Su Bulanıklığı Dinamiği ve Su Parametrelerini Ölçme Kabiliyeti olan İnsansız Hava Aracı Platformunun Geliştirilmesi Talha MUTLU 1, Volkan ÇOŞGUN 2, Bedri KURTULUŞ 3, Evren TUNCA 4, Dilek Funda KURTULUŞ 5, Ozan TEKİNALP 6. ABSTRACT: The aim of this paper is to design, manufacture and flight-testing of a UAV that is developed for measuring the turbidity of the water dynamics. It is shown that the remote sensing methods, which are used in earth sciences, can be done by using UAV s. A T tail delta wing belly landing aircraft, which has autonomous flight ability, is designed to capture images needed. The Final design has 1.17m wing span. The Airframe was constructed from XPS foam reinforced with glass fiber and epoxy. Ardupilot Mega 2.5 micro controller is used for the autonomous flight and stabilizing the camera. A successful flight with all hardware s is performed. Key Words: Amphibious Unmanned Aerial Vehicle, Remote Sensing, Constant altitude autopilot ÖZET: Bu makalenin amacı su bulanıklığı dinamiği parametrelerini ölçebilen bir İHA nın tasarım, üretim ve test çalışmalarını incelemektir. Makalede doğa bilimlerinde de sıkça kullanılan uzaktan algılama yöntemlerinin İHA larla yapılabileceği gösterilmektedir. Ölçüm verilerini toplaması için t-dümenli, delta kanatlı, gövde üstüne iniş yapabilen ve otonom uçama kabiliyeti olan bir uçak tasarlanmıştır. Tasarımın son halinde kanat açıklığı 1.17 m dir. Uçak, cam elyafı ve epoksi ile kuvvetlendirilmiş XPS köpükten üretilmiştir. Otonom uçuş ve kamerayla uçağı aynı anda sabitleme özellikleri için Ardupilot Mega 2.5 mikro kontrolcü kullanılmıştır. Tüm donanımların çalıştığı başarılı uçuşlar yapılmıştır. Anahtar Kelime: Amfibi İnsansız Hava Aracı, Uzaktan Algılama, Sabit irtifa oto pilotu. 1 Araş. Gör., ODTÜ Havacılık ve Uzay Müh., talha.mutlu@metu.edu.tr 2 Bilimsel Proje Uzmanı, ODTÜ RÜZGEM, volkan.cosgun@metu.edu.tr 3Yrd. Doç. Dr., Muğla Üniversitesi Jeoloji Müh., bkurtulus@mu.edu.tr 4Dr., Muğla Üniversitesi Jeoloji Müh., evren_tunca@yahoo.com 5Doç. Dr.,ODTÜ Havacılık ve Uzay Müh., funda.kurtulus@gmail.com 6 Prof. Dr.,ODTÜ Havacılık ve Uzay Müh., tekinalp@metu.edu.tr 1
1. TASARIM: İnsansız hava araçları belirli bir görevi yerine getirmek için tasarlanır. Kullanıldıkları alanlarda personel güvenliğini arttırmaları ve kullanım maliyetlerinin düşük olması İHA lara olan ilginin artmasına sebep olmuştur. Son yıllarda ise bir ya da iki personel tarafından idare edilebilen taşınabilir Mini-İHA sistemlerinin kullanım alanları giderek yaygınlaşmaktadır. Bu projede uzaktan algılama yöntemleri kullanılarak su bulanıklığı dinamiği ve su parametrelerini ölçme kabiliyeti olan, sudan kalkış iniş yapabilen bir İHA geliştirilmesi amaçlanmıştır. Yapılan ön çalışmalar sonucu belirlenen temel görev gereksinimleri aşağıda verilmiştir. Görev Gereksinimleri: Sudan iniş ve kalkış yapabilme. Acil iniş ya da düşme durumunda taşıdığı faydalı yükü koruyacak gövde ve kanat tasarımı. Hızlı tırmanış ( 100m/dk.) Yüksek dönüş kabiliyeti. Dengeli seyir sağlayacak aerodinamik tasarım. Minimum 30 dakika uçuş süresi. 10-15 km uçuş menzili. Bilgisayar destekli uçuş kontrolü. Bir kişi tarafından taşınabilir ve uçuşa hazır hale getirilebilir olma. Tetracam ADC serisi kamerayı ve kamera sabitleyici mekanizmayı faydalı yük olarak gövde içinde taşıyabilme. 1.1. Literatür Taraması: Ölçüm uçağının temel özelliklerine karar vermek amacı ile amfibi İHA lar üzerine bir literatür araştırması yapılmıştır. Kullanılacak sistemin tasarımında benzer bir görev için daha önce tasarlanmış olan ACAT Aircraft (Pisanich, 2001:2) gözlem uçağının performans değerlerinden faydalanılmıştır (Şekil-1). 2
Şekil-1: ACAT Aircraft ın uçuş öncesi fotoğrafı. Kaynak: Pisanich, 2001:9. Uçağın kavramsal tasarımında ise Polaris (How2rc, 2008) deniz uçağı esas alınmıştır. Bu uçağın en önemli avantajı üretiminin kolay olmasıdır. Ayrıca model pilotları tarafından çok kullanılan bir uçak olması, hakkında birçok uygulamaya ulaşımı sağlamıştır. Ancak uçağın kanat tasarımının geliştirilmesi, iç mimarisinin elektronik sistem ve kamerayı alacak şekilde değiştirilmesi gerekmiştir. Kavramsal tasarımı kesinleştirmek amacı ile, 80 cm kanat açıklığına sahip prototip-i ile Asar Tepe Baraj Gölünde test uçuşları yapılmıştır (Şekil-2a-b). Bu testlerde uçağın kalkış ve iniş performansı gözlemlenmiştir. a) Prototip-I uçuş öncesi. b) Prototip-I sudan kalkış. Şekil-2: Prototip-I Asar Tepe Baraj Gölü Test Uçuşu. 3
1.2. Ölçülendirme: Asar Tepe Baraj Gölü nde yapılan test Uçuşları ve ACAD test Aircraft (Pisanich, 2001:2) verileri göz önünde bulundurularak ölçüm uçağının performans gereksinimleri belirlenmiştir. Performans Gereksinimleri: Perdövites hızı 10 m/s. Seyir hızı 16 m/s. Azami hız 22 m/s. Tırmanma hızı 2 m/s. Faydalı yük 1.35 kg. Toplam uçuş ağırlığı 3.5kg. 25-30 m lik minimum dönüş çapı. Minimum 30 dakika uçuş süresi. 10-15 km Uçuş Menzili. Uçağın kanatlarında NACA 5 rakamlı seri kanat profilleri kullanılmıştır. Kanat ucunda tasarım kaldırma kuvveti katsayısı 1.5 olan 15% kalınlıkta bir kanat profili, kanat kökünde ise tasarım kaldırma katsayısı 1 olan 8% kalınlıkta bir kanat profili kullanılmıştır. Kanat profillerinin geometrilerini oluşturmada NACA 5 rakamlı seri için geliştirilen bir program kullanılmıştır (Ppart, 2011). Daha sonra kanat profillerinin aerodinamik özellikleri hesaplarken panel yöntemi kullanılmıştır ve uçağın kaldırma kuvveti katsayısı 1.12 olarak hesaplanmıştır. Yapılan eniyileştirmeler sonucu uçağın ölçülendirmesi tamamlanmıştır. Tablo-1: Uçak Ölçüleri. Parametre Ölçüler Parametre Ölçüler Uçak Boyu [m] 1.61 Dikey Dümen Kanat Açıklığı [m] 0.36 Uçak Yüksekliği [m] 0.42 Dikey Dümen Kök Veter [m] 0.36 Gövde Eni [m] 0.17 Dikey Dümen Uç Veter [m] 0.11 Gövde Yüksekliği [m] 0.20 Dikey Dümen Alanı [m 2 ] 0.08 Kanat Ucu Veter [m] 0.14 Yatay Dümen Kanat Açıklığı [m] 0.52 Kanat Kökü Veter [m] 0.82 Yatay Dümen Kök Veter [m] 0.28 Kanat Açıklığı [m] 1.17 Yatay Dümen Uç Veter [m] 0.11 Kanat Alanı [m 2 ] 0.56 Yatay Dümen Alanı [m 2 ] 0.10 4
1.2. Motor Seçimi: Motor seçimini yapabilmek için uçağın güç gereksiniminin hesaplanması gerekmektedir. Bunun için öncelikler sürüklenme katsayısının hesaplanması daha sonra ise güç, ağırlık oranının belirlenmesi gerekmektedir. 1.2.1. Sürüklenme Katsayısı: Minimum sürüklenme katsayısı iki temel bileşenden oluşur bunlar basınç ve yüzey sürtünme kuvvetidir (Leland, 2010:52). (1) Basınç farkından dolayı oluşan sürüklenme kuvveti genellikle sürtünme kuvvetinden dolayı oluşan sürüklenme kuvvetine kıyasla daha küçüktür. Hesap kolaylığı açısından minimum sürüklenme kuvveti yüzey sürtünme kuvvetinin 1.2 katı olarak kullanılabilir. Yüzey sürtünme kuvveti ise aşağıdaki formüllerle hesaplanabilir (Leland, 2010:52). (2) (3) (4) Birincil ölçülendirmeye göre ıslak alan ve referans alanının birbirine oranı yaklaşık 2.9, katsayısı ise yaklaşık 0.005 değerindedir. Bu değerlere göre uçağın minimum sürüklenme kuvveti katsayısının ilk yaklaşımı 0.018 olmaktadır. 1.2.1. Katsayısı: Güç ağırlık oranı motor ve pervane seçimi için önemli bir katsayıdır. Belirlenmesinde üç temel ölçüt vardır; kalkış mesafesi, tırmanma hızı ve azami uçuş hızı. Bu çalışmada kalkış su üzerinden gerçekleştirildiği ve kalkış mesafesi kısıtlaması olmadığı için kalkış mesafesi ölçütü bu katsayının hesabında kullanılmamıştır. 5
Pervaneli uçaklar için tırmanma hızı formülü Denklem 5 te verilmiştir (Anderson, 1999:278): (5) Birincil ölçülendirme hesaplarına göre uçağın AR değeri yaklaşık 2.45 değerindedir, e değeri ise 0.95 olarak kullanılırsa; K katsayısı 0.138 ve katsayısı da 10 olarak hesaplanabilir. Bu değerler kullanılarak P/W hesabı yapıldığında 7.5 gibi bir oran elde edilir. Azami uçuş hızına göre P/W formülü aşağıdaki gibidir (Anderson, 1999:217): (6) Katsayılar formülde yerine koyulduğu zaman T/W oranı 0.122 ve P/W oranı da 3.85 olarak hesaplanır. Tırmanma için gereken oran daha yüksek olduğu için güç gereksinimi belirlenmesinde tırmanma hızı kıstası esas alınacaktır. Bu durumda 3.35 kg kalkış ağrılığı olan gözlem uçağı en az 257 Watt lık bir motora ihtiyaç duyacaktır. Güvenli olması bakımından seçilen motorun asgari enerji ihtiyacından iki kat fazla enerji üretebilmesi uygun görülmüştür. Böylece olası terslikler esnasında uçağın perdövites durumundan çıkabilmesi çok daha kolay olacaktır ve normal seyrine devam edebilecektir. Sonuç olarak TURNYG SK3 4240-740 serisi motorun 12X6 lık pervane ile beraber kullanılmasına karar verilmiştir. İtki sisteminin genel özellikleri Tablo-2 de özetlenmiştir. Tablo-2: İtki sistemi özellikleri. Motor Model TURNYG SK3 4240 En Yüksek Akım 50 A Batarya 4000 5s Lİ-po Motor Kv 740 rpm/v Pervane Ölçüsü 12 çap 6 hatve Statik Verim 73% ESC O.S Tam Gaz Uçuş süresi 8 dakika Motor Statik RPM ~7300 Statik İtki 1881 gr Motor Çıkış Gücü 480W Azami Hız 25 m/s Motor Akımı 30 A İtki Sistemi Ağırlığı ~300 gr 6
2. ÜRETİM: Uçağın üretiminde epoksi ve cam elyafı ile güçlendirilmiş XPS köpüğü kullanılmıştır. Sıcak tel ya da lazer ile kesilerek şekillendirilebilmesi, su geçirmez olması ve suyu emmemesi XPS köpüğün temel avantajlarındandır. Epoksi ve cam elyafı ile desteklenmesi uçağa darbe ve çarpmalara karşı koruyucu özellik kazandırmıştır. Uçağın bütün gövde parçaları 10mm kalınlıkta XPS köpükten lazerle kesilerek üretilmiştir (Şekil 3a). Bu parçalar su bazlı bir tutkal kullanılarak birleştirilmiştir. Kanat levhası içerisine karbon borular gömülerek gerekli güçlendirmeler yapılmıştır (Şekil 3b). Levha şeklindeki kanada XPS kanat kesitleri eklenerek kanat istenilen kanat geometrisine ulaşılmıştır (Şekil 3c). Uçağın dikey dümenine, motor haznesine ve alt yüzeyine cam elyafı kaplama işlemi epoksi ile yapılmıştır. Aerodinamik yüzeyin oluşturulması için kanatlar polyester kaplama filmi ile kaplanmıştır (Şekil 3d). a) Lazer kesim XPS köpük parçalar. b) Karbon borularla güçlendirilmiş kanat levhası. c) XPS kanat kesitlerinin kanat üzerine uygulanması. d) Ölçüm Uçağı prototip-ii. Şekil-3: Üretim safhaları. 7
3. AVİYONİK DONANIM: 3.1. Uçuş Kontrol Sistemi: Yapılan çalışmada, uçuş kontrol sistemi ve kamera sabitleyici olarak DIY DRONES tarafından üretilen ArduPilot Mega 2.5 kullanılmıştır. ArduPilot Mega işlemci olarak ATMEL in ATMEGA 2560 model işlemcisini kullanmaktadır. ArduPilot Mega 2.5 in donanım olarak üzerinde 3 eksenli jiroskop, ivme ölçer, manyetometre, barometre, dijital pusula ve FTDI çipleri bulunmaktadır. Ayrıca sistem üzerine bağlanabilen GPS modülleri, telemetri sistemleri ve çeşitli sensörler de mevcuttur. Çalışma sırasında GPS Modülü olarak 66 kanallı Mediatek MT3329 kullanılmıştır. Bu cihaz ile saniyede 10 sefere kadar veri alınabilmektedir. Telemetri sistemi olarak ise 3D Robotic markasının 433 Mhz lik versiyonu kullanılmaktadır. Uçuş kontrol sistemi üzerinde değişiklik yapmak, uçuş verileri toplamak ve uçağı harita üzerinde takip etmek gibi görevler için bu telemetri sistemi kullanılmaktadır. Uçuş kontrol sisteminin genel yapısını Şekil 4 te bulabilirsiniz. Şekil-4 Uçuş Kontrol Sistemi Yapısı. 8
Tasarlanan uçuş kontrol sistemine iniş, kalkış ve acil durumlarda dışarıdan müdahalelerde bulunulabilmesi için otomatik uçuş kontrol sistemi manuel uçuş kabiliyetine de sahiptir. Manuel kanaldan gelen veriler yine mikro kontrolcü üzerinden geçerek eyleciler ve motora ulaşmaktadır. Uçak üzerinde kullanılan manuel uçuş sistemi olarak 10 kanallı 32 Mhz Futaba T10 RC kumanda kullanılmıştır. Uçuş kontrol sistemi üzerine yer istasyonundan ve pilot tarafından kullanılan kumandadan gönderilen veri ile uçuş modu değiştirilerek manuel uçuştan otomatik uçuşa geçiş sağlanabilmektedir. Uçuş kontrol sistemi olarak kullanılan ArduPilot Mega sistemi, sağlamış olduğu açık kodlu uçuş kontrol yazılımı ve bununla uyumlu yer istasyonu programı sayesinde, hem kullanışlı ara yüz yazılımı ile istenilen bilgilere kolayca ulaşılmakta hem de mikroişlemci dışarıdan yapılacak müdahalere açık hale getirmektedir. Bu özelliği sayesinde uçuş kontrol algoritması üzerinde çeşitli düzenlemeler yapılarak uçak ve görevi için uygun yazılım sağlanmıştır. Yer istasyonu programından alınan bir görüntüyü aşağıda bulabilirsiniz( Şekil-5). Şekil -5 Yer istasyonu programında bir görünüm. Çalışmada kullanılan uçuş kontrol sistemi kendi üzerine bütünleşik halde bulunan sensörler ve harici olarak bağlanmış hız sensörü, GPS modülü, akım sensörü ve uzaktan kumandadan gelen verileri işleyerek eyleyicilere, motor sürücüsüne, kamera ve jimbal sistemine gerekli sinyalleri üretir. Ayrıca bu sırada telemetri sistemi ile bir yandan yer istasyonundan gönderilen uçuş modu ve rota değişikliklerini takip ederken bir yandan da uçuş verilerini yer istasyonuna iletmektedir. 9
3.2 Kamera Jimbal Sistemi Uçak ve uçuş sistemi tasarlanırken, uçuş sırasında alınan veriler ile su bulanıklığı değerlerine ulaşmak amaçlanmıştır. Ölçüm almak için kullanılacak kamera için bir jimbal sistemi tasarlanmıştır (Şekil-6). Jimbalda kullanılan iki adet servo, ArduPilot Mega 2.5 üzerinde bulunan ataletsel sensörlerinin verilerine göre sürülür. Böylece uçuş sırasında kamera platformunun devamlı olarak yere paralel durması sağlanır. Şekil -6 Kamera jimbal sistemi. 3. UÇUŞ TESTLERİ: Projenin uygulama alanı Asar Tepe Baraj Gölü nde saha etütleri yapılmasının ardından 80 cm kanat açıklığı bulunan prototip-i ile test uçuşları gerçekleştirilmiştir (Şekil-7). a) Asartepe Baraj Gölü testi. b) 80 cm kanat açıklığı bulunan prototip-i. Şekil-7 Asar Tepe Baraj Gölü Testleri. 10
Ayrıca ODTÜ kampüs alanında bulunan Eymir Gölü ve DSİ 50.Yıl Göleti uçuş testleri için uygun alanlar olarak belirlenmiştir. Bu alanlar için ODTÜ Rektörlüğünden uçuş test izinleri alınmış ve kanat açıklığı 117 cm olan prototip-ii ile uçuş testleri gerçekleştirilmiştir. Bu uçuşlardan ilkinde, uçak uzaktan kumanda ile kontrol edilmiş ve uçağın manuel uçuştaki sistem dinamiklerine bağlı uçuş kabiliyeti pilot tarafından test edilmiştir. Ardından uçağa kamera jimbal sistemi ve otomatik uçuş kontrol sistemi de eklenerek uçak uzaktan algılama yapabilecek hale getirilmiştir. Bu uçuş sırasında uçuş yine uzaktan kumanda ile kontrol edilmiştir. Kamera jimbali sistemi ise otomatik uçuş kontrol sisteminin kontrolüne bırakılmıştır. Test uçuşu sırasında alınan kamera kayıtları incelendiğinde otomatik uçuş kontrol sisteminin kamera jimbali sisteminin eyleyicilerini (servo motorlarını) başarılı şekilde kontrol ederek istenen verilerin alımını gerçekleştirdiği gözlenmiştir (Şekil 8c). a) Prototip-II sudan kalkış. b) Prototip-II test uçuşu. c) Havadan alınan görüntü. d) Test uçağı genel görünümü. Şekil-8 ODTÜ 50. Yıl DSİ Göleti uçuş testleri. 11
Otomatik uçuş sistemi tarafından uçuş verileri kaydedilmiştir. Bu verilerden elde edilen uçuş güzergahı Şekil-9 da görülebilir. Şekil-9 ODTÜ DSİ 50. Yıl Gölet inde yapılan test uçuşu güzergahı. 4. SONUÇ: Sudan kalkabilen bir İHA sistemi tasarlanmış ve üretilmiştir. Uçuş testleri gerçekleştirilmiştir. Sabit irtifada uçabilen ve görüntü alabilen bir sistem geliştirilmiştir. Sonraki çalışmalarda yer ölçüm ile klorofil değerlerinin doğrulaması yapılacak ve İHA dan farklı bantlarda çekilen görüntülerle eşleştirme sağlanacaktır. TEŞEKKÜR: Test pilotumuz Saffet GÖKUÇ a proje süresince verdiği destekler için teşekkür ediyoruz. Lisans öğrencisi İsmail UZUNLAR a proje süresince verdiği destekler için teşekkür ediyoruz. Bu proje TÜBİTAK 1002 projesi No: 112Y212 tarafından desteklenmektedir. Ayrıca ilerleyen dönemde, İHA nın bir pilota ihtiyacı olmadan iniş, kalkış yapabilmesi ve yer istasyonundan gönderilen talimatlar ile uçuşunu otonom olarak gerçekleştirmesi sağlanacaktır. 12
KAYNAKÇA: Anderson (1999), Aircraft performance and design, McGraw-Hill. Leland M. Nicolai, Grant E. Carichner (2010), Fundamentals of Aircraft and Airship Design, Restron, American Institute of Aeronautics and Astronautics,INC. Greg Pisanich, QSS Group Inc (2001), FIELDING AN AMPHIBIOUS UAV: DEVELOPMENT, RESULTS, AND LESSONS LEARNED, NASA Ames Research Center, Moffett Field, CA Dr. Stephen Morris, MLB, Palo Alto, CA How2rc (2008), Construction guide for the Polaris Parkflyer By Steve Shumate, http://www.how2rc.com/polaris%20construction%20guide%20scratchbuild.pdf,[erişim 07.08.2012] Ppart (2011), NACA 5 Digits Series Jens Trapp and Robert Zores, http://www.ppart.de/aerodynamics/profiles/naca5.html, [Erişim 20.08.2012] Diydrones (2012), Ardupilot-Mega, http://code.google.com/p/ardupilot-mega/wiki/apm25board.html, [Erişim 08.08.2012] 13