TEKNOFEST İSTANBUL HAVACILIK, UZAY VE TEKNOLOJİ FESTİVALİ SAVAŞAN İHA YARIŞMA KRİTİK TASARIM RAPORU

Transkript

1 TEKNOFEST İSTANBUL HAVACILIK, UZAY VE TEKNOLOJİ FESTİVALİ SAVAŞAN İHA YARIŞMA KRİTİK TASARIM RAPORU

2 İÇİNDEKİLER 1. TEMEL SİSTEM ÖZETİ Sistem Tanımı Sistem Nihai Performans Özellikleri ORGANİZASYON ÖZETİ Takım Organizasyonu Zaman Akış Çizelgesi ve Bütçe Zaman Akış Çizelgesi Malzeme ve Bütçe Planlaması DETAYLI TASARIM ÖZETİ (15 PUAN) Nihai Sistem Mimarisi Alt Sistemler Özeti Uçuş Kontrol Sistemi Görev Kontrol Sistemi Güç Kontrol Sistemi Görüntü Aktarım Sistemi Yer Kontrol İstasyonu Takip Anteni Sistemi Hava Aracı Performans Özeti Hava Aracının Üç Boyutlu Tasarımı Hava Aracı Ağırlık Dağılımı OTONOM KİLİTLENME (15 PUAN) HABERLEŞME Telemetri Haberleşmesi Wifi Haberleşmesi RC Haberleşmesi KULLANICI ARAYÜZÜ TASARIMI HAVA ARACI ENTEGRASYONU (10 PUAN) Yapısal Entegrasyon Mekanik Entegrasyon Elektronik Entegrasyon TEST VE SİMÜLASYON (15 PUAN) Alt Sistem Testleri Uçuş Testi ve Uçuş Kontrol Listesi GÜVENLİK (5 PUAN) REFERANSLAR S a y f a

3 1. TEMEL SİSTEM ÖZETİ 1.1. Sistem Tanımı X-UAV Mini Talon model -(ÖTR raporunda İHA mızı sıfırdan Delta kanat konseptinde sıfırdan tasarlayacağımızı belirtmiştik lakin pandemi nedeni ile ekip çalışmalarımız aksadığı için çalışmalarımıza rafta hazır model olan X-UAV Mini Talon modeli ile devam etme kararı aldık.)- İHA mız 3 ana sistemden oluşmaktadır. Bu sistemler; Hava Aracı, Yer Kontrol İstasyonu ve Takip Anteni şeklindedir. Hava aracımız bünyesinde Uçuş Kontrol Sistemi, Görev Kontrol Sistemi, Görüntü Aktarım Sistemi ve Güç Kontrol Sistemi olmak üzere dört farklı alt sistem barındır. Uçuş Kontrol Sistemi, İHA nın manuel ve otonom uçuşu için gerekli olan uçuş kontrol kartı, radyo kumanda alıcısı ve GPS ten oluşmaktadır. Görev Kontrol Sistemi, müsabaka sırasında rakip İHA ların tespiti, rakip İHA ların otonom takibi, yer kontrol istasyonuna anlık görüntü ve telemetri verilerinin aktarılması için gerekli görev bilgisayarı, kamera ve haberleşme bileşenlerinden oluşmaktadır. Yer kontrol istasyonu, yarışma sunucusuna bağlı bir bilgisayar ve İHA ile haberleşmeyi sağlayacak olan anten sistemlerinden oluşmaktadır. Yer kontrol istasyonunda bulunan Wi-fi ve Telemetri antenlerinin anlık olarak İHA ya yöneltilme işlemi Takip Anteni sistemi ile gerçekleşecektir. Takip anteni, yer kontrol istasyonu üzerinden aldığı veriler doğrultusunda hareketli mekanizma ile anlık olarak İHA yı takip edecektir. İHA mız otonom uçuşunu üzerinde bulunan Uçuş Kontrol Kartı sayesinde gerçekleştirecektir. Uçuş Kontrol Kartı, içerisindeki dâhili ve harici sensörlerden gelen verileri anlık olarak işleyerek motorların gerekli hareketini sağlayarak otonom uçuş gerçekleştirecektir. İstenildiği durumda İHA nın manuel kontrole geçebilmek için gerekli radyo kumanda alıcısı yine uçuş kontrol kartına bağlı olacaktır. Tüm manuel ve otonom uçuş sırasında elde edilen her türlü hız, irtifa, GPS, vb. veriler yine uçuş kontrol kartı üzerinde bulunan Telemetri Modülü yardımı ile anlık olarak yer istasyonuna aktarılacaktır. İHA mız müsabaka sırasında rakip İHA ların tespitini ve tespit edilen rakip İHA ların otonom takibini üzerinde bulunan Görev Bilgisayarı sayesinde gerçekleştirir. Görev Bilgisayarı, kendisine bağlı kameradan gelen görüntüyü, içerisindeki görüntü işleme algoritması ile anlık olarak işleyerek rakip İHA ların tespitini gerçekleştirir. Tespiti gerçekleştirilen rakip İHA ların otonom takibi yine Görev Bilgisayarı üzerinde çalışan yapay zekâ sayesinde yapılır. Yapay zekâ, rakip İHA nın takibi için oluşturduğu otonom uçuş rotasını Mavlink bağlantısı ile Uçuş Kontrol Kartı na aktararak rakip İHA ların otonom takibini gerçekleştirir Sistem Nihai Performans Özellikleri İHA PERFORMANS ÖZELLİKLERİ Maksimum Uçuş Süresi 20 dk Seyir Hızı (Hücum Açısı: 2 Derece) 50 km/h Maksimum Seyir Hızı 65 km/h Stall Açısı 13 Derece (+/-1) / -7 Derece (+/-1) Telemetri Veri Aktarım Menzili 1.60 km Görüntü Aktarım Menzili 1 km Görüntü (HD 720p) Aktarım Hızı 25 Mgb/s GPS Konumlandırma Hassasiyeti 2,5m 3 S a y f a

4 2. ORGANİZASYON ÖZETİ 2.1. Takım Organizasyonu Tablo 1. Sistem Performans Özellikleri Dr. Öğr. Üyesi Durmuş Ali Bircan danışmanlığında Çukurova Üniversitesi Savunma ve Yüksek Teknolojiler Kulübü bünyesinde kurulan Lead Soldiers İHA takımımız, toplamda 8 kişiden oluşmaktadır. Tamamı mühendislik fakültesi öğrencilerinden oluşan takımımızın organizasyon planlaması aşağıdaki tabloda detaylı olarak belirtilmiştir. Şekil 1.Takım Organizasyon Şemas 4 S a y f a

5 2.2. Zaman Akış Çizelgesi ve Bütçe Zaman Akış Çizelgesi Şekil 2. Zaman Akış Çizelgesi 5 S a y f a

6 Malzeme ve Bütçe Planlaması X-UAV Mini Talon model sabit kanat hava aracımız ve yer kontrol istasyonumuz bünyesinde kullanılması planlanan tüm elektronik ve mekanik donanımlar/malzemeler aşağıdaki Şekil 3 ile belirtilmiştir. Tabloda yer alan Tahmini bütçe değerlemesi ÖTR raporunda sunulan bütçe değerleridir ve Nihai bütçe değerlemesi ise kesinleşmiş bütçe değerleridir HAVA ARACI BİLEŞENLERİ No Malzeme Marka/Model Maliyet Açıklama 1 Görev Bilgisayarı Nvidia Jatson Nano 4GB TL Mevcut 2** Uçuş Kontrol Kartı Pixhawk Cube Orange TL Mevcut Değil 3* Telemetri Modülü V5 1000mw 915 Mhz 695 TL Mevcut 4 GPS Here 3 GPS/GNSS TL Mevcut Değil 5 Rüzgâr Hızı Ölçer APM Pixhawk Pitot Tüpü 475 TL Mevcut Değil 6* Kamera Raspberry Pi HQ Kamera 618 TL Mevcut 7* Kamera Lensi Raspberry Pi 6mm Geniş Açı Lens 288 TL Mevcut 8 USB Wifi Adaptör Alfa Awus036NHA 2.4 Ghz 380 TL Mevcut Değil 9 Buzzer Pixhawk Buzzer Ses Modulü 40 TL Mevcut 10 RC Kumanda Alıcısı Radiolink R9DS 240 TL Mevcut 11 Güç İzleme Modülü APM Power Module 85 TL Mevcut 12 Güç Dağıtım Kartı F180057/8 Drone Güç Dağıtım Kartı 175 TL Mevcut Değil 13 Batarya 9000mah Li-On Batarya 12V 800 TL Mevcut Değil 14* ESC FlyFun 60A V5 509 TL Mevcut 15* Fırçasız Motor Sunnysky X KV 389 TL Mevcut 16 Servo Motor (x4) Emax ES08MA2 75 TL Mevcut YER KONTROL İSTASYONU BİLEŞENLERİ 17 RC Kumanda Radiolink AT9S PRO TL Mevcut 18 Yüksek Kazançlı Wifi Anten TL-ANT2424B 2.4Ghz Grid Anten 830 TL Mevcut Değil 19 Dış Ortam Wifi Adaptörü Alfa Tube2H 2.4 Ghz 650 TL Mevcut Değil 20 Yer Kontrol İstasyonu Bilgisayarı Lenova LAPTOP 2500 TL Mevcut 21 Takip Anteni Bilgisayarı Raspberry Pi 4 4GB 627 TL Mevcut 22 Monitör 21 inç Casper Monitör 500 TL Mevcut 23 7 LCD Ekran Raspberry Pi 7 Dokunmatik LCD Ekran 967 TL Mevcut Değil 24 GPS Adafruit Ultimate GPS Breakout V3 537 TL Mevcut 25 Step Motor (x2) Nema Adım 3.2 V Step Motor 390 TL Mevcut Değil 26 Motor Sürücü Waveshare STEP Motor Sürücü Kartı 65 TL Mevcut Değil 27 Voltaj Regülatörü Ltc1871 Step Up Ayarlanabilir Voltaj Regülator Kartı 65 TL Mevcut Değil 28 Batarya Leopard Power mah 22.2V Lipo Pil TL Mevcut MEKANİK BİLEŞENLER 29 Karbon Çubuk (x2) Haoye 2.5x100mm Karbon Çubuk 50 TL Mevcut 30 EPP Köpük (x2) Atermit EPP Köpük Blok 150x70x15 cm 1700 TL Mevcut Değil 31 Karbon Fiber Levha 300x500x0.3mm 3K Karbon Fiber Levha 469 TL Mevcut Değil 32 Anten Tripodu 3 Ayaklı Teleskopik Tripod 250 TL Mevcut 33 3D PLA Baskı 2 Eksenli Motor Standı 75 TL Mevcut 34* Sabit Kanat Model Uçak X-UAV Mini Talon Model Uçak 1300 TL Mevcut TAHMİNİ TOPLAM MALİYET TL TOPLAM NİHAİ MALİYET TL TAHMİNİ KARŞILANAN MALİYET TL KARŞILANAN NİHAİ MALİYET TL TAHMİNİ DESTEK TALEBİ TL NİHAİ DESTEK TALEBİ TL Şekil 3. Malzeme ve Bütçe Planlaması (*) Ön Tasarım Raporu ndan sonra sponsorluk yolu ile temin edilen bileşen. (**)Ön Tasarım Raporu sunulurken hali hazırdan mevcut olan lakin şuan için mevcut olmayan bileşen. ( ) Ön Tasarım Raporu ndan sonra kullanımından vazgeçilen bileşen. 6 S a y f a

7 3. DETAYLI TASARIM ÖZETİ 3.1. Nihai Sistem Mimarisi Hava aracımız bünyesinde kullanılacak olan tüm donanımların nihai sistem şeması Şekil 4 de paylaşılmıştır. ÖTR raporunda sunulan kavramsal sistem mimarisinden sadece Hava Hızı Ölçer ve Batarya İzleme Modulü bileşenleri hava aracı tasarımımızın değişmesi nedeni ile sistemden çıkartılmışlardır. Şekil 4. Nihai Sistem Şeması 7 S a y f a

8 3.2. Alt Sistemler Özeti İHA mız, Hava Aracı, Yer Kontrol İstasyonu ve Takip Anteni Sistemi olmak üzere 3 ana sistemden oluşur. Hava aracı bünyesinde Uçuş Kontrol Sistemi, Görev Kontrol Sistemi, Güç Yönetim Sistemi ve Görüntü Aktarım Sistemi olmak üzere 4 alt sistem bulunmaktadır Görev Kontrol Sistemi Görev kontrol sistemi, Nvidia Jatson Nano 4 GB görev kontrol bilgisayarı ve bu bilgisayara bağlı Raspberry Pi HQ Kamera dan oluşmaktadır. Raspberyy Pi HQ Kamera Nvidia Jatson Nano ya doğrudan SPI kamera soketi üzerinden bağlanır. Görev kontrol sistemi, rakip İHA ların tesbiti ve otonom rakip İHA takibi görevlerinden sorumlu sistemdir. Nvidia Jatson Nano boyutuna nazaran yüksek işlem gücüne sahip, düşük güç tüketimli mini bir bilgisayardır. Uçuş sırasında HQ Kameradan alının görüntüler, anlık olarak Nvidia Jatson üzerinde çalışan Yolo kütüphanesi kullanılarak geliştirilmiş hedef tespit yazılımımız ile işlenerek rakip İHA ların tesbiti sağlanır. Diğer yandan yer kontrol istasyonundan Nvidia Jatson görev bilgisayarına Wifi üzerinden aktarılan rakip İHA telemetri verileri yine Nvidia Jatson üzerinde çalışan yapay zekâ yazılımı tarafından anlık olarak işlenerek hava aracının rakip İHA larına yönelimini sağlayacak olan otonom uçuş rotasını oluşturur. Oluşturulan bu rota Nvidia Jatson Nano ya bağlı Pixhawk Cube Orange uçuş kontrol kartına Mavlink bağlantısı ile aktarılarak hava aracının otonom olarak rakip İHA larına yönelimi sağlanır. Görev kontrol bilgisayarı olarak Nvidia Jatson Nano 4GB tercih etmemizin en büyük nedeni özellikle en popüler muadili olan Raspberry Pi 4 4GB/8GB modellerine göre çok daha yüksek FPS te görüntü işleyebiliyor olmasıdır. Diğer yandan bu projeye başlamadan evvel ekibimizin elinde hali hazırda Nvidia Jatson Nano kartının bulunması da sistemimizde bu kartı kullanacak olmamızın en büyük nedenlerindendir. Şekil 5.Görev Kontrol Sistemi 8 S a y f a

9 Uçuş Kontrol Sistemi Uçuş kontrol sistemi, bünyesinde hava aracının otonom uçuş gerçekleştirebilmesi için gerekli uçuş kontrol kartı, hava aracının konumunun belirlenmesi için gerekli GPS modülü, uçuş kontrol kartı içerisinde bulunan dahili IMU sensörler üzerinden alınan telemetri verilerinin yer istasyonuna aktarılması için gerekli telemetri modülü ve son olarak da acil durumlarda pilotun hava aracına müdahale edebilmesine olanak sağlayan radyo kumanda alıcısı bileşenlerinden oluşmaktadır. Otonom uçuşu gerçekleştirecek kontrol kartı olarak STM32H753VIT6 Cortex-M7 işlemciye sahip Pixhawk Cube Orange uçuş kontrol kartı seçilmiştir. Pixhawk kartı üzerinde çalışabilen açık kaynak kodlu Ardupilot yazılımı kullanılarak otonom uçuş gerçekleştirilecektir. İHA mızda hassas konumlama sistemi olarak Here 3 GPS/GNSS ve telemetri verilerinin yer kontrol istasyonumuza aktarılabilmesi için V5 1000mw 915Mhz telemetri modülü kullanılacaktır. Radyo kumanda alıcısı olarak da Radiolink R9D radyo kumanda alıcısı kullanılacaktır. Pixhawk Cube Orange uçuş kontrol kartı tüm bu sistemler ile doğrudan uyumludur Şekil 63. Uçuş Kontrol Sistemi Güç Kontrol Sistemi İHA mız üzerinde bulunan tüm sistemlerin enerji ihtiyacı Güç Kontrol Sistemi üzerinden sağlanacaktır. Güç Kontrol Sistemi; hava aracı üzerindeki tüm sistemler aktif halde iken hava aracının 20dk havada kalabilmesine yetecek kapasitede 9000 mah 3S Lion Batarya, batarya üzerinden gelen enerjiyi hava aracı üzerinde bulunan diğer donanımlara (uçuş kontrol kartı, motor, görev bilgisayarı vb.), bu donanımların ihtiyaç doğrultusunda 3.3V, 5V ve 12V değerlerinde dağıtımını sağlayan F180057/8 Güç Dağıtım Kartı ve acil durumda sistemlere giden tüm gücü kesmek için kullanılacak olan Acil Durum Anahtarı ndan oluşmaktadır. 9 S a y f a

10 Şekil 7. F180057/8 Güç Dağıtım Kartı Şekil 8. Acil Durum Durdurma Butonu Şekil mAh 12V Lion Batarya İHA ÜZERİNDEKİ DONANIMLARIN ENERJİ İHTİYAÇLARI Pixhawk Cube Orange Nvidia Jatson 4GB V5 915 Mhz Telemetri Modulü Alfa Awus036NHA USB Wifi Adaptör Emax ES08MA 2 Servo Motor (4 Adet) Raspberry Pi HQ Kamera SunnySky X Series V3 X2820 Motor Şekil 10. Malzeme ve Bütçe Planlaması *Güç hesaplamaları 20dk lık uçuş süresi baz alınarak yapılmıştır. 934 ma 1334 ma 34 ma 42 ma 67 ma 400 ma 5 ma ma Toplam : 7640 ma Hava aracı üzerinde kullanılacak olan sistemlerin 20 dk lik bir uçuş sırasında maksimum performansta harcadığı enerji değerleri Tablo 5 de gösterilmiştir. Tabloda yer alan değerler göz önüne alındığı zaman 7500 mah dan daha yüksek kapasiteli 3S (11.1V) bir batarya ihtiyacımız doğmuştur. Kullanmış olduğumuz Mini Talon Model hava aracı maksimum 2kg ağırlığı kaldırabilecek dayanıklılıkta olduğu için boş ağırlık ve batarya harici tam sistem ağırlığı 1300 gram civarındadır. Bu durum da maksimum 700 gram ağırlığında bir batarya kullanabilmemize imkân vermektedir. Kullanabileceğimiz batarya çeşitleri arasında yapmış olduğumuz kapasite-gramaj karşılaştırması doğrultusunda Lityum İyon batarya kullanımının bizim için daha uygun olduğuna karar verilmiştir. Karşılaştırılması yapılan Li-ion ve Li-po bataryalar Şekil 11. de gösterilmiştir. Batarya Modeli Batarya Kapasitesi Batarya Karşılaştırması Batarya Ağırlığı Batarya Boyutu Batarya Fiyatı Lityum Polimer mah 923 gram 177x65x TL Lityum İyon mah 600 gram 170x70x TL Şekil 11. Batarya Karşılaştırması 10 S a y f a

11 Görüntü Aktarım Sistemi İHA mız ile yer kontrol istasyonumuz arasında anlık görüntü aktarımı için Wifi tabanlı TCP/IP şifreli haberleşme protokolü kullanılacaktır. Nvidia Jatson Nano görev kontrol bilgisayarına bağlı kamera üzerinden gelen görüntü yine görev kontrol bilgisayarına bağlı Wifi adaptör yardımı ile yer istasyonuna anlık olarak gönderilecektir. Görüntü aktarımı için hava aracımız üzerinde kullanılacak olan donanım; 5 Dbi antene sahip Alfa Awus036NHA 2.4Ghz USB Wifi adaptördür. Yer kontrol istasyonunda kullanılacak olan donanımlar ise, Alfa Tube2H 2,4Ghz dış ortam Wifi adaptör ve bu Wifi adaptörüne doğrudan bağlana bilen U-type konektöre sahip yüksek kazançlı TL-ANT2424B 2.4Ghz 24 Dbi Parabolik Grid Anten şeklindedir. Kullanılmasına karar verilen Alfa Awus036NHA ve Alfa Tube2H Wifi adaptörler hem İHA mız üzerinde bulunan Nvidia Jatson Nano görev kontrol bilgisayarımız ile hem de yer kontrol istasyonumuzda ki Windows işletim sistemine sahip bilgisayarımız ile doğrudan uyumludur. Şekil 12. Alfa Awus036NHA USB Wifi Adaptör Şekil 13. Alfa Tube2H Wifi Adaptör Şekil 14. TL-ANT2424B 2.4 Ghz 24Dbi Grid Anten Sistemde kullanılmasına karar verilen Alfa Awus036NHA ve Alfa Tube2H Wifi adaptörleri Atheros Chipset ine sahiptirler. Atheros Chipset i, muadilleri olan Ralink ve Realtek Chipset lerine kıyasla daha düşük menzile sahip olsa da veri aktarımı konusunda çok daha stabil bir chipsetdir. Müsabaka sırasında ortalama 1km lik bir mesafeden anlık olarak görüntü aktarımını sağlayabilmemiz için Atheros chipsetin menzil dezavantajı, yer kontrol istasyonunda kullanılacak yüksek kazanımlı TL-ANT2424B 2.4Ghz 24 Dbi Parabolik Grid Anten sayesinde çözülmüştür. Yapılan Wifi veri aktarım testleri sonucunda, ortalama 1 km mesafe içerisinde 25 Mgb/s hızında Wifi tabanlı veri bağlantısı kurulabilmektedir. Karşılaştırılması yapılan USB Wifi Adaptörler Şekil 15. de paylaşılmıştır. 11 S a y f a

12 USB Wifi Adaptör Karşılaştırma Tablosu MARKA/MODEL Chipset Menzil Stabilite Alfa Network Awus036NHA Alfa Network Awus036N Alfa Network Awus036NH Alfa Network Tube2H Atheros 9271 Realtek RTL8187L Ralink RT3070 Atheros 9331 Orta Çok Yüksek Veri Aktarım Hızı Anten Besleme Gücü Anten Konnektörü Çok Yüksek 1000 mw SMA Yüksek Yüksek Yüksek 500 mw SMA Çok Yüksek Yüksek Düşük Orta 1000 mw SMA Çok Yüksek Şekil 15. USB Wifi Adaptör Karşılaştırma Tablosu Yer Kontrol İstasyonu Yüksek 1000 mw N-Type Yer kontrol istasyonu, müsabaka sırasında hava aracından gelen telemetri verileri ve kamera görüntülerinin toplandığı toplanan bu verilerin yarışma sunucusuna aktarımının sağlandığı bir sistemdir. Yer kontrol istasyonu bünyesinde, Windows işletim sistemine sahip bir bilgisayar bu bilgisayara bağlı dış ortam Wifi adaptör ve anteni (Alfa Tube2H), İHA dan telemetri verilerinin çekilmesi için gerekli telemetri modülünden oluşmaktadır. Tüm yer kontrol istasyonu için olası elektrik kesintisinde müsabakanın sekteye uğramaması için mah kapasiteli Lipo batarya güç kaynağı görevi görecektir. Yer kontrol istasyonumuzun sistem şeması Şekil 16 de paylaşılmıştır. Şekil 16. Yer Kontrol İstasyonu Sistem Şeması 12 S a y f a

13 Takip Anteni Sistemi Müsabaka sırasında hava aracımız ile yer kontrol istasyonumuz arasında görüntü ve telemetri verilerinin daha sağlıklı bir şekilde aktarılması için takip anteni sistemi kullanılacaktır. Takip anteni sistemi; Wifi ve telemetri antenlerinin İHA ya doğru otonom bir şekilde yönlendirilmesini sağlayan bir sistemdir. Hava aracımız üzerindeki uçuş kontrol sisteminden yer istasyonuna telemetri modülü ile aktarılan anlık konum ve yükseklik verileri, takip anteni üzerindeki harici Adafruit Breakout GPS modülünden gelen konum verileri ile Arduino Mega mini görev bilgisayarı üzerinde karşılaştırılmaktadır. Yapılan bu konum ve yükseklik karşılaştırmaları sonucunda takip anteni sisteminde bulunan 2 adet step motor yardımı ile antenlerin X-Y ve X-Z koordinat sistemlerinde hareketi sağlanmaktadır. Takip anteni sisteminin çalışma algoritması Şekil 18 de gösterilmiştir. Takip anteni sistemi, antenler, 4 eksen hareketli mekanizma, bu mekanizmayı hareket ettirecek 2 adet step motor, mini görev bilgisayarı, batarya ve bir tripod tan oluşmaktadır. Mini görev bilgisayarı olarak Arduino Mega tercih edilmiştir. Toplam sistem ağırlığı 3kg olduğu için step motor seçimimiz ağırlık parametresine göre yapılmış ve NEMA Adım 12V Step Motor ve bu step motorları sürebilecek kapasitede 2 adet A4988 Step Motor Sürücü Kartı tercih edilmiştir. Takip anteni sisteminin doğru bir şekilde çalışabilmesi için gerekli olan GPS konumunu elde etmek için sistem üzerinde Adafruit Breakout v3 GPS Modulü kullanılacaktır. Tüm takip anteni sisteminin güç ihtiyacı 2300mah Lipo batarya üzerinden sağlanacak olup sistem içerisinde ki güç dağılımı Matek PDB XT60 Mini Güç Dağıtım Kartı üzerinden yapılacaktır. Şekil 17. Takip Anteni Sistem Şeması 13 S a y f a

14 Şekil 18. Takip Anteni Sistemi Algoritma Şeması 3.3. Hava Aracı Performans Özeti Hava aracımızda bulunan Sunny-Sky X KV motorumuzun APC 10*5 pervane ile uçuşu sırasındaki optimum değerlere göre yaptığımız itki analizi sonuçları ve kullandığımız motorun DataSheet i aşağıda gösterilmiştir. Şekil 19. Sunny-Sky X KV Motorun Optimum Değerlere Göre İtki Analizi Şekil 20. Sunny-Sky X KV Motor Datasheet'i 14 S a y f a

15 Yapılan analizin ardından elde edilen verilere göre hava aracımızın hızı 66 km/h e kadar çıkabilmektedir. Ayrıca CL vs Hücüm açısı grafiklerini kullanarak yaptığımız analizde uçağımızın tam ağırlıkta seyir hızının (Deniz Seviyesinde) 55 km/h olduğunu saptadık. Uçağımız aerodinamik yapısı gereği 65 km/h hızında belirli bir hücum açısının üzerinde stall a girmekte. Analizlere göre optimum seyir halinde uçağımızın uçuş süresinin 17.8 dakika ve güç tüketiminin 179 Wat olduğu saptandı. Diğer yandan bu 18 dakikalık optimum seyir sürecinde motor sıcaklığı 29 dereceye ulaşmaktadır. Şekil 21. Uçağın Aerodinamik ve Merkez Noktası Hava aracımız için Crank Y airfoilini tercih ettik. Bunun nedeni ise düşük hızlardaki yüksek stall marjınındı olmasıdır. Ayrıca müsabaka sırasındaki uçuşumuzda, istediğimiz karakteristik özellikleri bu airfoili kullanarak yakalayabiliriz. Grafiğe bakarak anlayabileceğimiz üzere maksimum hücum açısı 13 derecedir. Bu hücum açısında Cl değerimiz 1.40 dır. Ayrıca negatif stall açımız -7 olmakla birlikte stall a girdiğimiz anda uçağın kontrolünü kaybedeceğimizden dolayı bu hücum açılarından kaçınmalıyız. Seyir Hızı Maximum Hız Stall Açısı Hava Aracı Performans Özellikleri 50 KM/H 65 KM/H 13 (pozitif) / -7 (negatif) Şekil 22. Hava Aracı Performans Özellikleri 15 S a y f a

16 3.4. Hava Aracının Üç Boyutlu Tasarımı 1280 mm kanat açıklığı - 810mm gövde uzunluğu Hava Aracının Dıştan Görünümü 16 S a y f a

17 3.5. Hava Aracı Ağırlık Dağılımı Parça numarası Parça ismi Ağırlığı 1 RASBERRY Pİ HQ KAMERA+LENS 85 gr 2 NVIDIA Jetson 136 gr 3 HERE 3 GPS 48 gr 4 WİFİ ADAPTÖR 40 gr 5 Li-İon 3s 9000mAh BATARYA 600 gr 6 KUMANDA ALICI 10 gr 7 PİXHAWK CUBE ORANGE 75 gr 8 TELEMETRİ 35 gr 9 SİGORTA 15 gr 10 EMAX SERVO MOTOR 20 gr 11 SUNNYSKY X2820 MOTOR 145 gr Uçuş kontrol kartı, IMU nun sağlıklı ölçümler alabilmesi için ağırlık merkezine koyulmuştur. GNSS modülü daha çok verim elde etmek amacıyla köpük dışına yerleştirilmiştir. Bunun yanında kumanda alıcısı ve telemetri sistemi gürültüden etkilenmemesi için uçağın üst kısmına yerleştirilmiştir. Kumanda alıcısının antenleri maksimum verimi sağlamak için 90 derecelik açıyla yerleştirilmiştir. Batarya uçağın ağırlık noktasına göre konumunda değişiklik yapılabilecek şekilde takıp çıkartılabilmesi istenmiştir. Bunun için bataryadan biraz daha uzun cırt bant kullanılarak geniş bir batarya bölgesi yapılmıştır. Elektronik ekipmanların ağırlıkları hesaplanarak uygun yerlere konumlandırılmış ve ağırlık merkezi ortalanmıştır. 4. OTONOM KİLİTLENME (15 PUAN) İHA mızı eğittikten sonra, object tracking için bir takım algoritmalar üzerinde çalışıldı. Yapılan araştırmalar sonucunda, FPS si yüksek tutmak amacı ile YOLOv4 üzerinde çalışmaya karar verilmiştir. YOLO,CNN e dayanan eşzamanlı object detection sistemidir. Bu sistem ile İHA ları tespit ettikten sonra, object tracking üzerine çalışmalara başladık. Object tracking, takip edilen nesnenin (İHA), hızı sabit olmayacağı için ve aynı anda birden fazla iha görüş alanına girebileceği için biraz zorlu bir süreç. Birden fazla İHA görüş alanına gireceği için ID ataması yapılması gerekiyor. Söz konusu problemleri çözmek için en iyi yolun Kalman Filter kullanmak olduğuna karar verilmiştir. Kalman Filtresi recursive olarak çalışır ve model tahmini gerçek değerle karşılaştırılır. Aradaki fark kalman kazancı olur ve tekrar propagate edilir. 17 S a y f a

18 Görüntü İşleme Filtresi Ekibimiz bu yarışmada object tracking için Kalman Filtresini temel alan Deep Sort algoritmasını kullanmaya karar vermiştir.object detectiondan, detectionsları alıyoruz ve Kalman Filtresi ile takibi sağlıyoruz. Hedef Tesbit Algoritma Şeması 18 S a y f a

19 5. HABERLEŞME 5.1. Telemetri Haberleşmesi Hava aracımızın Telemetri verilerini yer istasyonuna aktarabilmemiz için, uzak mesafelerde de (yaklaşık 5 km) etkin bir biçimde kullanılabilen ve İHA mızda bulunan Pixhawk Cube Orange uçuş kontrol kartımızla uyumlu olarak çalışabilen ve aktarım hızı ve band genişliği ayarlanabilen V5 radyo telemetri kiti tercih edilmiştir. Tercih edilen telemetri kiti 915 Mhz verici frekansına sahiptir. Şekil 23 - V5 Radyo Telemetrisi Telemetri verileri, yarışma için hazırlanan haberleşme dokümanın isterlerine uygun biçimde hazırlanacaktır. Telemetri paketindeki veriler: takım numarası, İHA nın enlem ve boylam verileri, irtifası, dikilme açısı, yönelim açısı, yatış açısı, yer hızı, batarya doluluk oranı, otonom uçuş modunda olup olmadığı, kilitlenme modunda olup olmadığı gibi bilgileri içermesinin yanı sıra aracın takip etmeye çalıştığı hedefin görüntüdeki konumunun yatay ve dikey bileşenlerine, hedef alanının genişliği ve yüksekliğine ve GPS verisinin saat bilgisine dair verileri de içermektedir. Telemetri paketindeki tüm veriler, haberleşme dokümanında belirtilen birimlere uygun olarak hazırlanarak yarışma sunucusuna API üzerinden JSON formatında aktarılacaktır. İHA nın durumunu belirten veriler saniyede en az 1 Hz olacak şekilde sunucuya gönderilecektir Wifi Haberleşmesi Müsabaka sırasında hava aracımızdaki kamera görüntüleri yer istasyonuna anlık olarak 2.Ghz frekans bandında Wifi haberleşmesi ile gönderilecektir. Python Socket kütüphanesini kullarak geliştirdiğimiz görüntü ve veri aktarım yazılımımız sayesinde hava aracı üzerindeki Nvidia Jatson Nano görev bilgisayarımıza bağlı Alfa Awus036NHA USB Wifi adaptörü ile yer istasyonumuzda bulunan Alfa Tube2H Wifi adaptörleri arasında bir veri linki kurulmuştur. Bu veri linki üzerinden hava aracımızdaki kamera görüntüleri anlık olarak yer istasyonuna TCP/IP haberleşme protokolünü kullanarak şifreli (WPA2) olarak aktarılacaktır. Veri linki sistemimiz 24Dbi yüksek kazanımlı grid anten kullanımıyla 720p (1280x720) çözünürlükte bir görüntüyü 30 FPS de 1 km lik menzilde 500 kbt/s veri iletim hızı ile anlık olarak aktarabilmektedir. Diğer yandan geliştirmiş olduğumuz veri linki, tam dublex özelliğe sahip olduğu için İHA mızdan yer kontrol istasyonuna anlık olarak görüntü aktarımı sağlanırken aynı anda yarışma sunucusu üzerinden yer kontrol istasyonu bilgisayarımıza çekilen rakip İHA telemetri verileri yine bu veri linki üzerinden hava aracımızda ki Nvidia Jatson Nano görev kontrol bilgisayarımıza aktarılacaktır. 19 S a y f a

20 5.3. RC Haberleşmesi Müsabaka sırasında acil durumlarda hava aracına gerekli manuel müdahalenin yapılması, otonom moda geçme, otonom iniş, otonom kalkış gibi uçuş modlarının pilot tarafından atanabilmesi için Radiolink AT9SPRO 12 kanal destekli radyo kumanda ve hem bu kumanda ile hem de Pixhawk Cube Orange uçuş kontrol kartımız ile uyumlu Radiolink R9DS alıcı tercih edilmiştir. 6. KULLANICI ARAYÜZÜ TASARIMI Yer kontrol istasyonumuzda, görev kontrol sistemi olarak Ardupilot ile uyumlu olan Mission Planner sistemi kullanılacaktır. Wifi-Link ile geliştirdiğimiz Python tabanlı yazılımımız üzerinden yer istasyonumuza anlık olarak aktarılacak kamera görüntüsü, Mission Planner görev arayüzüne doğrudan çekilebilmektedir. Mission Planner arayüzünde Şekil 5 de göründüğü üzere hedef tespiti için görüntü işleme yapılmış kamera görüntüsü yansıtılacaktır. Kamera görüntüsü ile birlikte yarışma şartnamesinde belirtilen gerekli tüm telemetri verilerinin Mission Planner arayüzü üzerinden anlık takibi ve sistem üzerinden kaydı yapılabilecektir. Şekil 24. Görev Kontrol Arayüzü Tasarımı 1. Hava hızı (Hava hızı sensörü takılı değilse yer hızı) 10. Pil durumu 2. Rotadan kaçma hatası ve dönüş hızı (T) 11. Yapay ufuk 3. İstikamet yönü 12. Hava aracının duruşu (yataya göre açılı) 4. Yatış açısı 13. GPS durumu 5. Telemetri bağlantı bağlantı kalitesi 14. Belirlenen konuma uzaklık > mevcut konum 6. GPS zamanı 15. Mevcut uçuş modu 7. İrtifa (mavi çubuk tırmanma oranıdır) 16. Enlem 8. Hava hızı 17. Boylam 9. Yer hızı 18. İrtifa 20 S a y f a

21 7. HAVA ARACI ENTEGRASYONU (10 PUAN) 7.1. Yapısal Entegrasyon Hava aracında kullanılan yapısal malzemeler üretilebilirlik, rahat şekilde taşınabilirlik, sağlamlık ve hava aracının iniş, kalkış ve seyir anında araca etki eden hava dirençlerine karşı oluşturduğu etkiler göze önüne alınarak seçilmiştir. Şekil 25. Hava Aracının Birleştirilmemiş Hali Hava aracımızın imalatında 5 farklı yapısal malzeme kullanılmıştır. Bu malzemeler sırası ile; 1) Epo Strafor Köpük 2) Karbon Fiber Çubuk 3) Kontaplak Tahta 4) Plastik 5) PLA şeklindedir. Kanatlar Hava aracının kanatları hafifliğinden ve dayanıklılığından dolayı EPO strafordan yapılıştır, En fazla momentumun uygulandığı yerlerden biri olan kanat ile gövde birleşme yerlerine karbon fiber çubuk olan spar sabitledik. Bu sayede hava aracında uçuş sırasında kanatların üzerinde binecek olan yüklenmeleri engellemiş olduk. Şekil 26.Kanatlar Üzeride Yaptığımız Bükülme Analizi 21 S a y f a

22 İniş takımı Elden fırlatmalı olan uçağımızın iniş sırasında maruz kalacağı etkiden ve gövdenin alt kısmında oluşacak olan sürtünmeden dolayı hava aracının arka iniş tekerinin yerine kontrplak tahta kullandık. Hafif ve darbeler karşı dayanıklı olduğunda dolayı tercih edilmiştir. Gövde Şekil 27. Aracın İniş Takımlarının Önden Görünümü Gövde için epo köpük kullanıldı ve gövde içinin darbelere karşı dayanıklı olabilmesi için kontrplak tahta ve karbon çubuklar ile mukavemeti artırıldı Mekanik Entegrasyon Şekil 28.Aracın Gövdesinin İç Kısmı 22 S a y f a

23 Parça numarası Parça ismi 1 RASBERRY Pİ HQ KAMERA+LENS 2 NVIDIA Jatson Nano 3 HERE 3 GPS 4 WİFİ ADAPTÖR 5 Li-İon 3s 9000mAh BATARYA 6 KUMANDA ALICI 7 PİXHAWK CUBE ORANGE 8 TELEMETRİ 9 SİGORTA 10 EMAX SERVO MOTOR 11 SUNNYSKY X2820 MOTOR Hava aracı üzerinde sırası ile bulunan ekipmanlar yukarda verilen tabloda gösterilmiştir. Kamera gövde üzerinde kontra Plak ile tasarladığımız kamera yatağının üzerine sabitlenmiştir. Gövdenin içinde kanat merkez noktası referans alınarak en başta uçuş bilgisayarı olan yer almaktadır. Hemen sonrasında gövde içinde bulunan elektronik ekipmanların sinyallerinden etkilenmemesi için gps hava aracının üst yüzeyinde yer almaktadır. GPS in hemen sonrasında ALFA Wife anten yer almaktadır. Uçağın en ağır ekipmanı olan batarya kanadın hemen altında uçağın merkez noktasına bağlı olarak konumlanmaktadır. Uçağın batarya sonrasında ise sırası ile kumanda alıcı,pixhawk cube ve uçağın üst yüzeyinde telemetri ve sigorta yer almaktadır. Arka Kuyruk kısmında 2 adet servo ve itki gücünün yaratan ana motor yer almaktadır 23 S a y f a

24 7.3. Elektronik Entegrasyon Hava aracımız üzerinde kullanılacak olan elektronik sistemlerin kablolama şekli aşağıda paylaşılmıştır. Pandemi nedeni ile bazı malzemelerin teminini halen gerçekleştiremediğimizden dolayı paylaşılmış görselde eksik ve/veya farklı donanım/ekipman kullanılmış olabilir. 8. TEST VE SİMÜLASYON (15 PUAN) 8.1. Alt Sistem Testleri Kanat Yüklenme Testi Hava aracımızın her türlü optimum koşullarda kanatları üzerinde oluşan yüklere karşı kanatların gövde üzerinde oluşturduğu maksimum değerler hesaplanacaktır Motor İtki Testi Motorun maksimum ve minimum değerlerde uçağa verdiği itki kuvvetinin testi yapılarak motorun verimliliği ölçülecek bunun sayesinde hava aracının güç tüketimi kontrol altına alınabilecek. 24 S a y f a

25 8.1.3 Radio kontrol PWM Gecikme Testi Yarışma sırasında kuman tarafından verilen komutun hava aracında en hızlı tepkiyi verilebilmesi için PWM sinyallerinin farklı uzaklıklarda test edilmesi için radyo kontrol testi yapılacaktır Uçuş Testi ve Uçuş Kontrol Listesi Pandemi koşulları nedeni ile ekip olarak birlikte çalışma imkânı çok fazla bulamadık. O sebepten ötürü çalışmalarımız planlamalarımızdan çok daha yavaş ilerlemekte. Bu sebepten ötürü şuana kadar hiç uçuş testi gerçekleştiremedik. Gerçekleştireceğimiz her uçuştan önce 3 defa aşağıda paylaşılmış olan uçuş kontrol listemizde bulunan komutları tekrarlayıp uçuş öncesi ve sonrası emniyetin sağlanması hedefliyoruz. Uçuş Pistinin gerekli iniş ve kalkış koşularına uygun olduğu test edilir 1) Pervaneleri kondisyonun, bağlantıları kontrolü 2) Uçak gövdesi üzerinde bulunan parçaların sağlamlığı ve vidaların durumu kontrolü 3) Kumanda çalıştıralarak aeleron,rudder ve elevator kanatçıklarının hareketleri sağlanmalı bu sayede uçağın trim ayarları ve kumanda test edilmesi 4) İnsansız hava aracı üzerinde bulunun fpv kamera ve stereo kamera kontrolü 5) İniş takımı kondisyonunun kontrolü 6) Hava aracı bataryasının doluluk durumu kontrolü 7) Uçakta bulunan elektronik ekipmanın bağlantı noktalarının kontrolü 8) Mission planner da Telemetri modülünden gelen IMU,GPS ve COMPASS verilerinin anlık akışının kontrolü 9) Acil durum butonunun kontrolü 25 S a y f a

26 9. GÜVENLİK Yaptığımız uçuş testleri sırasında kazandığımız deneyimlere göre, uçuş kontrol listemizdeki her bir maddenin özenle ve dikkatle uygulanması sonucunda maximum güvenlik seviyesine çıkmaktayız. Test sahasında veya yarışma alanında karşılaşılacak en büyük sorunlardan biri olan batarya patlaması veya zarar görmesi sorununu, LiPo piller için üretilmiş özel saklama çantasının içinde muhafaza ederek çözüyoruz. Uçuş sırasında başımıza gelebilecek en büyük sorun olan alıcı ile uçağın bağlantısının kopması sorunu fail-safe moduna geçilerek çözülecektir. Yapılan kablolamalarda her kablo kullanılan sistemin orijinal kablosu olduğundan dolayı herhangi bir kısa devre veya akım sorunu oluşmayacaktır. İHA nın yol açabileceği yaralanmalara karşı alanda ilk yardım çantası bulundurulacaktır 10. REFERANSLAR - Ananda Rafi Rijalul Awwal,2020, Estimasi Gaya Dorong Dari Motor Brushless Dengan Variasi Propeller Untuk Pesawat Model X-UAV Mini Talon Dengan Menggunakan Pengukur Massa,Jurnal Teknologi Kedirgantaraan - Sharifi-Tehrani O.Sabahi M. F.Danaee M. R., 2020, GNSS jamming detection of UAV ground control station using random matrix theory, ICT Express - Jin H.Liu Y.Mu X.Ma M.Zhang J., 2019, Usability evaluation and improvement of mission planner UAV ground control system's interface, International Journal of Performability Engineering 26 S a y f a