Dört Rotorlu Döner Kanat İnsansız Hava Aracı Test Düzeneği Geliştirilmesi Hakan Üçgün 1, İrfan Ökten 1, Uğur Yüzgeç 1, Metin Kesler 1 1 Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Bilgisayar Mühendisliği Bölümü 1 hakan.ucgun@bilecik.edu.tr, 1 irfan.okten@gmail.com, 1 ugur.yuzgec@bilecik.edu.tr, 1 metin.kesler@bilecik.edu.tr Özet Son yıllarda İnsansız Hava Aracı (İHA) platformlarının yurtiçi ve yurtdışındaki sivil ve askeri alanlarda kullanımları gün geçtikçe artmakta ve kritik bir teknoloji haline gelmektedir. İHA' lar kısaca üzerinde insan olmasına gerek duymadan uçabilme özelliğine sahip, otonom olarak görev yapabilen ya da uzaktan kumanda aracılığıyla kontrol edilebilen hava araçlardır. İHA lar araştırma geliştirme, arama kurtarma, iletişim ve haberleşme, havadan fotoğraf ve video alımı, sınır güvenliği, trafik kontrolü, orman yangınlarını önleme, zehirli kimyasal gazların bulunduğu ortamlarda çalışma, kaçak avlanmayı önleme, doğal kaynakların araştırılması ve çıkarılması, ilaçlama, arkeoloji ve benzeri pek çok alanda kullanılmaktadır. Dört rotorlu döner kanat tipli İHA'lar fırçasız DC motorları, elektronik hız denetleyicileri, çeşitli sensörleri (basınç, gyro, pusula, gps, ultrasonik, vb.), pervaneleri, güç sistemi, kamera ve iletişim sistemleri gibi donanımsal birimleri içerebilmektedirler. İHA'nın uçuş parametrelerinin yeterince iyi bir şekilde ayarlanamaması uçuş sırasında istenmeyen kazalara neden olmaktadır. Kullanılan donanımsal birimlerin ücretlerinin yüksek olması ve elde edilmesinin uzun sürmesi sebebiyle bu tip hava araçlarında denetleyici ve parametre ayarlarının doğru yapılması büyük önem arz etmektedir. Bu çalışma kapsamında, dört rotorlu döner kanat tarzındaki insansız hava araçları için kontrol algoritmalarının ve uçuş parametrelerinin test edilebileceği bir düzenek tasarımı sunulmaktadır. Bu test düzeneği sayesinde dört rotorlu İHA'lar için üç eksen kontrollü uçuş düzenekleri hazırlanıp, uçuş kontrolleri yapılması hedeflenmektedir. Oluşturulacak düzenekler ile İHA sisteminin x, y ve z eksenlerindeki denetimi ve otonom uçuş senaryoları gerçekleştirilecektir. 1. Giriş Günümüzde İnsansız Hava Araçları (İHA) pek çok alanda adından söz ettirmekte ve farklı kullanım alanları açısından önemi gün geçtikçe artmaktadır [1]. Yakın geçmişe bakılacak olursa İHA'ların genel olarak askeri amaçlar haricinde çok fazla kullanılmadığı görülmektedir. Teknolojinin son 20 yıldaki hızlı gelişimi ile birlikte farklı özellik ve tipte İHA ların popülerliği ve kullanım alanları artmıştır [2]. İHA'lar RF (Radyo Frekansı) haberleşmesine sahip bir kumanda yardımıyla manuel olarak kontrol edilebildiği gibi üzerlerinde taşıdıkları mikrodenetleyici, sensörler ve gömülü yazılımlar sayesinde görev tanımlı uçuş yeteneğine sahip olarak da kullanılabilmektedir [3]. İHA'ların görev tanımlı uçuş yeteneği kazanması ve üzerinde bulunan malzemelerin maliyet değerinin azalması ile birlikte bu tip araçlar, olumsuz hava şartlarında arama ve kurtarma çalışmalarının yapılması, sinema, televizyon ve fotoğrafçılık sektörü, zirai ilaçlama çalışmaları, kaçak yapılaşma, sınır gözetleme gibi pek çok farklı alanda kullanılmaya başlanmıştır Dört rotorlu döner kanat (Quadcopter, Quadrotor) aracı dört adet DC motora sahip bir insansız hava aracıdır. Bu tür araçlarda, sensör verilerinden alınan değerlerdeki hata payları, üç eksene ait açısal değerlerin yüksek doğruluklu hesaplanması, birden fazla motorun aynı anda kontrol edilmesi ve hava koşulları gibi İHA nın kontrol edilmesini zorlaştıran bazı etkenler vardır. Bu etkenlerden ötürü dört rotorlu döner kanadın, görev tanımlı olarak çalıştırılabilmesi için bazı test aşamalarından geçmesi gerekmektedir. Uçuş öncesi sensör parametre değerlerinin ve denetleyici katsayılarının sorunsuz bir şekilde ayarlanabilmesi, dört rotorlu İHA'ların geliştirilmesi sırasında yapılacak olan testlerde meydana gelebilecek olası yaralanmalar veya güvenlik problemlerini ortadan kaldırmak ve geliştirme sürecini hızlandırmak için çeşitli test düzenekleri kullanılabilmektedir [4-7]. İHA'ların üretimi sırasında kullanılan kontrol algoritmaları ve donanımsal özelliklerin test edilmesi gerekmektedir. Test işlemi sırasında dönme, yükselme, yalpalama ve yunuslama hareketlerinin kontrolü, otomatik iniş - kalkış hareketlerinin kontrolü, yarı-otonom uçuş kontrolü, bozucu etkenlere karşı dayanıklılık gibi testler yapılabilmektedir. Testler için oluşturulan düzenekler ile dört rotorlu döner kanadın kararlı hareket edebilmesi, hareket halindeyken göstereceği durum ve davranışların incelenmesi, istenilen amaca yönelik olarak çalışmasını sağlayacak şekilde yazılımın geliştirilebilmesi gibi kritik işlemler daha kısa bir zaman aralığında yapılabilmektedir. Bu amaçlar için kullanılmak üzere farklı test düzenekleri geliştirilmiştir. Şekil 1.a'da Sabancı Üniversitesi tarafından yapılmış olan test düzeneği [8], Şekil 1.b'de YTÜ ve GYTE'nin yapmış olduğu test düzeneği [9] gösterilmiştir ve Şekil 1.c de İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü [10] tarafından hazırlanmış bir test düzeneği gösterilmiştir. Üniversitemiz bünyesinde 2012 yılında başlanan İHA projesi ile geliştirilmiş olan BİLKOPTER(BİLecik MultiKOPTER) isimli prototip için oluşturulan ilk test düzeneği ise Şekil 1.d'de gösterilmiştir. Mevcut düzenek dönme, yükselme, yalpalama ve yunuslama 71
hareketleri için kontrol testlerinde kullanılmaktadır. Şekil 1 de gösterilen test düzeneklerinin en büyük dezavantajı, uçuş manevraları için açısal kısıtlamaların istenilen ölçütlerden fazla olmasıdır. çember birbirlerine rulmanlar ile tutturulmuş olup iç kısımda bulunan çembere monte edilmiş olan Bilkopter isimli döner kanadın dönme, yalpalama ve yunuslama manevraları bu düzenek yardımı ile test edilmiştir. İHA'nın kaldırabileceği yük ağırlığı miktarı sınırlı olduğu için hazırlanmış olan test düzeneğin içerisinde bulunan çemberlerin ağırlıkları dikkat edilmesi gereken bir parametre olmuştur. Şekil 1.a. Sabancı Üniversitesi İHA test düzeneği [8] Şekil 1.b. YTÜ ve GYTE İHA test düzeneği [9] Şekil 2. Geliştirilen test düzeneğinin teknik çizimleri Şekil 1.c. Zürih'te kullanılan test düzeneği [10] 2. Test Düzeneği Tasarımı Şekil 1.d. Bilkopter mevcut test düzeneği İnsansız hava araçlarının iç/dış ortam uçuşları öncesinde, sistem parametre ayarlarının ve kontrol katsayı değerlerinin en iyi şekilde ayarlanması uçuş sırasında ortaya çıkabilecek olumsuz yaralanma ve kaza gibi durumları en aza indirecektir. Bu çalışma kapsamında Bilkopter isimli dört rotorlu döner kanat için tasarlanan test düzeneği ve temel test çalışmaları ele alınmıştır. Test çalışmaları için tasarlanan test düzeneği "Jiroskop (Gyroscope) Modeli" esas alınarak hazırlanmıştır. Jiroskop, eksen hareketlerini ayarlama ve yön değerini ölçme gibi amaçlar için kullanılan, açısal dengenin korunması ilkesine dayalı olarak çalışan bir düzenektir. Jiroskopik harekete bakıldığında, temel olarak fiziki kurallar ve açısal momentum değerinin korunması ilkesinin baz alındığı görülmektedir. 1817 yılında J. Bohnenberger tarafından icat edilen Jiroskop teknolojisi, günümüzde uçak ve gemiler için yön bulma ve uzay gözetleme teleskoplarındaki kararlılığı sağlamak gibi çeşitli amaçlar için kullanılabilmektedir. Şekil 2 de çalışma kapsamında tasarlanan test düzeneğine ait teknik çizim gösterilmiştir. Jiroskop modeli temel alınarak hazırlanmış olan bu test düzeneğinde içi içe geçmiş olan üç 3. Uçuş Hareketleri Test Çalışmaları Dört rotorlu döner kanat + veya x şeklinde iskelet yapısına sahip olabilmekte ve her bir uçta bir motor bulunmaktadır. Bu tip araçlar üzerinde bulunan pervanelerin karşılıklı olarak aynı yönde dönüş yapmasıyla uçuş hareketlerini gerçekleştirebilmektedir. Karşılıklı iki pervane saat yönünde dönerken diğer iki pervane ise saat yönünün tersi yönünde dönmektedir (Şekil 3). Pervanelerin bu şekildeki dönüşleri sayesinde aracın merkezindeki tork dengelenir ve kaldırma kuvveti meydana gelir. Motorlara bağlı olan pervanelerin hareket etmesi ile oluşan kaldırma kuvveti yardımıyla yalpalama (roll), yunuslama (pitch) ve dönme (yaw) hareketleri yapılmaktadır. Dört rotorlu döner kanadın x ekseni etrafındaki dönüş hareketine yalpalama, y ekseni etrafındaki dönüş hareketine yunuslama ve z ekseni etrafındaki dönüş hareketine dönme denir. Şekil 3. Dört rotorlu döner kanat motor dönüş yönleri 72
3.1. Yalpalama (Roll) Hareketi Şekil 4.a ve 4.b de yalpalama (roll) hareketi gösterilmiştir. Şekilde ΩH sistemin havada askıda kalma hızını, A ve B hız farkı değerlerini ve Φ ise yalpalama açısını temsil etmektedir. Dört rotorlu döner kanadın, yalpalama hareketi için ön ve arka rotorların sahip olduğu hız değerlerinin sabit tutulup, sol rotorun değeri A kadar arttırılır ve sağ rotorun değeri B kadar azaltılırsa araç, sağ tarafa yalpalama hareketi yapacaktır. Eğer sağ taraftaki rotorun hızı sol taraftaki rotorun hızından fazla olduğu takdirde araç, sol tarafa yalpalama hareketi yapacaktır. 3.3. Dönme (Yaw) Hareketi Şekil 6.a ve 6.b de dönme (yaw) hareketi gösterilmiştir. Şekilde ΩH sistemin havada askıda kalma hızını, A ve B hız farkı değerlerini ve ψ ise dönme açısını temsil etmektedir. Dört rotorlu döner kanadın, dönme hareketi için sol ve sağ rotorların sahip olduğu hız değerleri değeri A kadar arttırılır ve arka ve ön rotorların değeri B kadar azaltılırsa araç saat yönünün tersi yönde dönme hareketi yapacaktır. Eğer ön ve arka rotorların sahip olduğu hız değerleri değeri A kadar arttırılır ve sol ve sağ rotorların değeri B kadar azaltılırsa araç saat yönünde dönme hareketi yapacaktır. Şekil 4.a. Sağ yalpalama (roll) hareketi Şekil 6.a. Saat yönünün tersi dönme (yaw) hareketi Şekil 4.b. Sol yalpalama (roll) hareketi 3.2. Yunuslama (Pitch) Hareketi Şekil 5.a ve 5.b de yunuslama (pitch) hareketi gösterilmiştir. Şekilde ΩH sistemin havada askıda kalma hızını, A ve B hız farkı değerlerini ve φ ise yunuslama açısını temsil etmektedir. Dört rotorlu döner kanadın, yunuslama hareketi için sol ve sağ rotorların sahip olduğu hız değerlerinin sabit tutulup, arka rotorun değeri A kadar arttırılır ve ön rotorun değeri B kadar azaltılırsa araç, ön tarafa yunuslama hareketi yapacaktır. Eğer ön taraftaki rotorun hızı arka taraftaki rotorun hızından fazla olduğu takdirde araç, arka tarafa yunuslama hareketi yapacaktır. Şekil 5.a. Ön yunuslama (pitch) hareketi Şekil 6.b. Saat yönünde dönme (yaw) hareketi 3.4. Test Arayüzü Bu çalışma kapsamında test düzeneğine yerleştirilen dört rotorlu döner kanadın üç temel dönme hareketi testleri bir arayüz yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen arayüz Şekil 7 de gösterilmiştir. Test arayüzü ile aracın haberleşmesi kablolu ve kablosuz olarak sağlanmıştır. Kablosuz haberleşme için maksimum veri haberleşmesi 1500 mt. mesafesine sahip olan Xbee modülleri kullanılmıştır. Ayrıca bu arayüz yardımıyla araç üzerindeki tüm sensör bilgileri, motor hız değerleri okunabilmekte, yine araç için gerekli parametreler ve denetleyici katsayıları mikrodenetleyiciye gönderilebilmektedir. Şekil 7 de Bağlantı Parametreleri başlığının altında belirtilen Port Numarası ve Baud Rate No bölümlerine ilgili port bağlantı değerleri yazılıp araç ve arayüz arasında bağlantı kurulmaktadır. Grafik Çizim Seçenekleri başlığı altında dört rotorlu döner kanadın üzerindeki sensör verilerine, motor hız değerlerine ulaşılıp bunların anlık olarak çizimi yapılabilmektedir. Bilkopter Veri Güncelleme Seçeneği başlığı altındaki bölümde yaw, pitch ve roll testleri gibi test işlemleri yapılabilmektedir. Arayüzün sağ tarafında bulunan bölümde, araç üzerinde bulunan donanımlar ve araca ait olan özelliklerden kullanımda olan diğer özellikler gösterilmektedir. Arayüz üzerinde yükselme ve otonom iniş kalkış testlerine ait yazılım çalışmaları gelecek çalışmalarda yapılacaktır. Şekil 8 de dört rotorlu döner kanata ait test fotoğrafları görülmektedir. Şekil 5.b. Arka yunuslama (pitch) hareketi 73
Şekil 7. Test arayüzünde gyro sensöründen alınan verilerin grafiksel gösterimi Şekil 8. Dört rotorlu döner kanat test görüntüleri 74
Test arayüzü ile elde edilen Şekil 9.a da yalpalama hareketi, Şekil 9.b de yunuslama hareketi ve Şekil 9.c de dönme hareketi için yapılmış olan test sonuç grafikleri verilmiştir. Test arayüzünde temel üç uçuş hareketini (yalpalama, yunuslama ve dönme) yapmak için döner kanata 40 saniye boyunca sinüs test işareti Xbee modüller yardımıyla gönderilmiştir. Dört rotorlu döner kanat aracına gönderilen set değerlerine karşılık araç üzerindeki Gyro sensöründen alınan bilgiler aynı grafik üzerinde gösterilmiştir. Şekillerden de görüleceği gibi her üç dönme hareketinde dört rotorlu döner kanatın istenen sinüzoidal yörüngeyi takip ettiği anlaşılmaktadır. Şekil 9.c. Dönme test sonucu Şekil 9.a. Yalpalama test sonucu 4. Sonuçlar Yapılan literatür çalışmaları sonucunda İHA lar için yapılan test düzeneklerinin sınır değerlere sahip olduğu görülmüştür. Bu çalışma kapsamında, jiroskop çalışma mantığı esas alınarak geliştirilen test düzeneği ile üç temel uçuş hareket test gerçekleştirilmiştir. Yapılan test çalışmaları sonucunda, İHA sisteminin yalpalama, yunuslama ve sapma hareketlerinin grafiksel çıktıları elde edilmiştir. İlerleyen çalışmalarda İHA lar için bir diğer hareket olan irtifa hareketi üzerine çalışmalar ve sadece dört rotorlu değil altı ve sekiz rotorlu insansız hava araçlarının da testleri yapılması düşünülmektedir. 5. Teşekkür Bu çalışma, 2014-02-BİL.03-001 nolu İnsansız Hava Aracı Test Düzeneğinin Tasarımı ve Gerçekleştirilmesi isimli Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projesi kapsamında gerçekleştirilmiştir. 6. Kaynaklar [1] Koyuncu, G., "İnsansız Hava Aracı Disiplinlerarası Tasarım Optimizasyonu", Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2006. Şekil 9.b. Yunuslama test sonucu [2] Merç, Y. ve Bayılmış C., "Dört Rotorlu İnsansız Hava Aracı (Quadrotor) Uygulaması", 6th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 2011, 18-20. [3] Korkmaz, H., "Sabit Kanatlı Bir İnsansız Hava Aracı İçin Takip Ve Stabilizasyon Amaçlı Otopilot Sistemi Geliştirilmesi, Tobb Ekonomi Ve Teknoloji Üniversitesi", Yüksek Lisans Tezi, TOBB Ekonomi Ve Teknoloji Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2013. [4] Fernando, H.C.T.E. De Silva, A.T.A. De Zoysa, M.D.C. Dilshan, K.A.D.C. ve Munasinghe, S.R., "Modelling, simulation and implementation of a quadrotor UAV", 75
Industrial and Information Systems (ICIIS), 2013 8th IEEE International Conference, Peradeniya, 2013, 207-212. [5] Jaehong, L. Changmin L. ve DaeEun K., "Attitude Control of Quadrotor with On-Board Visual Feature Projection System", Intelligent Robots and Systems (IROS), 2013 IEEE/RSJ International Conference, Tokyo, 2013, 2426-2431. [6] Bouabdallah, S. ve Siegwart, R., "Backstepping and Sliding-mode Techniques Applied to an Indoor Micro Quadrotor", Robotics and Automation, 2005. ICRA 2005. Proceedings of the 2005 IEEE International Conference, 2005, 2247-2252 [7] Bouabdallah, S. Becker, M. ve Siegwart, R., "Autonomous miniature flying robots: Coming soon!", IEEE Robotics & Automation Magazine, 2007, 14: 88-98. [8] Baran, E.A. Hançer, C. Çalıkoğlu, E. Duman, E. Çetinsoy, E. Ünel, M. ve Akşit, M.F., "İnsansız Hava Araçları İçin Test Düzeneği Tasarımı Ve Üretimi", Erişim Tarihi:21.01.2016. [9] Ömürlü V. E., Engin Ş. N., Kırlı A., Kurtoğlu S., Büyükşahin U.: Design of Ground Fixed Quadrotor Flight Control Test Bench for Unmanned Aerial Vehicles With Variable Degrees of Freedom. TOK'09 Automatic Control National Meeting, Istanbul, Turkey, (Vol.:1, Page:27), 2009. [10] Swiss Federal Institute of Technology, "Indoor Helicopter",http://www.uav.ethz.ch/research/projects/ Indoor_ Helicopter, Erişim Tarihi: 21.01.2016. 76