Quadcopter

Qaudcopter temel olarak tanımı şöyle yapılabilir; Dört motorlu bir insansız hava aracıdır. Genel olarak quadcopterlere mülticopter,quadrotor isimleri verilir. Quadcopterler günümüzde bir çok alanda kullanılmaktadır.İnsansız hava araçları olarak bilinirler(İHA). Daha çok ilk yardım, harita ve görüntü işleme, savunma sanayisi, kargo işlerinde, havadan video çekimi, askeri operasyonlar gibi bir çok amaca hizmet etmektedir.

Quadcopterler genel olarak dört motora ve dört pervaneye(prob) sahiptir. Motorların karşılık (çapraz) saat yönü diğer ise saat yönü tersine dönerek havada stabil bir şekilde hareket etmesi sağlanır. Üzerinde bulunan anakart ile kumanda dan gelen sinyaller tanımlayarak hareketini sağlar.Bir çok motor ve pervane çeşiti olduğu gibi kartlarda mevcuttur. ESC(hız kontrol) ve lipo pil temel parçalardandır.

Şekil 1: Quadcopter

Genel olarak quadcopter malzemelerini şöyle sıralayabiliriz;

1-Frema(Gövde),
2-Fırçasız motor,
3-Anakart(Kit, İşlemci)
4-ESC(Hız kontrol)
5-Pervane(prob),
6-Kumanda,
7-Lipo Pil,
8-Lipo pil şarj aleti ve bataryası,
9-Güç dağıtımı(Power distirübütör),
11-    Alıcı-Verici(receiver, transnitter),
12-Ara bağlant kabloları, soketler

Şekil 2: Quadcopter malzemleri

Frame(Gövde)

Quadcopterin temel parçalarından biri olan frame yani çerçeve en basit yapı malzemesi olarak plastik kullanılır. Profesyonel quadcopter yapan için hafif, darbe ve çarpmalar dayanıklı ayrıca hafif olan carbon fiber tercih edilmektedir.

Frame bir çok çeşitleri mevcuttur.(F450, F550, 250mini)Yapmak istenilen quad ın amacına en verimli şekilde hizmet etmesi için frame seçimi önemlidir. Özellikle quadlar konusunda yeni olan arkadaşlar için plastik frameler tercih edilmesi tavsiye edilir. Frame üzerine yerleştirilen kart quadcopterin yönünü belirler.

Şekil.1 Frame F450

Şekil.2. Frame 250mini quad

Fırçasız Motor (Brushless)

Quadcopterlerden kullanılan motorlar fırçasız motorlardır. Elektrik motorları manyetik alanı kullanarak elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren motorlardır.

Şekil 1: Quadcopter fırçasız motor

 Fırçasız motorlar inrunner ve outrunner olmak üzere ikiye ayrılır. Inrunner denilen motorlar, klasik rotoru motorun merkezinde olan sabit sargıları dış kısımda olan motorlardır. Yani motorun dış çeperi sabitken iç kısmı hareket eder. Outrunner motorlarda ise motor sargıları motorun merkezinde ve sabitken, rotor, üzerinde mıknatısları da barındıracak şekilde motorun dış çeperi, dış kısmıdır. Yani motorun dış kısmı hareket ederken iç kısmı sabittir. Genellikle multikopter sistemlerinde kullanılan fırçasız motorlar outrunner tiptir. 

Şekil 1: Quadcopter Inrunner 

Şekil 1: Quadcopter Outrunner

Kv değeri fırçasız elektrik motorları için geçerli olan devir katsayısını gösteren değerdir. Voltaja göre devir sayısının hesaplanmasını sağlar. Yani motorun 1V başına 1 dakikada çevireceği devir sayısını gösteren parametredir. 

Örneğin 10 V ile çalışan bir motorun Kv değeri 700 ise bu motorun dakikadaki devir sayısı= 10x700=7000 devir/dakika’ dır. Genellikle dev/dakika yerine rpm (revolution per minute) kullanılır. 

Diğer bir parametre Kt değeri diye tabir edilen tork katsayısıdır. Bu değer bir motorun amper başına vereceği tork değerini ounce-inch cinsinden ifade eder. Örneğin 0,60 oz-inc/A Kt değerine sahip bir motor 10 A de 6 oz-inc tork verir. 

Kv değeri ile Kt değeri arasında ters orantı vardır. Yani Kv değeri yüksek olan bir motorun amper başına vereceği tork değeri düşük olur. Bu sebepten yüksek Kv değerli motorlarda tork değerinin artırılması için küçük pervaneler ya da ek dişli sistemleri kullanılmalıdır. Fırçasız motorların etiketlerinde ya da özellikler tablosunda optimum verim için kullanılması gereken pervane ölçütleri de belirtilir. Kullanılacak pervanelerin bu özellikler dahilinde olması verimi artırmaktadır.  

Motor Seçimi

Quadcopter motor seçiminde dikkat edilemesi gerekenlerden biri lipo pil ve esc akım değeridir. Motor çekeceği akım değeri esc ve lipo pilden düşük olmalıdır. Sıralama yapmak gerekirse temel olarak  lipo pil> ESC>(4*motor) dört motorun çekeceği akım değeri baz alınır. 

Örnek vermek gerekirse motor 25A, esc 40A, lipo pil 50A olacak şekilde seçilir. Yeni başlayan arkadaşlar için bu çok önemli bir konudur. Motor seçiminde bir diğer önemli özellik ise pervanedir. Pervaneyi seçiminde alacakları motorun özellikler kısmına bakarsanız hangi pervaneyi seçmeniz tavsiye edilir.(8x3, 10x7, 11x7, 8x4 gibi ölçüler verilir.)  

Kaynak: Quadcopter nedir nasil ucar, Gökhan Göl

Anakart(Kit, İşlemci)

Anakartlar çok çeşitli ve değişken özelliklere sahip parçalardır. Bu nedenle anakart seçimi quadcopterin stabilizasyonuna, şekline, sensörlerine göre farklılaşacak bir tercihtir. Burada dikkat edilecek ana öğe anakartın quadcopter ile yani 4 pervaneli bir multikopter ile uyumlu olup olmadığıdır.           

Şekil 1: Quadcopter APM anakart

Gyro : Bu sensör sayesinde quadcopter havada daima dengede kalmaya çalışacaktır. Quadcoptere çok gaz verdik ve öne doğru yatmaya başladı burada devreye gyro sistemi girer ve daha fazla yatmasına izin vermeyerek, hız sebebiyle oluşan bu dengesizliği ortadan kaldırır.

Accelerometer : Bu sensör cihazın dış etkenlerden (rüzgar, dengesiz yük v.b) minimum düzeyde etkilenmesini sağlar. Cihazı sürekli yere paralel tutmaya çalışır. Sağdan gelen rüzgarı soldan yapacağı hareket ile bertaraf ederek, cihazın yer ile ilişkisini stabil kılar.

Barometer: Basınç sensörüdür. Havadaki basınç değişimini algılayarak, cihazın sürekli aynı yükseklikte asılı kalmasını sağlar. Kumandadan gaz verildiğimizde multikopter yükselmek isteyecektir ancak basınç sensörü sayesinde yükselen basınç değeri algılanır ve multikopter aynı basınç değerinde kalma direnci gösterir.

Magnetometer: Pusula sensörüdür. Multikopterin sağa sola dönmesini engeller ve kumandayı bıraktığımızda hangi yöne doğru bakıyorsa oraya bakmaya devam etmesini sağlar. Kumandadan multikopterin kendi ekseni etrafında dönmesini istersek, kumandayı bıraktığımızda da bu harekete devam edebilirdi. Ancak pusula sensörü sayesinde cihaz hareketi tamamladığında, bırakılan yöne sabitlenir. 

Quadcopter yönünü belirleme de ana kart çok önemlidir. Quadcopterin X veya  + gibi modlar belirlenir, Quadcopterin ileri veya geri yön hareketinde hangi motorların haraket edeceği bu şekilde belirlenmiş olur.

Şekil 2: Quadcopter Configuration

Hız Kontrol Ünitesi (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. ESC seçerken dikkat edilecek unsurlar;

- Programlanabilir olması,

- ESC’nin verebildiği maksimum akım değeri şeklindedir.

Şekil 1: Hız Kontrol Ünitesi (ESC) 

ESC seçimi yapılacak quadcopter için çok önemli konulardan biridir. Şöyle ki: Örneğin akım değeri 10.5 A olan bir motor için alınması gereken ideal ESC en az 11-11.5 A olmalıdır ki üstü tavsiye edilir. ESC’nin verebildiği maksimum akım değeri ise motorun özelliğine göre gerekli akım(A) değerini desteklemelidir.

Lipo pilden geçecek bütün akım ilk olarak esc den geçer daha sonra motordan geçer. Farz edelim seçilen esc akım değeri motorun kin den daha büyük, bundan dolayı motorunuz aşırı yüklenmeden dolayı yanması kaçınılmaz bir olaydır 

Simmechanics ile Motor-Pervane

Mekanik aksan için kullanılacak elamanlar şase, pervane, çerçeve ve motorlardır. Yüksek bir performans ve basit kontrol algoritmaları için motorlar ve pervaneler eşit uzaklıkta olmalıdır. Karşılıklı pervanelerin de aynı yönde dönmeleri gerekmektedir.  Çerçeve olarak karbon fiber ve alüminyum alaşımdan yapılmış, hafif ve dayanıklı olanı seçilmiştir.

Şekil 1 Quadcopter SimMechanics blok diyagramı

Motor çıkışından alın Revolet ile pervanin dönmesi sağlanmaktadır. Revolute bağlı olan Joint actuator yani tor olarak isimlendirilen bloktan O.5 Nm’lik bir tork ile pernanenin dönmesini sağlayan değer atanır. Joint sensör ile ise çıkışı Tork olan yani Scope dan Tork grafiğini zamana göre elde edilir.  Body sensör ile ise konumu çıkışını almak için scope bağlanır.
Dairesel blok ile ise pervanenin dairesel olarak dönerken RPM yani hızını ölçmek için joint sensör ile beraber scope dan zaman göre grafiği elde edilir.
Enw olarak gösterilen blok ise yerçekimi değeri tanımlanır,  Rootground ile ise yüzeye olan uzaklı tanımlanır. Weld bloğu durumlar arasındaki ilişkiyi sağlar. Body coordinate systems (CS) Sürücü tarafından seçilen vücut CS bağlı bir komşu organ ya da zemin üzerinde koordinat sistemi olarak tanımlanır.

Şekil 2 Quadcopter SimMechanics motor ve pervane mekaniği-1

Şekil 3 Quadcopter SimMechanics motor ve pervane mekaniği-2

Şekil 4 Quadcopter SimMechanics 0.5 Nm ‘lik Tork Grafiği

Şekil 5 Quadcopter SimMechanics 0.5 Nm Torktaki RPM Grafiği

Şekil 6 Quadcopter SimMechanics Konum Grafiği

Quadcopter pervanesi döndüğünde, konum sabit kalacaktır. Bundan dolayı konum grafiğinde görüldüğü gibi sadece konum da değişiklik olmayacaktır. 

Ansys Quadcopter Pervane Analiz

Ansys ile pervane analizi gerçekleştirildi. Rotational Velocity ( dönme hızı ) ile pervane RPM(hız) analizini gerçekleştirdik. Pervane de yapısal analizi kullanılarak analiz edilir. Pervane analizi için, 9000 rpm bir dönme hızı verilir ve analiz gerçekleştirilir. Elde ettiğimiz eşdeğer gerilme sınırı içindedir. Polyethylene Ultimate Çekme Stres 33 MPa olduğunu. 29.549 MPa Max eşdeğer gerilme elde edilir. Dolayısıyla pervanemizde Polyethylene kullanılması güvenli olduğunu görürüz.

Şekil 1. Polyethylene ile yapılmış pervane mesh

 Mesh örümcek ağ şeklinde oluşturduğu her bölgeden kısmi diferansiyel denklem olarak aldığı örneklerdir. Yani sonsuz bir değişkeni sonlu bir değişkene dönüştürerek malzemenin değerlerini hesaplanması sağlar.

   Aşağıdaki şekillerde aldığı örnek sayısı arttırılmış ve değerlerin hassasiyet artmış olur.

Şekil 2. Mesh Element Metrik Grafiği 

Şekil 3. Polyethylene ile yapılmış pervane eşdeğer gerilmesi

Yukarıda ki pervane de Rotational Velocity ile RPM 9000 hız ile analiz edildi. Eşdeğer gerilimi 29.549 olarak analiz gerçekleşti.

Şekil 4. Polyethylene ile yapılmış pervane toplam deformasyon

Total deformation ile uygulanan Rotational Velocity göre ne kadar yükseğe çekileceği görülmektedir. Maksimum yükselmenin olduğu yer kırmızı renkte, minimum yükselmenin olduğu yer mavi renklerle gösterilmiştir.

Total deformantion’ da 9000 RPM’ lik değişken bir Rotational Velocity uygulandığında yani pervanemizin en çok uç kısımlarda deformasyona uğradığını yerin kanat uçları olduğunu görmekteyiz.