3. QUADROKOPTERDE KULLANILAN MALZEMELER

Transkript

1 3. QUADROKOPTERDE KULLANILAN MALZEMELER Quadrokopterlerde temel olarak kullanılan malzemeler şu şekildedir; Lion polimer piller Elektronik hız kontrol ünitesi (ESC) Fırçasız (brushless) motor Pervane Kumanda (alıcı-verici) Kontrol kartı Sensörler (GPS, IMU, akselerometre, gyroskop, barometrik basınç sensörü, sıcaklık sensörü, rpm sensörü) Telemetri sistemi(isteğe bağlı) Kamera sistemi (isteğe bağlı) 3.1. Lion Polymer Pil (LİPO) Lipo piller doğadaki en hafif metal olan lityum maddesinden üretilirler. Yoğunluğu (0.535 g/cm 3 ) 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 [4]. 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 4.1).

2 Şekil 4.1. Tam dolu Lipo pilin hücre voltajı (4.16V) 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 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

3 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: Lipolar kullanılacak aracın üzerinde korumaya alınmalıdır. Bir kırım sonucu zedelenmesi su ile teması yangınlara sebep olabilir. Motorların çekeceği akım değerine göre uygun kapasiteli piller seçilmelidir. Aksi takdirde pil şişer ve kullanılamaz hale gelir. Yangın tehlikesi olabilir. Uzun süre kullanılmaması durumunda oda sıcaklığında ve %40-50 şarjlı olarak saklanmalıdır. Şarj esnasında hücrelerin eşit miktarda dolması için balanslı şarj aletleri kullanılmalıdır ve hücrelerden çıkan kontrol kabloları şarj aletine takılmalıdır (Şekil 4.2). Şekil 4.2. Lipo şarj işlemi

4 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. 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. 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. Pillerin kırmızı (+ uç) ve siyah uçları (- uç) kesinlikle kısa devre edilmemelidir. 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. Lipo şarjı esnasında pilin yanında bulunmak gerekir. Herhangi bir aksilik durumun da yangın tehlikesi diğer pillere oranla daha fazladır Elektronik Hız Kontrol Ünitesi (ESC) 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.

5 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 4.3). 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.

6 Şekil 4.3. ESC bağlantı diyagramı 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 Fırçasız (Brushless) Motorlar Elektrik motorları elektriğin manyetik alan özelliğini kullanarak elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren makinelerdir [5]. 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 ayrılır. Inrunner denilen motorlar, klasik rotoru motorun merkezinde olan sabit sargıları dış kısımda olan motorlardır.

7 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 çeperi, dış kısmıdır. Yani motorun dış kısmı hareket ederken iç kısmı sabittir. Genellikle multikopter sistemlerinde kullanılan fırçasız motorlar outrunner tiptir (Şekil 4.4). Şekil 4.4. Fırçasız outrunner motor 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.

8 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 Pervane Hızın etkisiyle taşıma kuvvetini üreten taşıyıcı yüzeylere başka bir deyişle döner kanatlara pervane denir. Quadrokopterlerde 2 tip pervane kullanılır [6]. 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. Çizelge 4.1 de E-MAX BL 2826 tipinde bir motor ile kullanılması gereken pervaneler ve akım-voltaj durumlarına göre ürettiği itki değerleri bulunmaktadır. Çizelge 4.1 BL2826 tip motorun çeşitli pervanelere ve akım-voltaj ilişkisine göre ürettiği itki değerleri

9 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; Naylon pervaneler Plastik pervaneler Karbon pervaneler Karbon-fiber pervaneler Ahşap pervaneler Fiberglass pervaneler Metal pervaneler şeklindedir. Naylon ya da plastik pervaneler esnek olmaları sebebi ile kalitesizdirler. Fakat ucuz

10 olmalarından dolayı özellikle ilk denemelerde pervane kırımı fazla olabileceğinden kullanılmaktadırlar. Bu pervanelerin kullanılması durumunda kenarlarında kalan keskin çapaklar zımpara ile temizlenmelidir. Karbon, ağaç ya da fiberglass pervanelerin performansları iyidir. 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 4.5. Malzeme cinsine göre pervane tipleri Pervane balansı Pervane balansı oldukça önemli bir konudur. Balans edilmemiş bir pervane aşırı derecede titreşime, gürültüye ve dengesiz taşımaya sebep olur. Bu sebepten yeni alınmış dahi olsa pervaneler kullanılmadan önce balans testi yapılmalıdır. Bunun için bazı test düzenekleri bulunmaktadır. Düzeneğin olmaması durumunda aşağıdaki işlemler yapılmalıdır: Pervane orta noktasından hub çapına uygun uzun bir çubuk pervaneye geçirilir. Düz bir zemin üzerinde çubuğun 2 tarafı sabitlenir. Pervane çubuk üzerinde döndürülür.

11 Eğer yere paralel şekilde dengede kalıyorsa pervane balanslıdır denilir. Eğer sürekli bir tarafa yatma eğilimi gösterirse o taraf pervanenin ağır olan kısmıdır. Ağır olan kısmın diğer tarafına karşı bir ağırlık olacak şekilde ince bant yapıştırılır. Pek tavsiye edilmemesine rağmen ağır olan taraf zımparalanarak denge noktası da yakalanabilir. Böylece pervane balansı ayarlanır. Balansı bozuk pervanelerin meydana getirdiği zararlar şu şekildedir: Çok fazla titreşim meydana gelir. Titreşimden dolayı motor yatakları ve motor şaftı zarar görür. Motor şaftında aşınma gerçekleşir. Motor gücü önemli oranda azalır. Araç üzerindeki sensörler titreşimden dolayı doğru ölçüm yapamazlar. Titreşimden dolayı araç yapısının mukavemeti azalır. Yapısal bozukluklar meydana gelir. Vida ya da bağlantı elemanlarını gevşemesine sebep olur. Böylece kırım tehlikesi artar.