1. GİRİŞ İnsansız hava aracı (İHA) hava akımı ve tahrik kuvvetlerinden yararlanarak uçabilen yerden kumanda edilen ya da otonom yani belli bir uçuş planı üzerinden otomatik hareket eden, uçuş için içerisinde bir pilota ihtiyaç duymayan hava aracı tipidir. İHA lara yerden kumandalı hava aracı manasına gelen drone da denilmektedir [1]. İlk İHA 1916 senesinde Archibald Low tarafından geliştirilmiştir. İlk kez 1. Dünya Savaşı nda sınırlı sayıda üretilen Hewitt-Sperry otomatik uçakları savaş alanlarında kullanılmıştır. Günümüzde özellikle savunma alanında talebin arttığı bir sistem olmakla birlikte, üzerine olan çalışmalar gün geçtikçe artmaktadır. Esas olarak keşif amaçlı üretimleri yapılan İHA lar saldırı görevini de yerine getirerek ülkelerin ana araştırma konusu arasına girmiştir. Fakat birçok sivili vurması başarısız yanlarının olduğunu, üzerine daha fazla çalışılması gerektiğini göstermektedir. Bu tarz araçlar başta askeri araştırmalarda keşiflerde olmak üzere uzaktan algılama, jeofizik araştırmaları, güvenlik, taşıma ve yangın söndürme gibi birçok farklı alanda kullanılabilmektedir. İnsanlar için daha da önemlisi yetiştirilmesi zor pilotlar için çalışma alanı tehlikeli olan ortamlarda kullanımları artmaktadır. İHA 'lar avuç içi büyüklüğünden, kanat açıklığı 20 m boyu 10 metrelere ulaşan ebatlarda farklı amaçlar için kullanılabilecek şekilde olabilmektedirler. Elden atılan modellerinin yanı sıra elektrik motoru, jet motoru ya da piston motoru kullanan modelleri mevcuttur. Kullanım alanlarına göre yükselebilecekleri irtifa değerleri de değişmektedir. Menzillerine ve kullanılan motor tipine göre İHA lar arasında sınıflandırmalar yapılmıştır [2]. Günümüzde İHA kategorisi içerisinde dikey iniş-kalkış yapabilmesinden, basit yapısından ve havada asılı kalmasından dolayı multikopter sistemleri rağbet görmektedir. Multikopter sistemleri çok motorlu insansız hava araçları olarak tanımlanır. 3-4-6-8 motorlu üretilen multikopterler stabil uçuşlar ve özellikleri sayesinde izleme, arama kurtarma ve savunma alanında İHA lar arasında ilk sıralar da yerini almaya başlamıştır. Özellikle qoadrotor (quadrokopter) üzerine yapılan çalışmalar bu sistemler içerisinde fazlalık göstermektedir. Kontrol yapısının karmaşık olması gelişimlerini yavaşlatsa da son birkaç sene içerisinde farklı alanlarda kullanımları yaygınlaşan quadrotor sistemleri ülkemizde keşif ve görüntüleme hizmetleri için kullanılmaya başlanmıştır. Dolayısı ile üzerine olan çalışmalar ve farklı modellemeler sayesinde savunma amaçlı kullanımları yadsınamaz bir gerçektir.
2. MULTİKOPTER SİSTEMLERİ VE UÇMA PRENSİPLERİ Trikopter, quadrokopter, hexakopter, octokopter gibi isimlerle anılan birden fazla motora sahip döner kanatlı hava araçlarına multikopter sistemleri denir. Çok rotorlu dikine iniş kalkış yapabilen, 3 eksende hareket kabiliyetine sahip motorlarına iliştirilmiş pervanelerle taşıma kuvveti oluşturarak uçma işlemini gerçekleştiren, otonom ya da kumanda ile uçuş imkânına sahip insansız hava aracı tipleridir. Havada asılı kalma ya da tam adıyla uçma işlemini döner kanatları vasıtasıyla yapmaktadırlar. Helikopterlerdeki kuyruk rotorunun engellemiş olduğu, helikopterin kendi ekseni etrafında dönüş hareketi multikopterlerde motorların farklı yönlerde dönmesi ile bertaraf edilir. Örneğin quadro için motorların ikisinin aynı, diğer ikisinin zıt yöne dönmesi multikopterlerin kendi ekseni etrafında kontrolsüz dönmesini engeller. Kısaca helikopterlerde ana rotorun gövdeden destek almasıyla ürettiği döndürme etkisini engelleyen kuyruk rotoru, multikopterlerde ana rotorların farklı yönlere dönmesiyle sağlanmaktadır. Quadrokopter dikey iniş kalkış yapabilen, havada asılı kalabilen, manevra kabiliyeti yüksek, kontrol sistemi karışık olmasına rağmen yapısal olarak basit 4 rotorlu, motorların üretmiş olduğu tahrik kuvvetinden yararlanarak pervaneleri vasıtasıyla taşıma kuvveti oluşturan döner kanatlı insansız hava aracıdır. Quadrokopter uçma prensibi helikopterlerin uçma prensibine çok benzemektedir. Helikopterlerde pervanenin yaratacağı itme kuvveti ilk olarak Rankin ve Froyt tarafından bulunmuştur ve ancak 20. yy ın başlarında uygulamaya konulabilmiştir. Ek olarak ana rotorun gövde üzerinde oluşturduğu anti-tork reaksiyonu da büyük bir problem teşkil etmiş fakat kuyruk rotoruyla ya da bazı dizaynlarda bu görevi görecek hava alıklarıyla bu etki giderilmiştir. Helikopterlerden örnek alınarak kısmen de olsa quadrokopterlerin yapısı belirlenmiştir. Havada tutunmayı sağlayan taşıyıcı yüzeyler döner kanat isminden de anlaşılacağı gibi pervanelerdir. Havada V hızıyla yer değiştiren herhangi bir profil üzerinde yukarıya yönelmiş F N olarak tabir edilen aerodinamik kuvvet oluşur. Bu kuvvet havadan daha ağır cisimlerin havada tutunmasına izin verir. Esas olarak burada ana faktör hızdır. Hız profil üzerinde aerodinamik kuvvet oluşumuna etki eden temel faktördür ve aerodinamik kuvvet rotorun belli hıza ulaşmasıyla oluşur. Yani quadrolarda havada tutunmayı sağlayan, taşımayı üreten pervaneler iken pervane dönme hareketini sağlayan, hızı oluşturan pervanelerin takılmış olduğu motorlardır.
2.1. Quadrokopterin Dikey Eksende Hareketi Quadronun 4 rotorunun aynı devirde (bozucu etkinin olmadığı varsayılır) dönmesiyle sağlanan düşey düzlemdeki dikine inişin ya da kalkışın gerçekleşeceği harekettir. Rotorların aynı devirde dönmesiyle tüm pervaneler üzerinde oluşacak aerodinamik taşıma kuvveti ve sürükleme (drag) aynı olacaktır. Böylece dikine hareket gerçekleşecektir. Eğer bozucu etki varsa (rüzgâr ya da sol dengesiz yük gibi) kontrol kartı, kumanda sisteminden motorlara verilen itki (thrust) değerine göre quadroyu dengelemeye çalışacaktır. Sadece itki sinyalinin gönderilmesi quadronun dikey eksende hareket ettirilmek istendiğini gösterir. Bu durumda kontrol kartı bozucu etkiyi bertaraf etmek için ilgili motorların daha fazla devirde dönmesini diğer motorların daha az devirde dönmesini sağlayarak dikine hareketi gerçekleştirecektir. Böylece kontrol kartının müdahalesiyle quadro yere paralel olarak bozucu etkilere rağmen dikey eksende hareketini gerçekleştirecektir. 2.2. Quadrokopterin Boylamasına Hareketi Quadrokopterin boylamasına eksendeki hareketi ileri geri hareketi olarak tanımlanır (Şekil 2.1). Bu hareket için kumanda sisteminden yunuslama (pitch) sinyali gönderilir. Örneğin yunuslama kanalından (genellikle 1. kanaldır) gelen sinyal quadrokopterin ileri gitmesi içinse -X mod için- quadrokopterin arkasında bulunan 2 motor öndekilere göre daha hızlı dönerek daha fazla itki üretirler ve quadrokopter ileri yönlü hareketini gerçekleştirmiş olur. Geri yönlü hareket içinse öndeki 2 motor arkadaki 2 motora göre daha hızlı döner. Şekil 2.1. Quadrokopterin boylamasına hareketi
2.3. Quadrokopterin Yatay Eksende Hareketi Quadrokopterin yatay eksendeki hareketi, sağa ve sola hareket ve kendi ekseni etrafındaki dönüşü olarak tanımlanabilir. Yani uçaklarda yaw olarak adlandırılan rudder (dikey stabilize=kuyruk dümeni) tarafından kontrol edilen sapma ve roll olarak adlandırılan aileron tarafından kontrol edilen yalpa hareketlerdir. Fakat bu 2 hareketin kontrolü quadroda uçakların tersi şeklindedir. Quadro roll kontrolü ile sağa ve sola doğru ilerleme hareketini gerçekleştirirken, yaw kontrolü ile kendi ekseni etrafındaki hareketi gerçekleştirir. Yani ekseni etrafında daire çizme eğiliminde bulunur. Quadronun roll ile sağa ya da sola hareketine sağa yada sola sapma hareketi denmektedir. Örneğin sağa hareket için kumanda sisteminden stick sağa doğru çekilerek roll sinyali (genelde 2. kanaldır) gönderildiğinde quadronun -x mod için- sol tarafındaki 2 motor sağ taraftaki 2 motora göre daha hızlı dönerek daha fazla itki üretir ve sağ sapma gerçekleşir. Tabi bu durum herhangi bir bozucu etkinin olmadığı şartlar için böyledir. Örneğin, sağ taraftan esen rüzgâr var ve siz yine sağ tarafa dönmek istiyorsunuz. Bu durumda soldaki motorlar ilk örneğe göre daha fazla thrust üretmek zorunda kalır ve sağ motorlar ilk duruma göre daha fazla yavaşlar. Çünkü burada motorların rüzgârın yaratacağı etkiyi de yenmesi gerekir. Bu işlem kontrol kartının ilgili sensörlerden (IMU) aldığı verileri kullanarak aracı dengeli bir dönüş için kontrol etmesiyle mümkündür.
3. QUADROKOPTER DİZAYNLARI İnsansız hava araçları üretiminde yapılan modellerin dizaynları kullanım alanlarına göre farklılık göstermektedir. Dar bir alanda kullanılacaksa motorlar ve pervanelerin zarar görmemesi ve etrafa zarar vermemesi için korumaya alınır. Bu sayede güvenli bir uçuş gerçekleştirilir. Şekil 3.1 de pervane ve motorların korumaya alınması için tüm pervaneyi içeri alacak şekilde quadrokoptere karbon çubuklar eklenmiştir. Şekil 3.2 de ise tamamen pervane ve motorlar bir çember içerisine alınarak hem motor ve pervanelerin korunması sağlanmış hem de daha güvenli uçuş şartları oluşturulmuştur. Şekil 3.1. Pervaneleri koruma yöntemi 1
Şekil 3.2. Pervaneleri koruma yöntemi 2 [3] Kapalı ya da kalabalık alanlarda kullanılacak bir quadrokopterin dizaynında dikkat edilmesi gereken noktalar şu şekilde tanımlanabilir: Pervaneler korumaya alınmalıdır. Yukarda gösterilen şekiller buna örnek gösterilebilir. Motor tutacakları sağlam bir malzemeden yapılmalıdır. Titreşime ve çekmeye karşı mukavemeti yüksek olmalıdır. Pervanenin monte edildiği motor şaftı pervane hub genişliğiyle uyumlu olmalıdır. Pervane, motor şaftına kontra somun tarzı titreşimde gevşemeye müsaade etmeyen parçalar takılmalıdır. Pervane şafta takılırken gevşemeye karşı direnç oluşturan cıvata yapıştırıcıları (LOCTITE) kullanılmalıdır. Kullanılacak malzemeye ve sisteme göre kontrol kartı üzerinde plate olarak adlandırılan malzemelerin monte edileceği alanlar oluşturulmalıdır. Oluşturulacak tüm platelerin titreşimden az etkilenmesi için, onların özel yapılar ile kaplanması gerekir. Bunlara titreşim önleyici (vibration prevent) denilmektedir (Şekil 3.3).
Şekil 3.3. Titreşim önleyici sistemler İniş takımlarının monte edileceği yerler önceden tespit edilip, sert inişlerde burulma yapmaması için destekleyici önlemler alınmalıdır. Şekil 3.4 deki iniş takımı burulma dikkate alınmadan imal edilmiş ve karbon gövdenin şeklini sert inişlerde değiştirmiştir. Şekil 3.4. Örnek iniş takımı Quadrokopterlerde ağırlık merkezinin yeri önemlidir. Bu sebepten dizayn edilecek gövdede ağırlık merkezi ortada olmalıdır. Bu, yapılan ayarlamaları kolaylaştırır. Genellikle quadrokopterlerde lion polimer (lipo) piller kullanılmaktadır. Bu pillerin kullanımı tehlikelidir ve model üzerinde montajı doğru yerlere yapılmadığı takdirde herhangi bir kırım sonucu patlayarak yangına sebep olabilir. Bu sebeple pilin korunması önemlidir. Ek olarak pilin kendi plastik yalıtımı üzerine ek yalıtım da yapılarak koruma artırılır. Şekil 3.5 de pil bir kafes içerisine alınarak ve bantla sarılarak koruma sağlanmıştır.
Şekil 3.5. Kafes içerisinde ve sarılmış lipo pil 3.1. Quadrokopter tipleri Quadrokopterler genelde x ve + mod denilen 2 tipte üretilirler. Bu modlar harekete verilecek tepkilerin kaç motorla yapılacağını gösterir. Örneğin ileri yönlü bir harekete verilecek tepkide hangi motorlar daha etkindir sorusunun cevabı bu modlarda saklıdır. 3.1.1.X tipi quadrokopter X mod quadrokopterde aracın önü 2 motorun orta noktasına denk gelmektedir (Şekil 3.5). İstenen hareket için 2 motor tepkisi gözlenmektedir. Bu anlamda aracın önünde 2, arkasında 2 motor bulunmaktadır. Örneğin ileri yönlü bir hareket için arkadaki 2 motor öndeki 2 motordan daha fazla itki üretir. Böylece 2 motor ile daha hızlı bir şekilde ileri yönlü hareket gerçekleştirilir. Sağ sapma için hareketi tanımlarsak sol 2 motor sağ 2 motora göre daha fazla itki üretir. Aracın sağa doğru kayma denilen hareketi bu şekilde 2 motorun üretmiş olduğu itki ile daha hızlı gerçekleştirilir. Bu birinci avantajıdır. X modun diğer avantajı ise istenen hareketler için 2 motorun birlikte çalışarak tek motora fazla yüklenilmemesidir. X modda motor dönüş yönleri Şekil 3.6 da gösterilmiştir. Bu modda ön ve arka iki motorun dönüş yönleri birbirlerinin tersidir. Ön sağ ve arka sol saat yönü tersine (counter clockwise), ön sol ve arka sağ saat yönüne (clockwise) dönmektedir.
Şekil 3.6. X mod motor dizaynı 3.1.2. + tip quadrokopter + mod quadrokopterde aracın önü tek motorun tutturulmuş olduğu eksendedir (Şekil 3.7). Bu modta istenen hareketlere tek motor tepki vermektedir. Bu sebepten x moda göre daha yavaş ve motorları yoran bir sistemdir. İleri yönlü bir hareket için arka motor ön motora göre daha faza itki üretir ve hareket gerçekleşir. Sağa kayma hareketinde sol motor sağ motora göre daha fazla itki üreterek araç sağ yönlü kayma hareketini gerçekleştirir. + mod için motor dönüş yönleri Şekil 3.7 de gösterilmiştir. Ön ve arka motor saat yönü tersi sağ ve sol motor saat yönünde dönmektedir. Şekil 3.7. + Mod motor dizaynı