gökhan Göl
2. MULTİKOPTER SİSTEMLERİ VE UÇMA PRENSİPLERİ
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.
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 FN 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.
Gökhan Göl
2.1.
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.
2.2.
Quadrokopterin Boylamasına Hareketi
Quadrokopterin boylamasına eksendeki hareketi ileri geri hareketi olarak tanımlanır
(Şekil 2.1). 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 2.1. Quadrokopterin boylamasına hareketi
Gökhan Göl
2.3.
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.
Gökhan Göl
3. QUADROKOPTER DİZAYNLARI
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 3.1’de pervane ve motorların korumaya alınması için tüm pervaneyi
içeri alacak şekilde quadrokoptere karbon çubuklar eklenmiştir. Şekil 3.2’de ise tamamen
pervane ve motorlar bir çember içerisine alınarak hem motor ve pervanelerin korunması
sağlanmış hem de daha güvenli uçuş şartları oluşturulmuştur.
Şekil 3.1. Pervaneleri koruma yöntemi 1
Gökhan Göl
Şekil 3.2. Pervaneleri koruma yöntemi 2 [3]
Kapalı ya da kalabalık alanlarda kullanılacak bir quadrokopterin dizaynında dikkat
edilmesi gereken noktalar şu şekilde tanımlanabilir:
 Pervaneler korumaya alınmalıdır. Yukarda gösterilen şekiller buna örnek
gösterilebilir.
 Motor tutacakları sağlam bir malzemeden yapılmalıdır. Titreşime ve çekmeye
karşı mukavemeti yüksek olmalıdır.
 Pervanenin monte edildiği motor şaftı pervane hub genişliğiyle uyumlu olmalıdır.
 Pervane, motor şaftına kontra somun tarzı titreşimde gevşemeye müsaade
etmeyen parçalar takılmalıdır.
 Pervane şafta takılırken gevşemeye karşı direnç oluşturan cıvata yapıştırıcıları
(LOCTITE) kullanılmalıdır.
 Kullanılacak malzemeye ve sisteme göre kontrol kartı üzerinde plate olarak
adlandırılan malzemelerin monte edileceği alanlar oluşturulmalıdır.
 Oluşturulacak tüm platelerin titreşimden az etkilenmesi için, onların özel yapılar
ile
kaplanması
gerekir.
Bunlara
titreşim
önleyici
(vibration
prevent)
denilmektedir (Şekil 3.3).
Gökhan Göl
Şekil 3.3. Titreşim önleyici sistemler
 İniş takımlarının monte edileceği yerler önceden tespit edilip, sert inişlerde
burulma yapmaması için destekleyici önlemler alınmalıdır. Şekil 3.4’deki iniş
takımı burulma dikkate alınmadan imal edilmiş ve karbon gövdenin şeklini sert
inişlerde değiştirmiştir.
Şekil 3.4. Örnek iniş takımı
 Quadrokopterlerde ağırlık merkezinin yeri önemlidir. Bu sebepten dizayn
edilecek gövdede ağırlık merkezi ortada olmalıdır. Bu, yapılan ayarlamaları
kolaylaştırır.
 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 3.5’de pil bir kafes içerisine
alınarak ve bantla sarılarak koruma sağlanmıştır.
Gökhan Göl
Şekil 3.5. Kafes içerisinde ve sarılmış lipo pil
3.1.
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.
3.1.1.X tipi quadrokopter
X mod quadrokopterde aracın önü 2 motorun orta noktasına denk gelmektedir (Şekil
3.5). 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 3.6’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.
Gökhan Göl
Şekil 3.6. X mod motor dizaynı
3.1.2. + tip quadrokopter
+ mod quadrokopterde aracın önü tek motorun tutturulmuş olduğu eksendedir (Şekil
3.7). 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 3.7’de gösterilmiştir. Ön ve arka motor saat yönü tersi sağ ve
sol motor saat yönünde dönmektedir.
Şekil 3.7. + Mod motor dizaynı
Gökhan Göl
Download

Quadcopter Nasıl Yapılır? 1