Dört Çubuk Mekanizması Kullanarak Mikro Hava Aracı İçin Kanat Mekanizması Tasarımı

Transkript

1 Uusararası Katıımı 7. Makina Teorisi Sempoumu, İmir, 4-7 Hairan 5 Dört Çubuk Mekaniması Kuanarak Mikro Hava Aracı İçin Kanat Mekaniması Tasarımı A. İşbitirici * E. Atuğ İTÜ İTÜ İstanbu İstanbu Öet Kuşarın ve böcekerin dinamik apısı, manevra kabiieti, sürati ve çevikiği kanat çırparak uçan mikro hava araçarı üerine apıan araştırmaarın her geçen gün artmasına sebep omaktadır. Bu çaışmada, 6 serbestik derecesine sahip oan, kanat çırpan dört kanatı mikro hava aracı için ugun kanat mekaniması tasaranmıştır. Kanat mekaniması oarak dört çubuk mekaniması tercih edimiştir. Motorun dönme hareketinden kanat çırpma hareketi ede etmek için en kısa uuv sabit uva mafsaa bağanmış ve ko sarkaç mekaniması kuanımıştır. Kanat çırpma araığı öü konum sentei ie beirenmiştir. Kanat çırpma araığıakanadın kadırma kuvveti doğru orantıı oduğundan kanat çırpma araığı mümkün oduğunca faa seçimee çaışımıştır. Giriş uvuna uguanan torku çıkış uvuna maksimum seviede aktarabimek için bağama açısı optimiasonu apımıştır. Optimiason apıırken kanat çırpma araığı ie öü konumar arasındaki açı verierek bağama açısının 9 o e göre sapmasının minimum oması için gereken uuv boutarının birbirine oranı hesapanmıştır. Kanat boutarı kadırma kuvveti dikkate aınarak beirenmiştir. Anahtar keimeer: dört çubuk mekaniması, mikro hava aracı, usufçuk Abstract Speed, agiit, maneuverabiit and dnamic structure of birds and insects increase the research on micro aeria vehices with fapping wings.in this paper, wing mechanism is designed for a micro aeria vehice that has si degree of freedom with four fapping wings. Four-bar mechanism is preferred as wing mechanism. In order to obtain fapping motion from rotation of the motor,a crank rocker mechanism is used b connecting the shortest ink to the fied ink. Fapping range is determined b obtaining dead-center positions. Fapping range which is equa to swing ange is chosen as arge as possibe since it is reated to theift force. Optimiation of transmission ange is made in order to transmit torque from the input ink to the output ink with a minimum oss. The ratio of engths of the inks are computed b deciding swing ange and ange between dead center positions. Whie computing the ratio of engths of the inks, deviation of transmission ange from 9 o is attempted to be adjusted to a minimum eve. Fina, dimensions of the wings are determined with respect to the ift force. Kewords: four-bar mechanism, micro aeria vehice, dragonf I.Giriş İnsansı hava araçarının (İHA askeri ve sivi aanda kuanımı gün geçtikçe artmaktadır. Bu araçar öeike insan haatı için tehikei oan durumarda vea insanarın doğrudan müdahaesinin imkansı oduğu durumarda kuanımaktadır. Mikro hava araçarı insansı hava araçarının bir sınıfını ouşturmaktadır. Mikro hava araçarı öeike arama kurtarma, uaktan istihbarat, göeteme ve keşif amaçı kuanımaktadır. Bu araçarın tasarımında doğadaki canıardan iham aınmaktadır. Mikro hava araçarı sabit kanatı, döner kanatı ve kanat çırparak uçan araçar omak üere gene oarak üç başıkta inceenebiir. Aracın boutarı küçüdükçe kanat apısına bağı oarak Renods saısı düşmektedir. Böece sabit kanatı ve döner kanatı mikro hava araçarının aerodinamik verimiiği aamaktadır. [] Kuşarın ve böcekerin dinamik apısı, manevra kabiieti, sürati ve çevikiği kanat çırparak uçan mikro hava araçarı üerine apıan araştırmaarın her geçen gün artmasına sebep omaktadır. MicroBat Catech te, Mentor Toronto Üniversitesi nde, Def Deft Teknik Üniversitesi nde, Hummingbird Aerovironment te Dragonf GeorgiaTech te üretimiştir.[] Son oarak Festo firması Smartbird ve BionicOpter i üretmiştir. Bu çaışmada, 6 serbestik derecesine sahip oan dört kanatı, kanat çırparak uçan mikro hava aracı tasaramaa çaışımıştır. Her kanat için arı tahrik eemanı kuanımıştır. Dört çubuk mekaniması kuanıarak motorun dönme hareketinden kanat çırpma hareketi ede edimiştir. Dört çubuk mekaniması, bu işev için gereken aktarma oranının sağanabieceği bir mekanima omasından doaı tercih edimiştir. Diğer mekanimaara göre üretiminin daha koa oması ve sürtünmeden kanakanan enerji kabının daha a oması da dört çubuk mekanimasının seçimesinde önemi ro onamıştır. II. Aerodinamik Kanat çırparak uçan mikro hava araçarının * aisbitir@metu.edu.tr atuger@itu.edu.tr

2 Uusararası Katıımı 7. Makina Teorisi Sempoumu, İmir, 4-7 Hairan 5 aerodinamiği sabit kanatı hava araçarının aerodinamiği ie açıkanama. Ancak, kadırma kuvvetini akaşık oarak hesapaabimek için kadırma kuvveti sabiti ataarak bu denkemer kuanıabiir. [] boutu kanat teorisine göre kadırma kuvveti (L f ; kadırma kuvveti sabiti (c L, hava oğunuğu (ρ, kanat aanı (A, kanat çırpma hıı (v kuanıarak hesapanabiir. Lf cl Av Kanadın genişiği (b kanadın uunuğuna ( bağı oarak değişiorsa, kanat çırpma hıı amana bağı oarak değişen açısa hı (ω ie gösteriirse Lf ( t cl ( t b( d Kanadın şeki dikdörtgen oarak seçiirse kadırma kuvveti denkem ( kuanıarak buunabiir.[4] Lf ( t cl ( t b III. Kanat Mekaniması Farkı maemeer kuanıarak kanat mekaniması üretimiştir. Basa daha hafif omasına rağmen daha daanıkı oduğu için mekanima üretiminde derin ve tercih edimiştir. Mikro hava aracı için kuanıacak oan kanat mekaniması Şeki de gösterimiştir. Kanat için karbon çubuk kuanımasına karar verimiştir. ( ( ( A. Konum,hı ve ivme anaii θ μ Şeki. Dört çubuk mekaniması Kanat mekaniması için krank açısı (θ verierek konum anaii apımıştır. Krank uunuğu (, bie uunuğu (, sarkaç uunuğu ( 4 ve kanat uunuğu ( 5 Şeki de gösterimiştir. Haka kapanış denkemi aşağıdaki şekide aıarak biein ve sarkacın açısı buunmuştur. Denkemer ede ediirken Mekanima kitabından fadaanımıştır. [5] i i i e e 4 e 4 (4 Sarkacın açısı buunduktan sonra kanadın uç noktasının poisonu buunmuştur. Haka kapanış denkeminin türevi aınarak hı anaii, tekrar türevi aınarak ivme anaii apımıştır. Hı anaii için krank açısa hıı (ω, ivme anaii için de krank açısa ivmesi (α verimiştir. Böece biein açısa hıı (ω, açısa ivmesi (α ve sarkacın açısa hıı (ω 4 ve açısa ivmesi (α 4 ede edimiştir. 5 θ 4 θ 4 g Şeki. Kanat mekaniması Tork ihtiacı açıa bağı oarak değiştiğinden önceike krankın voan şekinde kuanıması düşünümüştür. Krankın, diske göre daha hafif oması sebebie jant şekinde tasarımı düşünümüştür. Ancak hava aracının üretiminde ağırık ve boutar odukça önemi oduğundan krankın voan şekinde kuanımından vageçimiştir. sin -4 sin - 4 sin - 4 sin cos - sin sin -4 cos -4 4 cos - sin - sin - 44 cos (5 (6 (7 (8

3 Uusararası Katıımı 7. Makina Teorisi Sempoumu, İmir, 4-7 Hairan 5 Bie ve sarkacın açısa hı ve ivmesi buunduktan sonra uuvarın ağırık merkeerinin konumarı hesapanmıştır. Türev aınarak doğrusa hı ve ivme değereri ede edimiştir. Ağırık merkei oarak uuvarın orta noktası aınarak uuvarın ve önündeki ivmeeri buunmuştur. Krank, bie ve sarkacın ve önündeki ivmeeri aşağıdaki denkemere hesapanmıştır. a ( cos sin a ( sin cos a a ( cos sin ( cos sin ( sin cos ( sin cos 4 5 a4 ( 4 cos44 sin a4 ( 4 sin44 cos 4 B. Öü konum sentei (9 ( ( ( ( (4 ie kanat çırpma araığı beirenmektedir. Kanat çırpma araığı ie kanadın kadırma kuvveti doğru orantıı oarak değiştiğinden saınım açısı mümkün oduğunca faa seçimee çaışımıştır. Ancak saınım açısı arttıkça tork ihtiacı da artmaktadır. Dört çubuk mekaniması kuanıdığı için bu açının 9 o i geçmemesine karar verimiştir. Eğer kanat çırpma açısı 9 o den faa oacaksa 6 uuvu mekanimaar kuanıabiir. Kanadın ukarıdan aşağıa hareketi ie aşağıdan ukarıa hareketinin süresi eşit tutumaa çaışımıştır. Bunun için kanadın iki öü konum arasındaki hareketi esnasında krankın 8 o dönmesi gerekmektedir. Mekanimanın açık öü konum ve kapaı öü konum haka kapanış denkemeri denkem (5 ve denkem (6 da gösterimiştir. i i i e e e 4 (5 e e e i( i( i( 4 (6 C. Bağama açısı optimiasonu Giriş uvuna uguanan torkun çıkış uvuna maksimum seviede aktarımı için bağama açısı (μ statik kuvvet anaiinde büük önem taşımaktadır. Dinamik kuvveterin statik kuvvetere orana çok faa oduğu durumarda bağama açısının etkisi bira aasa da bu çaışmada bağama açısı 9 o e akın tutumaa çaışımıştır. Bağama açısı o e akaştıkça giriş uvuna uguanan torkun önemi aamaktadır. Çünkü çıkış uvunda tork üretiememektedir.bağama açısı, uuvarın uunukarı ve krank açısı biiniorsa hesapanabiir. 5 cos( min /ma (7 Ø β ψ 4 ψ Mekanimanın ük atında çaışabimesi için maksimum sapma açısının ( ma 5 o den a oması gerekir. Maksimum sapma açısı denkem (8 de gösterimiştir. ma( 9, 9 (8 ma min ma Şeki. Mekanimanın öü konumarı Ko sarkaç mekanimasında sarkacın hıının oduğu konumar mekanimanın öü konumarıdır. Denkem (6 da krank ve bie anı doğru üerinde oduğunda sarkacın açısa hıının a eşit oduğu görümektedir. Şeki te görüdüğü gibi kanat, krank ve biein anı doğru üerinde oduğu bu iki konum arasında hareket edebimektedir. Bu iki konum arasında kanadın aptığı açıa saınım açısı (ψ denimektedir. Kanat çırpma araığısaınım açısına eşittir. Böece öü konum sentei Bunun için bağama açısı optimiasonu apımıştır. Optimiasonda ko sarkaç mekanimasının saınım açısı (kanat çırpma araığı ve krankın açık öü konumdan kapaı öü konuma geçtiği açı (Øverierek bağama açısının 9 o e göre sapmasının minimum seviede oması için gereken uuv boutarının birbirine oranı hesapanmıştır. ve isminde karmaşık saı denkem (9 ve ( de aııp öü konum haka kapanış denkemeri denkem ( ve ( te tekrar düenenmiştir.

4 Uusararası Katıımı 7. Makina Teorisi Sempoumu, İmir, 4-7 Hairan 5 e e i 4 i (9 ( ( tahmini ağırığının ¼ ü oranında kuvvet (F uguandığı düşünümüştür. Fi mi ai i 4,, (7 T J i 4,, (8 i i i F 4 ( ( i i e ( e ( Böece ve saınım açısı ve krankın öü konumarı arasındaki açı biiniorsa denkem (4 ve (5 kuanıarak hesapanabiir. i e i i i i ( e e ( e e i i ( e ( e i i i i ( e e ( e e (4 (5 Hesapamada biein uunuğunun krankın uunuğuna oranı (λ değiştirierek krank,bie ve sarkaç uunukarı sabit uva bağı oarak hesapanmıştır. 4 (6 Uuv boutarının birbirine oranı hesapandıktan sonra gereki oan kadırma kuvvetini beirtien frekansta ede edebiecek uuv boutarı beiremee çaışımıştır. Kanat uunuğu seçidikten sonra sarkaç uunuğuna karar verimiş böece krank,bie ve sabit uvun uunuğu buunmuştur. D. Dinamik kuvvet anaii Dinamik kuvvet anaii apıırken döner mafsaardaki sürtünme kuvveti ihma edimiştir. Arıca erçekimi ivmesi diğerivmeere orana odukça küçük oduğundan ihma edimiştir. Hesapamaar apıırken tahrik edien uvun ani krankın açısa hıının sabit oduğu düşünümüştür. Uuvarın ataet kuvvet ve momenteri denkem (7 ve (8 de gösterimiştir. Giriş uvunda ihtiaç duuan torkun akaşık oarak hesapanabimesi için her bir kanadın ortasından mikro hava aracının 4 F F T F F Şeki 4. Serbest cisim diagramı Serbest cisim diagramı Şeki 4 te gösterimiştir. Krank, bie ve sarkacın her biri için er adet denkem aıarak 9 biinmeeni 9 denkem ede ediir. Denkemer düenenerek biinmeener buunmuştur. Böece ihtiaç duuan tork değeri denkem (7 de ede edimiştir. Denkemer ede ediirken Prof. Dr. Eres Söeme in Makina Dinamiği kitabı referans aınmıştır [6]. F 4 F 4 F A A cos B cos sin sin F 4 B sin sin F (9 ( ( ( ( 4 (4 4 (5 (6 sin T CF cos F F 4 F 4 F 4 F 4 ( / F/sin(θ 4

5 Uusararası Katıımı 7. Makina Teorisi Sempoumu, İmir, 4-7 Hairan AT4 m4a4 sin F 5 ma 4 4 cos 4 ( 4 sin BT m a sin m a cos 4 CT m a sin m a cos IV. Sonuç ve Değerendirme (8 (9 (4 Kanat çırpma frekansı sabit tutuarak istenien kadırma kuvvetini ede etmek için ihtiaç duuan tork denkemi buunmuştur. İhtiaç duuan tork açıa bağı oarak değiştiğinden krankın 6 o dönüşü için tork değeri hesapanmıştır. Hesapama sonucunda mikro hava aracının havaanması için gereki oan kadırma kuvvetini sağaabiecek ugun motor buunamamıştır.kadırma kuvveti hesabı apıırken sarkacın açısa hıı, anı amanda kanadın açısa hıına eşit oduğu için denkem (6 da hesapananω 4 denkem ( te kuanımıştır. Optimiason sırasında diğer parametreer sabit tutuup biein uunuğunun krankın uunuğuna oranı değiştirierek uuv boutarı beirenmiş, böece λ nin torka etkisi göemenmiştir. Saınım açısı 6 o ve kanat çırpma frekansı H seçierek Şeki 5 teki grafik ede edimiştir.motorun bir tur dönüşü kanadın bir ke çırpımasına sebep omaktadır. Frekansın H oması için motorun hıı 6 dev/dk omaıdır. 4 5 dev/dk ise anı kadırma kuvvetini ede edebimek için λ, 4 ve 5 iken motorun hıı sırasıa 65 dev/dk, 6 dev/dk ve 6 dev/dkomaıdır. Tork (Nm Şeki 6. λ parametresinin torka etkisi (anı kadırma kuvvetinde Şeki 7 de λ=4 seçimiştir. Kanat çırpma frekansı H seçiip saınım açısı değiştirierek kanat çırpma araığının torka etkisi göemenmiştir. Tork (Nm θ ( o θ ( o Şeki 7. Saınım açısının torka etkisi (sabit frekansta Tork (Nm θ ( o Şeki 7 de saınım açısı arttıkça tork değerinin arttığı görümektedir. Fakat kanadın kadırma kuvveti kanat çırpma açısı ie doğru orantıı oarak arttığından saınım açısı çok düşük seçimemeidir Şeki 5. λ parametresinin torka etkisi (sabit frekansta Şeki 5 te λ arttıkça ihtiaç duuan tork miktarının düştüğü görümektedir. Fakat λ arttıkça tork değişikiğine oan etkisi aamaktadır. Arıca anı kanat çırpma frekansında λ arttıkça kadırma kuvveti bir miktar aamaktadır. Anı kadırma kuvvetini ede etmek için λ değiştiriirken kanat çırpma frekansı da bei oranda değiştirierek gereki oan tork miktararı ede edimiş ve Şeki 6 da gösterimiştir.λ e eşit iken motorun hıı 6 5 Tork (Nm θ ( o Şeki 8.Saınım açısının torka etkisi Anı kadırma kuvvetini ede etmek için saınım açısı değiştiriirken kanat çırpma frekansı da bei oranda

6 Uusararası Katıımı 7. Makina Teorisi Sempoumu, İmir, 4-7 Hairan 5 değiştirierek saınım açısının torka etkisi şeki-8 de tekrar ede edimiştir. Eğer saınım açısı 6 o iken motorun hıı 6 dev/dk seçiirse, anı kadırma kuvvetini ede etmek için saınım açısı o,9 o, o iken motorun hıı sırasıa 9 dev/dk, 45 dev/dk, 9 dev/dk omaıdır. Saınım açısı 6 o ve 9 o için tork değereri birbirine akın omasına rağmen saınım açısı 9 o için motor hıı daha düşük oduğundan kanat çırpma araığının 9 o oması tercih edimiştir. Bu çaışmada karşıaşıan en önemi oruk hesapamaar sonucunda ihtiaç duuan kadırma kuvvetini ede edebiecek ugun tahrik eemanının buunamaması omuştur. Mikro hava aracının çok hafif oması gerektiğinden motorarın da hafif oması gerekmektedir. Aksi takdirde kanatar eteri kadırma kuvvetini üretememektedir. Kadırma kuvveti hesabında kanat çırpma araığı, kanat çırpma frekansı ve kanat uunuğu büük önem ar etmektedir. Kanat çırpma araığı 9 o ie sınırandırımıştır. Kanat çırpma frekansının üksek oması için motorun üksek hıarda dönmesi gerekmektedir. Kanat uunuğunun artması da ihtiaç duuan torkun artmasına sebep omaktadır. Sonuç oarak, motorun hem çok hafif, hem üksek hıara çıkabiior oması hem de istenien torku üretmesi gerekmektedir. Bu durum motor seçimini oraştırmaktadır ve seçiecek motorun fiatının pahaı omasına sebep omaktadır. Mümkün oduğunca ugun bir dc servomotor seçierek bir prototip ouşturuup dene düeneğine ereştirierek kadırma kuvvetie igii tester apımasına karar verimiştir. Şeki. Montaj aşamasındaki mikro hava aracı Araç daha önce döner kanatı hava araçarını test etmek için haıranan dene düeneğine ereştiriip kontroü apıdıktan sonra hücum açısının etkisi inceenecektir. Teşekkür Bu çaışma sırasında maddi destek sağaan İstanbu Teknik Üniversitesi Biimse Araştırmaar Projeeri komisonuna ve TÜBİTAK a teşekkür ederi. Kanakça [] Ratti J. Vachtsevanos G. Towards Energ Efficienc in Micro Hovering Air Vehices, IEEE Aerospace,. [] Ratti J. The Quad Wing, Energ Efficient, Si Degree of Freedom Capabe Micro Aeria Vehice, Ph.D. Thesis, Georgia Institute of Technoog,. [] Yima A. Design and Deveopment of A Fapping Wing Micro Air Vehice, Master Thesis, ETH Autonomous Sstem Lab,. [4] Naef M. Design of a Fapping Wing Mechanism, Semester Project, ETH Autonomous Sstems Lab, 9. [5] Söeme E. Mechanisms, Orta Doğu Teknik Üniversitesi Basım İşiği,. [6] SöemeE.Makina Teorisi Makina Dinamiği,Birsen Yaınevi,. Şeki 9.Tasarım aşamasındaki mikro hava aracı Mikro hava aracının Soidworks te tasarandığı ik hai Şeki 9 da gösterimiştir.kuanıacak oan pi, uçuş kontro ünitesi ve 4 adet ESC(hı kontrocüsü aracın ağırığını artırmaktadır. Uuvarın birbirine oranarı anı kamak kadıa uuvarın uunukarı kısatıarak ve gövde kısmı boşuku üretierek topam ağırık aatımaa çaışımıştır. Üretien ik prototip Şeki da gösterimiştir. 6