Quadrotor Üzerine Bazı Mülahazalar Bölüm 1

Quadcopter nedir? Ne değildir ?

Quadcopter

Quadcopter, quadrotor, quadrocopter ve türevi isimlerle anılır camiada. Üç aşağı beş yukarı hepsi aynı şeye tekabül eder bunların. Daha bir Türkçe anlatmak gerekirse dört adet motoru olan insansız hava aracıdır diyebiliriz.

En çok karşılaştığım soruyla başlıyorum siz de bu işe girerseniz hazırlıklı olasınız diye ( her seferinde aynı şaşkınlığı yaşıyorum, avuçlarım terliyor bu soruyu duyunca !)

  • Bu uçuyor mu ?
    • Evet uçuyor. (Yok yüzüyor)(Bundan sonrası çorap söküğü gibi gelir.)
  • Bunu kendin mi yaptın ?
    • Evet
  • Kaç para bu ?
    • Satmıyorum. Böyle bir şey almak mı istiyorsun ?
  • Yok merak ettim
    • Bu konuya ilgin mi var ?
  • Yok öylesine sordum

Cidden merak eden varsa ekonomik bir model için 300 lira civarı bir bütçe yeterlidir.
İşte bir can alıcı soru daha;

  • Gerçek mi bu ?
    • Yok abi bu gördüğün zahiridir. Bir ayna düzeneği ile sağlıyoruz bu görüntüyü demeyi çok istedim ama el mahkum. Evet abi gerçek !
  • Beni uçurur mu ?
    • Hayır abi. ( Atla bir boğaz turu yapalım istersen )

Samimi söylüyorum sabırlı bir insan değilseniz kesinlikle hiç başlamayın bu işe. İşin teknik yönü bir yana böyle insanlarla uğraşacaksınız ekseriyetle.

Kimler quadcopter yapabilir ?

Peki kimler quadcopter yapabilir ? Quadcopter yapmak için mühendis olmak mı gerekir ? Kişi ne gibi teknik donanımlara sahip olmalıdır ? Bu soruların cevabı sizin quadro ile kurmak istediğiniz ilişki düzeyine göre değişir. Bu işle hobi düzeyinde ilgilenmek için biraz el becerisi, nefes almaya yetecek kadar ve üstü zeka seviyesi, araştırma isteği ile makul düzeyde bir sabır yeterlidir. Bu işi hobi edinmiş insanlar için geliştirilmiş bir çok araç gereç piyasada mevcuttur. Ve en önemlisi de quadronun uçmasını sağlayan yazılımlar açık kaynak olarak yayınlanmaktadır. Tek yapmamız gereken gerekli parçaları doğru şekilde birleştirmek ve yazılım kalibrasyonunu sağlamaktır ki bunu ilerde ayrıntılı olarak anlatacağım. Ancak ilişkinizi bir sonraki aşamaya geçirmek isterseniz yani işin tasarım kısmında ben olayım derseniz o zaman mühendislik eğitimi şart. Uğraştığımız şeyin bu kadar disiplinler arası olması da bu eğitimin sınırlarının geniş olmasını gerektiriyor. Şöyle ki quadcopter yapmak için;

  • Aracın mekaniğini tasarlamalı, bu tasarımın dinamik, statik, mukavemet analizlerini yapabilmelisiniz
  • En azından temel düzeyde elektronik bilgisine sahip olmalısınız
  • Sistemin dinamiklerini ve matematik modelini çıkarabilmelisiniz
  • İleri seviyede yazılım bilgisine sahip olmalısınız ki quadcopter kontrolü için basit kontrol algoritmaları olmasının yanı sıra ileri seviye kontrol algoritmaları da kullanılabilir.

Malzeme seçimi ?

Malum bir çok parçayı kendi imkanlarımız ile üretemiyoruz. O yüzden bu işin % 50 si malzeme seçimidir. Malzemeleri temin edebileceğimiz bir çok yabancı site var. Ancak malesef yerli bir kaynak yok diyebilirim. Türkiye’ de bu satış yapan firmalar hem çok pahalı hem de yeterli sayıda çeşit barındırmıyor. Ben Hobbyking’ten alışveriş yapıyorum. Hem en ucuz hem de en çok çeşit barındıran site. Kargo konusunda bazı sıkıntılar var ama yine de en uygun kaynak diyebilirim. Yurtdışından alışveriş ve kargo konusuna daha sonra değineceğim.

Malzeme seçmek için öncelikle yapmak istediğimiz quadcopterin tahmini ağırlığını belirlemek gerekir. Bu ağırlığı belirleyebilmek için kullanılacak malzemelerin de yaklaşık olarak ağırlıklarının bilinmesi gerekir.

-Motor

Motor

Motor quadcopterin en temel elemanıdır. Pervanelerin de yardımıyla quadronun hareket etmesini sağlar. Quadrocopterin yaptığı her hareket üzerinde bulunan dört motorun farklı dönme hızı kombinasyonlarına göre oluşur. Bu hareketlerden ilerde daha detaylı bahsedeceğim.

Temelde motor seçimindeki en önemli faktör quadro üzerindeki dört motor-pervane çiftinin toplam itkisinin quadronun ağırlığını taşıyabilecek düzeyde olmasıdır. Örneğin quadro ağırlığı 2 kg olsun. Bu ağırlık için bir motor pervane çiftinin itkisi yaklaşık 1 kg olmalıdır. Yani toplam itki 1 * 4 = 4 kg civarında olmalıdır. Bu motorlar yarı güçteyken quadrocopter havalanabilir demektir. ( Yani bir motor yarım kapasitede çalışırken 0,5 kg * 4 = 2 kg, aşağı ve yukarı olan net kuvvet eşitlenir, sonuçta ayaklarımız yerden kesilebilir neden olmasın) Tüm hobi sitelerinde toplam maksimum itkinin ağırlığın iki katı olması gerektiği, bunun optimum ağırlık olduğu yazıyor ancak bunun üzerine çok da bir bilimsel çalışma yaptığım söylenemez. Ben hobicilerin yalancısıyım.

-Pil

Pil

Pil quadronun enerji kaynağıdır. Quadro yüksek akım gereksinimi duyduğundan genelde lidyum-polimer (LiPo)bataryalar kullanılır. Lipolar cell’ lerden oluşur. Her bir cell’ in voltajı 3.7 V tur. Yani 3S bir liponun potansiyel farkı 11.1 V tur. Ancak bu değerden fazla şarj edilebilir. Bir cell’ in potansiyelinin 4 V u geçmemesine dikkat edin derim. Lipolarda diğer pillerde olduğu gibi maH değeri vardır. Bu değer pilin toplam elektron kapasitesiyle alakalıdır. Yani pilin verebileceği toplam akımı gösterir. Pilin üzerinde bir C değeri bulunur. Bu birim zamanda verebildiği akımla ilgilidir. Örnek olarak 4000 mah( miliamper-saat) 3S ve 20 C bir lipoyu ele alalım. Bu pil birim zamanda 20 * 4 = 80 A akım verebilir. Yani bu pili kullanacak olursak kuracağımız elektronik anlık olarak 80 A den fazla akıma ihtiyaç duymamalıdır. Aksi taktirde hem tasarımımız verimli çalışmaz hem de liponun ve bizim sağlığımız açısından riskli bir durum ortaya çıkar. Lipolarla ilgili bir çok şehir efsanesi vardır. Bunlara itibar etmemenizi tavsiye ederim.

-ESC (electronic speed controller)

ESC

ESC quadcopterin üzerindeki brussless motorları sürebilmek için gerekli elektronik elemandır. Data girişlerine verilen PWM sinyaline göre motor hızını ayarlarlar. Bunu akım kontrolü ile yaparlar. ESC seçiminde dikkat edilmesi gereken en önemli şey motorun maksimum akım değerinden düşük ESC seçmemektir. Motor ESC’ den veremeyeceği bir akım çekmeye çalışırsa burnunuza kötü kokular gelmeye başlar ve eğer quadcopter havadayken bu olay cereyan eder ise kafanızı koruyun derim. Sonuç olarak ESC yanar ve yanan ESC’ye bağlı motor durur. Örneğin burst akım değeri 19 A olan bir motor için alınması gereken ideal ESC en az 20 A olmalıdır ki üstü tavsiye edilir. Değişik yazılımlara sahip ESC’ler mevcut SIMONK yazlılımlı ESC’ler diğerlerine göre daha iyi tepki süreleri veriyor. İmkan varsa onları tercih edin derim.

- Frame (Gövde)

Frame

Frame quadcopterin tüm elemanlarını taşıyan, quadroya şeklini veren yapıdır. Aerodinamik, statik ve dinamik spesifikasyonlara göre çok çeşitli gövde tasarımları yapılabilir. Ancak tasarımda sadelik birinci önceliktir diyebilirim. Çünkü bilimsel bir araştırma yapıyor olsanız dahi çok karışık bir tasarımın modelini çıkarmak oldukça zor olacaktır. Bunun yanında bir çok hazır gövde tasarımları vardır ve genelde bunlar kendi tasarımlarınızı üretmekten daha az maliyetlidir. Bunlar düşünüldüğünde hazır bir gövde ile başlamanızı öneririm. Bu sıkıcı tanımlardan sonra asıl önemli nokta, malzeme seçiminde frame seçimi durumudur. Bir frame seçerken olabildiğince hafif ve olabildiğince dayanıklı malzemeler seçilmelidir. Piyasada bulunabilecek frameler genelde aluminyum alaşımları, sert plastik ve karbonfiberden yapılıyor. Benim önerim karbonfiber frameler. Hem diğerlerine göre daha hafif hem de dayanımı en yüksek olanı. Ayrıca motor bölümünde anlattığım toplam ağırlık hesabında frame en büyük ağırlığı oluşturduğundan önemlidir.

- Propeller (Pervane)

Proppeller

Pervaneler motordaki dönme hareketini dikey doğrultuda itkiye yani kaldırma kuvvetine çeviren elemanlardır. Dönme yönüne ve pervanenin şekline göre havayı yönlendirir ve bu şekilde bir kuvvet üretirler. Pervane seçiminde önemli olan seçtiğimiz motorların pervaneyi çevirebiliyor olup olmamasıdır ilk olarak. Basitçe pervane karakteristiğini anlatan iki değer vardır. Bunlar diameter(çap) ve pitch(ilerleme,hatve,adım) değerleridir. İtki kuvveti akış hesaplarından gelen bir formülle hesaplanabilir. Ancak basitçe itki pervane çapı ve pervanenin dönme hızı ile orantılıdır denilebilir. Yani aynı hızda dönen iki pervaneden çapı büyük olan daha büyük itki üretir. Bu söylediğim aynı tip pervaneler için geçerli bir durum tabi ki. Çeşitli pervane tasarımları mevcut ve aslında her firma kendi pervane tasarımının daha verimli olduğunu iddia ediyor. Ancak bana sorarsanız eğer bilimsel bir çalışma yapmıyorsanız bunlar sizi çok da ilgilendirmiyor. Toplam ağırlığınıza ve motor gücünüze göre 10x4.5 veya 8x4.5 pervaneler kullanabilirsiniz. Plastik, karbonfiber, tahta gibi malzeme seçenekleri de mevcut ancak basit quadcopterler için genelde plastik pervaneler kullanılıyor.

-Flight Controller (Uçuş Kartı)

Flight Controller

Temelde bir microdenetleyici ve sensörlerden oluşan tümleşik bir sistemdir. Aldığınız kartın seviyesine göre işlem kapasitesi ve sensör çeşitliliği artar. Quadcopterin en basit şekilde uçması için bir mikrodenetleyici ve bir accelerometre (ivme sönsörü) yeterlidir. En basit uçuş kartlarında dahi bir accelerometre ve bir gyro(jiroskop) bulunur. Uçuşun kalitesini arttırmak, yön bulmak, otonom planlı uçuşlar yapmak, yükselik kontrolü sağlamak vb. gereksinimler doğrultusunda kontrol kartlarındaki sensör sayıları değişebilir. Gps , barometre, magnetometre gibi sensörlere sahip kartlar da mevcuttur.

-Radio (Alıcı-Verici)

Radio

Alıcı verici uçuş menzilini belirlediğinden önemlidir. Elinizdeki Sistem ne kadar güçlü ise o kadar yeni ufuklara yelken açabilirsiniz. Ancak bir fpv ( first person view) sistem düşünmüyorsanız yani gözün görebildiğinden daha uzağa gitmeyecekseniz ortalama bir alıcı verici alabilirsiniz. Alıcı quadcopterin üzerine bağlanan rf(radio frequency) bir devredir. Verici ise rf bir kumandadır(uzaktan kumandalı arabalardakinin aynısı). Farklı frekanslarda alıcı-verici sitemleri mevcuttur. Benim en çok karşılaştıklarım 900Hz, 1.2 Ghz, 2.4 Ghz , 5.8 Ghz olanlar. En fazla kullanılan ise 2.4 Ghz sistemler. Bu frekanslara göre ne gibi farklılıklar oluşuyor gerçekte ben de çok bilgili değilim bu konuda. Ancak alıcı-vericinin frekansa,anten boyuna, vericinin Gain(kazanç oranı)'e göre sitemin menzili, iletişimin çözünürlüğü vs. değişiyor.

-Power Distributor (Güç Dağıtıcı Devre)

Power Distributor

Güç dağıtıcı devre pildeki enerjiyi ESC’lere dolayısıyla motorlara dağıtır. Aslında tüm ESC’leri paralel olarak pile bağlar. Bunun için kendimiz de basit bir devre yapabiliriz. Ya da ESC’lerin uçlarını birbirine ve pile paralel olacak şekilde lehimlemek de çözümdür ama tavsiye etmem. Bunun yerine güç dağıtıcı aparatlar kullanmak daha uygundur.


İşte tüm malzemeler bu kadar. Şimdilik burda bırakalım. İkinci kısımda bu malzemelere nasıl ruh verildiğinden bahsedeceğim. Esen kalın...