GÖRÜNTÜ AKTARMALI QUADROTOR

Transkript

1 T.C. KARADENĠZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü GÖRÜNTÜ AKTARMALI QUADROTOR Merve SAĞLAM Bahadır AYDINOĞLU Öğr. Gör. Cahit ALTAN Mayıs 2013 TRABZON i

2 T.C. KARADENĠZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü GÖRÜNTÜ AKTARMALI QUADROTOR Merve SAĞLAM Bahadır AYDINOĞLU Öğr. Gör. Cahit ALTAN Mayıs 2013 TRABZON ii

3 LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU Merve SAĞLAM, Bahadır AYDINOĞLU tarafından Öğr. Gör. Cahit ALTAN yönetiminde hazırlanan Görüntü Aktarmalı Quadrotor baģlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiģ, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiģtir. DanıĢman : Öğr. Gör. Cahit ALTAN Jüri Üyesi 1 : Yrd. Doç. Dr. Yusuf SEVĠM Jüri Üyesi 2 : Yrd. Doç. Dr. Gökçe HACIOĞLU Bölüm BaĢkanı : Prof. Dr. Ġsmail H. ALTAġ iii

4 ÖNSÖZ Bu proje, KTÜ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü nde Bitirme Projesi kapsamında hazırlanmıģtır. Bu çalıģma, insansız hava araçlarından biri olan quadrotorla kablosuz bir Ģekilde havadan görüntü aktarımı sağlamak maksadıyla yapılmıģtır. Projenin gerçekleģtirilme aģamasında ve izlenecek yollar konusunda bizden desteklerini esirgemeyen Sayın Öğr. Gör. Cahit ALTAN a, Öğr. Gör. Ayhan YAZGAN a ve Doç. Dr. Ġsmail KAYA ya sonsuz Ģükranlarımızı sunarız. Proje kapsamında yaptığımız deneysel çalıģmalarda malzeme ve laboratuar ihtiyacımızı karģılayan KTÜ Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölüm BaĢkanlığına, Mühendislik Fakültesi Dekanlığına ve KTÜ Rektörlüğüne teģekkürlerimizi sunarız. Ayrıca gerek lisans eğitimi süresince gerekse bitirme projesi aģamasında bizden maddi ve manevi desteklerini esirgemeyen ailelerimize minnet duyarız. Mayıs 2013 Merve SAĞLAM Bahadır AYDINOĞLU iv

5 İÇİNDEKİLER LĠSANS BĠTĠRME PROJESĠ ONAY FORMU... iii ÖNSÖZ... iv ĠÇĠNDEKĠLER... v ÖZET... vii SEMBOLLER VE KISATMALAR viii 1. GĠRĠġ QUADROTORUN TANITIMI Genel Bilgi Ġlk Quadrotorlar Oehmichen Quadrotoru Bothezat Quadrotoru Askeri Amaçlı Quadrotorlar Quadrotorun Kullanım Alanları AraĢtırma Askeri Uygulamalar Toplumsal Mekanik Elektrik UçuĢ Kontrolü Quadrotorun Modellenmesi Quadrotor Dinamiği ve Matematiksel Modelleme PD Kontrol Ters Dinamik Kontrol Donanım Kısmı Gövde UçuĢ Kontrol Kartı Fırçasız Motorlar Inline Fırçasız Motorlar Outline Fırçasız Motorlar ESC v

6 ESC ÇalıĢma Prensibi BEC (Battery Eliminator Circuit) Lityum-Polimer Piller Kumanda Yazılım Kısmı Arducopter Yazılım Programı Mission Planner Yazılım Programı GÖRÜNTÜ AKTARMA Görüntü ĠĢleme Görüntü Aktarma Yolları Wi-fi Kamera Wi-fi Nedir? Neden Wi-fi? Wi-fi HaberleĢmesi Nasıl GerçekleĢir? Wi-fi HaberleĢmesinin Özellikleri Standartları MESAFE SENSÖRÜ HC-SR04 Ultrasonik Mesafe Sensörünün ÇalıĢma Prensibi HC-SR04 Ultrasonik Mesafe Sensörünün Donanım Kısmı Pic16f877a Mikrodenetleyicisi Regülatörü HC-SR04 Ultrasonik Mesafe Sensörünün Yazılım Kısmı CCS C Derleyici Programı PIC Kit Proteus ve Ares YAZILIMLARIN YÜKLENMESĠ UçuĢ Kontrol Kartı Yazılımının Yüklenmesi ESC Yazılımının Yüklenmesi Mesafe Sensörü Devresinin Yazılımının Yüklenmesi SONUÇ KAYNAKÇA EKLER ÖZGEÇMĠġ vi

7 ÖZET Bu çalıģmanın amacı, referans olarak ele alınmıģ bir insansız hava aracı modelinin kontrolünün ve bu insansız hava aracına eklenen kablosuz kamera ile görüntü aktarımının yapılmasıdır. Bu çalıģmada söz konusu modelle yapılan kontrollerle gerçek bir sistem üzerinde test edilmiģtir. Bu çalıģmada; ele alınan hava aracı tanıtılmıģ ve bu hava aracının tarihçesinden, kullanım alanlarından, tasarlanmasından, modellemesinden, donanım ve yazılım kısmından bahsedilmiģtir. Ayrıca hava aracına eklenen kamera sayesinde yapılan görüntü aktarma da tüm yönleriyle anlatılmıģtır. Ġnsansız hava aracında kullanılan HC-SR04 ultrasonik mesafe sensörü sayesinde konum bilgisi de alınmıģtır. Görüntü aktarmalı quadrotor sayesinde izlenilmesi ve görüntülenmesi zor veya imkansız olan yerlerin ya da bölgelerin mevcut anlık görüntüleri havadan alınıp, kontrol merkezine iletilerek bu bölgelerin durumlarının incelenmesi sağlanmaktadır. vii

8 SEMBOLLER ve KISALTMALAR VTOL Φ Θ Ψ τ Ω Ω r m L b,d RC ESC AC DC PWM Vertical Take Off and Landing Yalpa Açısı Yunuslama Açısı Sapma Açısı Ġtki Pervane Döngüsü Döngüsel Dengesizlik Kütle Kol Uzunluğu Ġtki, Sürükleme Sabiti Radio Control Electronic Speed Controller Alternating Current Direct Current Pulse Width Modulation viii

9 1. GİRİŞ Projemizin bir diğer adı herkesin bildiği adıyla Ġnsansız Hava Aracıdır. Günümüzde gerek milli istihbarat ve savunma sanayisinde gerek askeri projelerde gerekse coğrafi yapının zor ve ulaģılmaz olduğu yerlerin güvenliğinde adını sıkça duyduğumuz bir projedir. Ġnsansız hava araçları (ĠHA) günümüzde ilerleyen teknolojik imkanlar sayesinde son derece popüler olmuģ ve bir çok mühendislik çalıģmasına konu olmuģ, bir çok akademik çalıģmanın temelini oluģturmuģtur. Ġnsansız hava araçlarının ismini günlük hayatta en sık olarak askeri alanda duymaktayız. Fakat kullanım alanı sadece bu kadarla sınırlı değildir. Zorlu parkurlardaki sporların takip edilmesinde, trafik denetimlerinin yapımında, Ģehirlerde ve ilçelerde kaçak yapılaģmanın tespit edilmesinde ve birçok durumun hızlı ve güvenli olarak incelenmesinde ĠHA'lar kullanılmaktadır. Ġnsansız hava araçları diğer bir çok araç gibi kullanılacak alana ve yere göre çeģitli Ģekillerde üretilmektedir. En sık kullanılan ve tercih edilen alanlarından biri de, projemizde yaptığımız Quadrotor ya da diğer bir adıyla dört rotorlu insansız hava aracıdır. Quadrotor, ismininde ifade ettiği gibi birbirinden bağımsız olarak çalıģan dört adet rotora ve hızlı manevra kabiliyetine sahip ĠHA'lara verilen genel bir isimdir. Elbette ki Quadrotorların rotorlarının sayısının arttırılması ve bununda uygulanmıģ olan halleri mevcuttur. Quadrotor en temel yapısı itibariyle fırçasız doğru akım motoru, mikrodenetleyici, sensör, hız kontrol birimi ve besleme kaynağından oluģmaktadır. 1

10 2. QUADROTORUN TANITIMI 2.1. Genel Bilgi Quadrotor; quadrotor helikopter veya quadrocopter veya quadcopter olarak da adlandırılan dört rotorlu bir multicopterdir. Quadrotorların kanatları karģılıklı olarak yerleģtirilip, sabitlenmiģtir. ġekil 1 de bir quadrotorun genel görünümü verilmiģtir. ġekil 1. Bir quadrotorun genel görünümü Quadrotorlar, rotorlarına göre sınıflandırılırlar. Çünkü; quadrotorlara sürekli devir yapan dar yapılı bir dizi uçak yakıtı tarafından enerji verilir. Birçok helikopterin tersine quadrotor pervanelerinde çoğunlukla eğimli ve simetrik bıçaklar kullanılır, cyclic olarak adlandırılan, tek tek rotor disk bıçak konumunu dayalı olmayan ve kolektif olarak bilinen bir grup Ģeklinde ayarlanabilir. Quadrotorun hareket kontrolü, bir veya daha fazla rotor diskinin dönme hızı değiģtirilerek elde edilir, böylece quarotorun tork yükü ve itme/kaldırma özellikleri değiģtirilmiģ olur [1]. UçuĢ tarihinin ilk zamanlarında, quadrotorlar dikey uçuģ için kalıcı olan bazı sorunlara olası çözümler üretmek için yapılandırıldı. Çünkü; torka bağlı kontrol sorunlarından kaynaklanan ters rotasyon yoktu ve kısa bıçaklar yapmak daha kolaydı. Ayrıca herhangi bir rotordan kaynaklanan verimlilik sorunu da ortadan kaldırılmıģtı. Bir dizi insanlı tasarım da 1920 ve 1930 larda ortaya çıktı. Bu araçlar ilk baģarılı ağır hava dikey iniģ ve kalkıģ (VTOL) araçları arasında yer aldı. Buna rağmen; ilk prototipler düģük performanstan ötürü zarar etti ve ikinci prototiplerde zayıf güçlendirme ve sınırlı kontrol yetkisi nedeniyle fazladan pilot ve iģ yükü gerektirdi. Daha yakın zamanlarda yapılan quadrotorlar ise; insansız hava araçları olarak tasarlandı. Bu araçlarda uçağı stabilize etmek için, bir 2

11 elektronik kontrol sistemi ve elektronik sensörler kullanıldı. Boyutlarının küçüklüğünden ve manevra kabiliyetlerinden dolayı bu quadrotorlar hem açık hem de kapalı alanda kullanılabilirler. Quadrodopterlerin nispeten ölçekli helikopterler göre bazı avantajları vardır. Ġlk olarak, quadrotorların mekanik bağlantıları için, rotor kanat eğim açılarını değiģtirmeleri gerekmez. Bu da aracın tasarım ve bakımını kolaylaģtırır. Ġkinci olarak, dört adet rotor kullanımı uçuģ sırasında daha az kinetik enerjiye ihtiyaç duyulmasını sağladığı gibi her bir rotorun eģdeğer bir helikopter rotoruna göre de daha küçük bir çapa sahip olmasını sağlar. Bu da rotorun herhangi bir Ģeye vurması anında meydana gelebilecek olan zararı azaltır. Bu da yakın etkileģim halinde küçük ölçekli insansız hava araçları içinde quadrotoru diğerlerine oranla daha güvenilir yapar. Yapıları ve kontrol kolaylıkları nedeniyle, quadrotorlar amatör uçak modeli projeleri olarak kullanılırlar İlk Quadrotorlar Oehmichen Quadrotoru Etienne Oehmichen tarafından 1920 lerde rotorlu uçak tasarımlarından biri olarak geliģtirilmiģtir. Etienne Oehmichen yaptığı altı denemeden sonra, dört rotor ve sekiz pervaneli olan 2 numaralı helikopteri tek motorla çalıģtırmayı baģardı. Bu iki numaralı helikopter, dört kolunun uçlarında bulunan iki kanatlı rotorlarında çelik birer boru çerçeve bulunmaktaydı. Bu bıçak açısı eğimden dolayı çeģitli olabilir. Pervanelerden beģi, yatay düzlemde makinaya yanal olarak sabitlenmiģtir. Diğer pervane ise direksiyon için burna monte edilmiģtir. Kalan son pervane çifti ise ileri tahrik için kullanılmıģtır. Bu uçakla 1920 lerin ortasına kadar istikrar ve kontrol edilebilirlik açısından binden fazla test uçuģun yapıldı ve önemli sonuçlar alındı de bir anda birkaç dakika boyunca havada kalmayı baģardı ve Nisan 1924 de ise 360 m ile helikopterler içinde rekor kırdı, en son olarak da 1km ye ulaģtı. 3

12 Bothezat Quadrotoru Dr.George Bothezat ve Ivan Jerome tarafından geliģtirilen bu uçakta altı kanatlı rotor vardır ve yapısı X Ģeklindedir. DeğiĢken sahalı iki küçük pervane, itme ve rota kontrolü için kullanıldı. Quadrotor ilk uçuģunu Ekim 1922 de yaptı ve yaklaģık 100 uçuģtan sonra son uçuģunu da 1923 yılında yaptı. UlaĢtığı en fazla yükseklik 5m civarındaydı. Fizibilitesine rağmen; düģük güçte çalıģıyordu, ihtiyacı karģılamıyordu ve karıģık bir mekanizması olduğundan dolayı ciddi problemlere yol açıyordu. Pilotun iģ yükü yanal hareket etrafında dolaģtığı için çok fazlaydı Askeri Amaçlı Quadrotorlar Bu benzersiz helikopterlerin çok daha büyük quadrotor helikopterleri için bir prototip olması amaçlanmıģtır. Dört rotoru süren iki motorlu tasarıma uçuģ için ilaveten kanat eklenmiģtir nin ortalarında birçok baģarılı uçuģ yapıldı ve böylece quadrotorlar baģarılı uçuģlar yapmak için kullanılan ilk dört rotorlu helikopterler oldular. Ancak, ticari ve askeri sürümlerindeki bir sipariģ eksikliği nedeniyle bu proje sonlandırıldı. Son birkaç on yıl içinde, küçük ölçekli insansız hava araçları birçok uygulama için daha sık kullanılır hale gelmiģtir. Dört rotorlu quadrotorların tasarımı hem basit, hem son derece güvenilir ve hem de yüksek manevra kabiliyeti sağlamaktadır Quadrotorun Kullanım Alanları Araştırma Quadrotorlar, uçuģ kontrol teorisi, navigasyon, gerçek zamanlı sistemler ve robotik gibi farklı alanları da içeren bir dizi yeni fikirleri test etmek ve değerlendirmek için üniversite araģtırmacıları için yaralı bir araçtır. Son yıllarda birçok üniversite giderek daha karmaģık hava manevraları performanslı quadrotorlar göstermiģlerdir. Testlerde quadrotorları kullanmanın pek çok avantajı vardır. Bunların daha ucuz, daha basit tasarımları türleri amatörler tarafından da yapılır. Quadrotor projelerinde bilgisayar, elektrik ve makine mühendisliği bilgilerinin birleģimi gerekmektedir. 4

13 Askeri Uygulamalar Quadrotorlar Ģehirlerde kullanılmakla beraber arama-kurtarma görevlerinde de kullanılırlar Toplumsal Quadrotorların en kapsamlı olarak kullanıldığı alandır. Quadrotorlar, insansız hava araçları olmaları, bağımsız yapıları ve maliyet tasarrufu nedeniyle bu iģe uygundurlar. Bir quadrotorla havadan görüntü almak ve konum bildirmek kablosuz veya IP kameralarla çok kolaydır Quadrotorun Tasarlanması Mekanik ġekil 2. Bir quadrotordaki motorların dönüģ yönleri Ana mekanik parçalar; çerçeve, sabit veya değiģken aralıklarla yerleģtirilmiģ pervaneler ve elektrik motorlarıdır. En iyi performans ve en basit kontrol için motorlar ve pervaneler ġekil 2 deki gibi eģit uzaklıklarda yerleģtirilmelidirler. ÇeĢitli malzemeler bütün parçalarda kullanılabilir. Ama, karbon fiber bileģenler hafif olmaları nedeniyle son zamanlarda daha çok tercih edilmektedirler. 5

14 Elektrik Quadrotorun elektrikle ilgili parçaları da; elektrik hız kontrol modülü, kontrol kartı ve bataryadır Uçuş Kontrolü Her rotor dönme merkezi etrafında hem bir itme kuvveti hem de tork üretir. Eğer tüm rotorlar aynı açısal hızda olmak üzere ġekil 4 e göre 1 ile 3 saat yönünde, 2 ile 4 de saat yönünün tersinde dönerlerse; net tork eksenler üzerinde yaklaģık olarak 0 olur Quadrotorun Modellenmesi Quadrotor Dinamiği ve Matematiksel Modelleme Dizaynın itibariyle quadrotorun kontrolü, pervanelerinin dönüģ yönlerinin birbirinden bağımsız olarak değiģtirilmesiyle sağlanır. Ayrıca bu pervane dönüģ yönlerinin değiģmesiyle sistemde ġekil 3 te gösterildiği gibi torklar ve momentler oluģur [2]. ġekil 3. Quadrotorun dönüģ açıları ve torkları Vi: i.pervanenin dönüģ hızı, τi: pervanenin itkisi olmak üzere sisteme etki eden toplam itki ifadesi Denklem 1 deki gibi olur; U1=τ1+τ2+τ3+τ4 (1) 6

15 2 ve 4 numaralı pervanelerin dönüģ yönü değiģtirilerek sistemde yalpa momenti oluģturulur. Bu yalpa momentinin ifadesi Denklem 2 deki gibidir; U2=l(τ4 τ2) τ4 (2) 1 ve 3 numaralı pervanelerin dönüģ yönü değiģtirildiğinde ise Denklem 3 deki yunuslama momenti oluģur; U3=l(τ3 τ1) τ4 (3) Tek ya da çift numaralı pervanelerin dönüģ yönlerinin değiģimiyle de Denklem 4 de ifade edilen sapma momenti elde edilir; U4=(τ1 τ2 + τ3 τ4) (4) Yapılan araģtırmalara göre momentlerin etkileri ile beraber Lagrangian ın Denklem 5 de ifade edilen türevlenmiģ hareket denklemi ile bu denklemler genelleģtirlerek Denklem 6 daki gibi ifade edilmektedir; (5) Denklem 6 daki i genelleģtirilmiģ kopordinatları, Г i de genelleģtirilmiģ kuvvetleri ifade etmektedir. Buradan hareket edildiğinde de Denklem 7 ortaya çıkmaktadır; (6) Denklem 7 deki sembollerin anlamları ise Tablo 1 de verilmiģtir. (7) 7

16 Tablo1. Modelleme formülünde kullanılan semboller Semboller Φ θ Ψ τ Ω Ω r m L b,d Tanım Yalpa Açısı Yunuslama Açısı Sapma Açısı Ġtki Pervane Döngüsü Döngüsel Dengesizlik Kütle Kol Uzunluğu Ġtki, Sürükleme Sabiti PD Kontrol PD kontrolünde sistem istenen davranıģı vermeye yönlendirilir. Bu da hatanın hesaplanması ve bir katsayı ile çarpılıp giriģi iģaretine eklenmesiyle sağlanır. Bu iģlemin kontrol Ģeması ġekil 4 deki gibidir. ġekil 4. PD kontrol Ģeması 8

17 Ters Dinamik Kontrol Bu kontrol sisteminde, sistem kendi dinamiğinin tersiyle kontrol edilmektedir. Amaç; sistemin davranıģa göre hesap yapılarak istenen çıkıģ için istenen giriģi elde etmektir. Bu kontrol sisteminin devre Ģeması ġekil 5 de gösterilmiģtir. istenen değer y(t) hata u(t) Ters $- c sistem Sistem ġekil 5. Ters dinamik kontrol Ģeması 2.6. Donanım Kısmı Gövde Quadrotorlar taģıyacakları ağırlıklara göre çok ince ayarda çalıģmakta olup motorların, pilin, gövdenin ve bunun gibi üzerinde yük olarak taģıyacağı tüm malzemelerin ağırlıkları önemlidir. Quadrotor toplanmasına baģlanırken ilk olarak gövdeden baģlanılması gerektiği için, bu konuda en önemli kısımlardan birisi de quadrotorun gövdesidir. Quadrotorlar için 2 tip gövde kullanılmaktadır. Alüminyum Gövdeler Fiberglas Gövdeler Bu 2 tip gövdeyi boylarına göre ağırlıklarını standartlaģtırırsak birbirlerinden pek bir farkı olmadıkları anlaģılmaktadır. Alüminyum gövdeler yapı itibariyle daha ince olmaktadırlar. Diğer yandan fiberglas gövdeler alüminyum gövdelere göre daha kalın olmaktadırlar fakat fiberglas gövdeleri ile alüminyum gövdeler ağırlık bakımından hemen hemen aynıdırlar. ġekil 6 da alüminyum gövde, Ģekil 7 de de fiberglas gövde görülmektedirler. 9

18 ġekil 6. Fiberglas gövde ġekil 7. Alüminyum gövde Uçuş Kontrol Kartı UçuĢ kontrol kartı tamamıyla açık kaynaklı oto pilot sistemine sahiptir. Rotorlu ve çoklu rotorlu araçların harici bir kumanda veya GPS ile kullanılmasına olanak sağlamaktadır. Quadrotor yön tayinini ve stabil uçuģları, kontrol kartının üzerinde bulundurduğu üç açılı jiroskop ile, denge tayinini ise yüksek performanslı barometre ile sağlamaktadır. Bunların yanı sıra üzerinde manyetometre ve ivmeölçer de bulundurmaktadır [3]. UçuĢ kontrol kartının telemetri sistemi 3 boyutlu robotik radyo sistemlerine uygundur. Xbee modülü yerine açık kaynaklı kodlarla tasarlanmıģ olup daha az maliyet daha uzun menzil olanağı sunmaktadır. Kart çoklu arabirim yanı sıra I 2 C haberleģmesine uygundur ve motorların bu haberleģme ile sürülmektedir. 915 Mhz frekansında kullanılan bu kart ile ESC kartlarının ve buna bağlı fırçasız motorların kullanımı sağlanmaktadır. Projemizde kullanmıģ olduğumuz ATMEL in ATMEGA U ve ATMEGA32U-2 iģlemcili uçuģ kontrol kartı ġekil 8 de görülmektedir. 10

19 ġekil 8. ArduFlyer uçuģ kontrol kartı Fırçasız Motorlar Fırçasız motorlar geliģen teknolojiyle beraber birçok alanda kullanılmakta olup, robotik alanda da kullanılmaya baģlanmıģtır. Bu motorlar radyo kontrollü projelerde (Multikopterler, Helikopterler, RC Arabalar vb.) sıklıkla kullanılmaktadırlar. Bu alanda kullanılmalarının ana sebeplerinden biri diğer motorlara göre yüksek performans sergilemeleridir. Fırçasız motorların diğer motorlara göre daha sessiz çalıģma, elektriksel gürültü oluģturmama, daha kolay bakım, daha uzun ömür, daha hızlı çalıģma ve daha güçlü torklara sahip olma gibi avantajlarının yanı sıra; daha pahalı sistemler, kompleks kontrol ve yüksek performanstan dolayı oluģan ısınma gibi dezavantajları da vardır. Fırçasız motorlar iç yapılarına göre inline fırçasız motorlar ve outline fırçasız motorlar olmak üzere ikiye ayrılırlar: Inline Fırçasız Motorlar Inline fırçasız motorun rotoru iç kısımdadır ve stator kısmı sabittir. GörünüĢ olarak standart fırçalı motorlara benzemekle beraber hızları daha yüksek ama voltaj baģına torkları daha azdır. 11

20 Outline Fırçasız Motorlar Outline fırçasız motorların rotor kısmı dıģ tarafta, stator kısmı iç taraftadır. Stator kısmı sabit, rotor kısmı ise sabittir. Outline motorların özellikleri Inline motorların özelliklerinin tam tersidir. Hızları düģük fakat voltaj baģına torkları daha yüksektir. Bu sebeple hava araçlarında bu motorlar kullanılmaktadır. Projede de voltaj baģına yüksek tork oluģturan bu outline fırçasız motorlardan kullanılmıģtır. Çünkü quadrotorlar gibi küçük çaplı insansız hava araçları için en uygun motor cinsi outline fırçasız motorlarıdır. Projede kullanılan outline fırçasız motorun teknik özellikleri Tablo 2 de verilmiģtir. Tablo 2. Outline fırçasız motorun teknik özellikleri YÜKSÜZ YÜKLÜ Gerilim(V) Akım(A) Hız(rpm) Akım(A) Çekme Güç(W) Ağırlığı (g) 14, , ESC Yukarıda bahsetmiģ olduğumuz fırçasız motorların, kullanıldıkları robota göre hızlarının kontrol edilmesi gerekir. ESC, fırçasız motorları kontrol etmek için kullanılan devre sistemleridir ESC Çalışma Prensibi ESC devrelerinin çalıģma prensibi motorların sargılarına sırayla PWM dalgası göndermektir. Fırçalı motorlar DC motorlar olup ESC ile 2 uçtan sürülürler. Fakat fırçasız motorlar trifaze motorlardır ve 3 uçtan sürülürler. Bu motorlarda kullanılan ESC ler, DC motorlarda kullanılan ESC lere göre daha karmaģık bir yapıya sahiptirler. Pilin 2 ucundan almıģ oldukları DC gerilimi, 3 kablo ile AC olarak motora gönderirler. Fırçasız motorlar için kullanılan ESC ler bir frekans konvertörü gibi çalıģmaktadırlar. Gerilime bağlı olarak değil, frekansa bağlı olarak devir sayısını değiģtirmektedirler. 12

21 BEC (Battery Eliminator Circuit) BEC gerilim regülatörüdür. ÇıkıĢ 5V olmakta olup ESC nin besleme gerilimi BEC lerin çıkıģından verilmektedir. Yüksek akımda çalıģan (40A ve üstü) ESC lerde BEC ler dahili değildir Lityum-Polimer Piller Quadrotorlarda kullanılan fırçasız motorların devir hızları rpm civarlarında olmaktadır. Yüksek rpm sebebiyle fırçasız motorlar yüksek akım veren ve yüksek kapasiteye sahip pillere ihtiyaç duymaktadırlar. Li-po (lityum-polimer) piller yüksek akım ve yüksek kapasite ihtiyacını en yüksek verimde karģılayan besleme kaynaklarıdırlar. Li-po piller küçük hücrelerden oluģmaktadırlar. Her bir hücrenin nominal gerilim değeri 3,7V olmakta olup, amper seviyesinde yüksek akım ihtiyacını karģılayabilmektedirler. Bu özellikleri ile hiçbir pil ile karģılaģtırılamayacak performansı gösterebilmektedirler. Projemizde 4 hücreli, 14.8 V potansiyeli ve 5A e kadar akım verebilen bir li-po pil kullanılmıģtır. Projemizde kullanılan Turnigy 5.0 li-po pili ġekil 9 da gösterilmektedir. ġekil 9. Turnigy 5.0 Lityum-Polimer pil 13

22 Kumanda Ġnsansız hava aracımız quadrotor uzaktan kumanda sistemi ile kontrol edilmektedir. Projemizde kullanılacak Turnigy 9X uzaktan kumandası kullanılmıģtır. Bu kumanda Ģu özelliklere sahiptir: 2.4 GHz Frekans desteği 8 Kanal özelliği Encoder Tipi : Ppm/Pcm 2.7. Yazılım Kısmı Arducopter Yazılım Programı Arducopter yazılım programı Atmel Atmega iģlemcili uçuģ kontrol kartlarının yazılımı için kullanılmaktadır. Yazılım dili C olan bu programın kendi içerisinde örnek program kodları bulunmakla beraber açık kaynaklı kodlar olduğu için bulunan kodlar üzerine geliģtirme yapılabilmektedir. Arducopter yazılım programı birçok quadrotor kullanıcısı tarafından ilk tercih olarak kullanılmaktadır. Bunun nedeni ise programın kendi içerisinde uçuģ kartları için birçok kütüphane barındırmasından dolayıdır. Arducopter yazılım programına ait bir ekran görüntüsü ve sahip olduğu birkaç kütüphane ġekil 10 da gösterilmiģtir. ġekil 10. Arducopter yazılım programına ait birkaç kütüphane 14

23 Mission Planner Yazılım Programı Ardupilot programı ile aynı görevi yapan Mission Planner programının Ardupilot programına yükleme bazında tek avantajı, uçuģ kontrol kartına yüklenmesi gereken yazılımları tek seferde atabilme özelliğidir. Yükleme yapılacak olan hava aracının tipi seçilmekte ve yazılım tek seferde kontrol kartına yüklenebilmektedir. ġekil 11 de mission planner programının arayüzü gösterilmektedir. ġekil 11. Misssion Planner programı arayüzü 15

24 3. GÖRÜNTÜ AKTARMA 3.1. Görüntü İşleme Görüntü iģleme, kayıtlı olan dijital görüntü verilerini iģlemek, değiģtirmek ve iyileģtirmek için kullanılır. Resimler analog ortamdan dijital ortama aktarıldığında bazı bozulmalar olur. Görüntü iģleme de bu bozulmaları düzeltir. Görüntü iģleme de öncelikle alınan resim sayısallaģtırılır, daha sonra gürültü temizlenir ve parlaklık, koyuluk, renk ayarı yapılır. Görüntü iģlemedeki gürültü temizleme olayı filtrelemedir. Filtreleme resimdeki her piksel değerinin yeniden hesaplanması demektir. Quadrotorumuzdaki görüntü iģlemede de bilgisayar programı kullanılarak kameradan alınan görüntülerde filtreleme sayesinde iyileģme sağlanacaktır [4] Görüntü Aktarma Yolları Görüntü aktarımı için kullanılan yolların hepsinin de amacı videodan gelen sinyali kameradan ekrana taģımaktır. Günümüzde kullanılan görüntü aktarma yolları; - Koaksiyel kablo ile görüntü aktarma, - Telefon kablosu ile görüntü aktarma, - Fiber optik kablo ile görüntü aktarma, - Mikrodalga ile görüntü aktarma, - Kızılötesi, lazer ile görüntü aktarma, - Radyo frekansı ile görüntü aktarma. Bütün teknolojilerde olduğu gibi bu görüntü aktarma yollarının da kendilerine göre avantajları ve dezavantajları vardır. Bu yollarda kullanılan iletim araçlarının seçimi uzaklık, maliyet ve yerleģim yeri gibi etkenlere bağlıdır. Tüm bu etkenler en optimize olacak Ģekilde seçildiğinde dahi bazı kayıplar meydana gelebilir. Zaten asıl amaç da; bu zararı yok etmekten ziyade en aza indirgemektir. Ayrıca bu yollar için seçilen bant aralıkları da ekrana gelen görüntülerin kalitesini etkiler. O yüzden; bant aralığı seçilirken dikkat edilmelidir. Örneğin; dar bant geniģliğinde aktarılan görüntülerde, bütün resimler videoya iletilemediği için iyi değildir. 16

25 Yukarıda bahsettiğimiz görüntü aktarma yollarının hepsinde de görüntü aktarma için ikinci bir ağ kullanımı gerekmektedir. Bu ikinci ağda oluģabilecek herhangi bir arıza durumunda sistemde görüntü aktarımı duracaktır. Ağda meydana gelebilecek herhangi bir arızanın dıģında bizim quadrotor uçan bir hava aracı olduğundan bu yollardan birini kullanmamız mümkün değildir. Bu yüzden biz projemizi yaparken kablosuz görüntü aktarma yolunu seçtik. Bu yolda da kullandığımız kamera wi-fi kameradır Wi-fi Kamera Bizim projemizde kullandığımız kablosuz kamera gerçek zamanlı bir PC kameradır. Kameranın frekans aralığı 2.4GHz dir. Kapalı alanda 3m, açık alanda ise 10m ye kadar görüntü aktarımı yapabilmektedir. Bu kamera sadece Vista veya XP iģletim sisteminde kullanılabilir. Bu kablosuz kamera da aynı zamanda yerleģik bir mikrofonda bulunduğundan sesi de bilgisayardan alabilmekteyiz. Kameradan görüntü almamızı sağlayan bir usb vardır. Bu usb sayesinde kameradan aldığımız görüntüler bilgisayara rahatlıkla aktarılır Wi-fi Nedir? Kablosuz ağlar telsiz telefon, televizyon ve radyolar gibi radyo sinyalleriyle haberleģirler. Bu ağlarda çift yönlü radyo haberleģmesi kullanılmaktadır Neden Wi-fi? Birçok alıģveriģ merkezi, otobüs terminali, havaalanı gibi kamusal alanlarda kablosuz olarak internete girmek mümkündür. Bu kablosuz ağ WiFi ya da networkü olarak da adlandırılmaktadır. Önümüzdeki yıllarda kablosuz ağlar günümüzdekinden daha da geniģ bir alana yayılacaktır. Bu sayede kablosuz olarak istenilen her yerden internet kullanımı gerçekleģtirilebilecektir. WiFi nin kolay kurulumu ve ekonomik olması avantajlarından sadece birkaçıdır. 17

26 Wi-fi Haberleşmesi Nasıl Gerçekleşir? - Bilgisayarın kablosuz güç kaynağı veriyi radyo sinyaline dönüģtürdükten sonra bu sinyali antene gönderir. Bu sinyal bir router sinyalidir. - Wireless bu sinyali alıp, sinyalin Ģifresini çözer. Bu router sinyali internete bir kablo aracılığıyla bilgiyi gönderir. - Yapılan bu iģlemin tersi de gerçekleģtirilebilir. Bu iģlemde de router sinyali internet üzerinden gelen gerekli olan bilgileri alıp, bu bilgileri radyo sinyallerine dönüģtürür. DönüĢtürülmüĢ olan bu radyo sinyalleri de bilgisayarın kablosuz adaptörüne gönderilir Wi-fi Haberleşmesinin Özellikleri - WiFi haberleģmesi telsiz haberleģmesi ile birçok benzerlikte göstermektedir. Her ikisi haberleģmede de radyo sinyalleri gönderilip alınır ve bu radyo bu sinyalleri 1 ve 0 dijital değerlerine dönüģtürülür. Buna rağmen, WiFi haberleģmesinin diğer radyo haberleģmelerine göre bazı önemli farkları vardır: - WiFi haberleģmesinde ya 2.4 GHz ya da 5 GHz sinyalleri kullanılır. Bu frekanslar cep telefonu ve el telsizlerinin kullandıkları frekanslara oranla çok yüksektir. Wi-fi haberleģmesinde bu frekansların kullanılmasının sebebi; yüksek frekanslarda veri iletimi daha iyi sağlanmaktadır. - Son olarak Wi-Fi haberleģmesi için standartları kullanılmaktadır Standartları a: 5 GHz lik frekans bandını kullanır. Veri gönderebilme kapasitesi saniyede 54Mb a kadar çıkabilmektedir. Bunların dıģında orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) tekniğini kullanabildiğinden dolayı sinyalleri alıcıya göndermeden önce birçok alt sinyale böler. Bu sayede sinyal üzerindeki gürültü azaltılmıģ olur b: Çok yavaģ ve oldukça ekonomiktir. Ucuz olduğundan dolayı en çok kullanılan standartlardan biri haline gelmiģtir. 2.4 GHz frekansında veri gönderir. Veri gönderebilme kapasitesi saniyede en fazla 11Mb e kadar çıkar. Bu yüzden hızını arttırabilmek için complementary code keying ( CCK ) modülasyonunu kullanır. 18

27 802.11g: 2.4 GHz frekans bandını kullanır. Saniyede 54 Mb veri gönderebilmektedir. Bu standart OFDM kodlamasını kullandığından b ye göre daha hızlıdır n: En yeni teknolojidir. Hızı önemli ölçüde arttırmaktadır. Örneğin; g teorik olarak saniyede 54 Mb veri gönderebilmesine rağmen pratikte en fazla 24 Mb/sn lik hıza ulaģabilmektedir. Fakat bu teknoloji sayesinde saniyede 140 Mb gönderim hızına ulaģılabilmektedir. Tüm bu standartlarda kablosuz bağlantı adaptörü bulunmasına rağmen çoğu standartta bağlantının daha güvenilir olması için farklı bir router daha kullanılmaktadır. Bunun yanı sıra routerda herhangi bir sorun olması durumunda ya da bant geniģliği için belirlenenden daha fazla kullanıcı tarafından kullanıldığında bağlantıda bazı problemler ortaya çıkabilir. WiFi noktalarında internetten kablosuz olarak yararlanabilmek için gerekli donanımın bulunması Ģarttır. En azından bir USB ile kablosuz bağlantı sağlanabilir. Kablosuz alıcı bir kez kurulup sürücüler tanıtıldıktan sonra kendiliğinden kablosuz ağ arar. 19

28 4. MESAFE SENSÖRÜ Ses dalgaları sınıflandırılmalarında 20KHz-1GHz frekans aralığında oluģan ses sinyalleri ultrasonik ses olarak tanımlanmaktadırlar. Projemizde mesafe sensörü olarak HC-SR04 devresi kullanılmıģtır. HC-SR04 devresi ultrasonik ses dalgalarının yansıyıp geri gelmesi özelliğini kullanarak mesafe ölçümü yapabilmektedir. ġekil 12 de HC-SR04 ultrasonik sensörü gösterilmiģtir. ġekil 12. HC-SR04 Ultrasonik Mesafe Sensörü 20

29 4. 1. HC-SR04 Ultrasonik Mesafe Sensörünün Çalışma Prensibi HC-SR04 sensörü 40 KHz frekansında ultrasonik bir ses üretmektedir. Üzerinde bulundurduğu alıcı ve verici transdüserleri kullanarak üretmiģ olduğu ultrasonik sesi iletir. Ġletilen ses dalgası yansıyarak alıcı transdüser tarafından algılanır. HC-SR04 mesafe sensörünün üzerinde 4 adet pin mevcuttur. Bunlar Vcc, Trig, Echo, Gnd pinleridir. Sensör trigger pininden 10 mikro saniyelik bir pals üretip gönderir. Sensör 40 KHz lik bir sinyal üretip 8 pals verici transdüsere gönderir. Bu ses dalgası havada 340m/s hızla yol alır ve bir engele çarptıktan sonra alıcı transdüsere yansır. Ses dalgasının çarptığı engelin sensör ile arasındaki uzaklığına doğru orantılı olarak echo pini bir süre lojik-1 seviyesinde kalır ve ardından tekrar lojik-0 olur. Echo pinini lojik-1 olduğu süre bize mesafe konusunda bilgi verecektir HC-SR04 Ultrasonik Mesafe Sensörünün Donanım Kısmı HC-SR04 sensörünün kullanımını kendi isteklerimiz doğrultusunda yöneltmek için mikrodenetleyici kullanılmıģtır Pic16f877a Mikrodenetleyicisi Mesafe sensörünün ses dalgasını iletme ve alma iģlemleri arasında ki geçen zamanı ihtiyaçlarımız doğrultusunda kullanabilmemiz Pic16F877a mikrodenetleyicisi kullanılmıģtır. Mikrodenetleyici entegresinin bacak bağlantıları ġekil 13 de, teknik özellikleri de Tablo 3 de belirtilmiģtir. ġekil 13. Pic16f877a Bacak Bağlantıları 21