İHA Sistemi Bileşenleri

Bu bölüm ile kısa bir ara vererek sizlerle paylaştığımız genel havacılık bilgileri sonrası tekrar İHA’lar özeline dönebiliriz.
Kısaca hatırlatmak gerekirse İHA, içinde insan olmadan uçuş yapabilen, motor gücü ile çalışan, bir kontrol bağlantısı ile pilot tarafından kontrol edilebilen veya otonom çalışma yeteneğine sahip olan hava taşıtı olarak tanımlanmıştır.
İHA’ları temel olarak sabit kanat ve döner kanat olarak iki ayrı kategoride incelemek mümkündür. Sabit kanatlar çok daha düşük enerji ile daha stabil uçarlar. Buna karşılık döner kanatlı drone’lar bir piste gerek duymadan kalkıp inebilir, havada asılı kalabilirler.
Sabit kanat İHA’lar aynı uçak prensipleriyle havada kalmaktadır. Çalışma tarzı daha değişik olan drone’lar döner kanatlı olan, copter (kopter) olarak adlandırılan dört (veya daha fazla) pervaneli modellerdir.
Bu bölümde detaylı olarak döner kanatlı İHA’lar ve özellikle dört pervaneli olan quadcopter’lar incelenecektir. Bu araçlar genel ismi ile drone olarak adlandırılacaktır. Drone ismi İngilizce kaynaklıdır ve “vızıldayan cisim” olarak tercüme edilebilir. Bir aralar Türkçe için Türk Dil Kurumu, “uçangöz” ismini benimsemiş olsa da drone’lar zaman içerisinde havada bir göz olmaktan çok daha önemli işlevleri kazanmışlardır. Bu yüzden burada İHA veya genel kullanımı artık halk arasında kabul görmüş “drone” ismi kullanılacaktır.
Ancak şunu da özellikle belirtmek isteriz ki sabit kanatlı İHA’lar ile pervaneli İHA’ların birlikte kullanıldığı çözümlerin sayısı da hızla artmaktadır. Bu drone’lar hem pervanenin getirdiği dikey iniş kalkış ve havada ani hareket edebilme yeteneği hem de sabit kanatların getirdiği uzun pil ömrü ve bunun sonucunda daha yüksek kalkış ağırlığı ile daha uzun mesafeleri kat edebilme yeteneklerini birleştirmektedir. Bu yüzden yeri geldikçe sabit kanatlı İHA’ların de özelliklerine vurgu yapılacaktır.

İHA’ların Temel Çalışma Prensibi

1. 1. Her İHA’nın mutlaka bir uzaktan kumandası vardır. Pilot, kumanda vasıtası ile İHA’ya nasıl uçulması gerektiği ile ilgili komutları gönderir.
   2. Buradan gönderilen yön, hız gibi komutlar önce uçuş kontrol kartına ulaşır ve analiz edilir. Gelişmiş İHA’larda uçuş kontrol kartı, uzaktan kumandadan aldığı bilgiyi IMU, Gyro ve GPS gibi ortam bilgileri ile harmanlayıp en ideal komutları hesaplamaktadır.
   3. Uçuş kontrol kartı, aldığı komuta göre yaptığı hesaplamaları elektronik hız kontrolü (ESC) kartına aktarır.
   4. ESC, motorların nasıl bir performans sağlaması gerektiği ile ilgili bilgiyi her motora ayrı aktarır ve iHA hareket eder.
      Yüzeyde yapılan aslında bu kadar basittir ama tüm bunun altında birçok bileşen yatmaktadır.
      Bir İHA’nın uçuşunu sağlayan unsur, pervanelerinin yarattığı kaldırma kuvvetidir. Pervanelerin arasında gerçekleşen rotasyon koordinasyonu, İHA’nın ne yöne hangi hızda uçacağını (veya havada asılı kalacağını) belirler. Bu yüzden tüm uçuş prensibi, pervanelere gönderilen gücün hesaplanmasına dayanır.
      

Uzaktan kumanda üzerinde bulunan çubuklar, pervanelere gücün ne şekilde dağıtılacağını belirleyen komutları verecek şekilde tasarlanmıştır. Uçağın eksenlerini tanıtırken verilen komutlar, görülebileceği gibi İHA için de aynı terminoloji ile geçerlidir:
Uçaklarda olduğu gibi bir İHA’nın da uçuşunu etkileyen 4 temel güç vardır: Ağırlık, Kalkış, İtki ve Direnç.
Üçten fazla pervaneli İHA’ların üzerinde ikisi farklı yöne dönen pervaneler vardır. Bu durumda uçuşu daha stabil hale getirmek için tüm pervaneler aynı yöne dönmez. Pervane sayısının artması, İHA’nın kullanım amacına göre uçuşu daha kolay hale getirebileceği gibi kaldırılabilecek yükü de arttır. Ama bununla birlikte pili de daha hızlı bitecektir. Bir örnek vermek gerekirse, üç ayaklı bir masa yapmak teknik olarak mümkündür ancak masalar daha dengeli olmak için dört ayaklı yapılır. Eğer çok uzun bir masa yapıyorsanız ayak adedini de arttırmanız gerekir ki hem daha dengeli olsun hem de üzerine yük eklendiğinde ortadan kırılmasın.
Yukarıdaki teknik çizimde görebileceğiniz gibi dört pervaneli bir quadcopter’da pervanelerden ikisi saat yönüne, ikisi ise saat yönünün tersine döner. Bunların dönüş hızı arasındaki oran, momentumu belirler ve İHA’yı hareket ettirir. Momentum, fizikte bir nesnenin kütlesi (kabaca ağırlığı) ve hızının çarpımı ile hesaplanan vektördür. Yani yön de belirten bir değerdir. İHA’nın havada asılı kalabilmesi için İHA’nın pervaneleri ile aşağıya doğru ittiği hava miktarının ağırlığından fazla olması gereklidir.
Örneğin İHA’nın ileri gitmesi için aynı anda önde olan iki pervane yavaşlar, arkadaki ikisi hızlanır. Bu sayede kaldırma gücü ağırlığa eşit kalır ve İHA aynı yükseklikte kalıp sadece hızlanır. İHA’nın hızlanması, sağa sola dönmesi, alçalıp yükselmesi, hep pervanelerin arasındaki dönüş hızının birbirine oranının kontrol edilmesi ile sağlanır. Ancak bu anlatıldığı kadar kolay değildir çünkü uçuşu etkileyen başkaca birçok faktör vardır.

Drone Tasarımı

Bir drone’a baktığımız zaman ana olarak 4 farklı bölümde inceleyebiliriz;

1. Her drone’un bir gövdesi olmak zorundadır. Bu gövde pervane dizilimine göre değişkenlik gösterebilir. Gövdeye drone’un iskeleti diyebiliriz.
2. Her drone’un bir itki (veya güç) sistemine ihtiyacı vardır. Bu sistem genelde motorlar, pervaneler, ECS kartı ve pilden oluşur. İtki sistemine drone’un kasları diyebiliriz.
3. Her drone’un bir uçuş kartına ihtiyacı vardır. Uçuş kartı basit bir devre olabileceği gibi çok karmaşık bir bilgisayar kartı da olabilir. Üzerinde farklı fonksiyonlar taşıyabilir. Uçuş kartına drone’un beyni diyebiliriz.
4. Her drone’un bir de uzaktan kumandaya ihtiyacı vardır.
   Bu genel tanımlamayı yaptıktan sonra bir şema üzerinden tek tek bu parçaları kısaca tanımak faydalı olacaktır. Bu şekilde detaylı anlatım yapılırken farklı parçalara yapılacak referanslar daha anlamlı olacaktır.

1) Pervaneler: Pervane, aslında birden çok kanatın bir araya gelerek oluşturduğu bir yapıdır. İki kanat şekli birbirine bağlandığında pervane olur. Ortalama bir drone’un pervanesi dakikada binlerce kez döner. Bu muazzam hız, drone’un havalanması için gereken miktarda havanın aşağıya itilmesini sağlar. Bir drone’un pervaneleri ikiye ayrılır: “Tractor (yani çekici)” pervaneler ve “Pusher (yani itici)” pervaneler. Bunlar farklı düzeneklerde yerleştirilebilir. Çekici ve itici pervaneler birbirilerine ters yönde dönerek drone’un havada sabit kalmasını sağlarlar.
2) Pervane Motoru: Bir İHA’nın teknoloji açısından belki de en önemli mekanik parçası, pervaneleri çeviren motorlardır. İHA motorlarında nerede ise her gün yeni bir geliştirme görülebilmektedir. Modern drone motorlarının en önemli özelliği, manyetik alan kullanarak dönmeleridir. Motorun istenen nitelik hem hafif olması hem de düşük enerji ile çalışabilmesidir. Bu şekilde kendisine verilen hız komutunu doğru yerine getiren ve drone’u havalandırma gücüne sahip motorlar ortaya çıkmaktadır. Bir drone’un uçuşunu motorların arasındaki koordinasyon ve dolayısı ile pervanenin dönüş hızı belirlemektedir. Motorlara farklı güç gönderilerek drone uçar, yön ve hız değiştirir.
3) Motor Bağlantıları: Pervaneler motora sabit bağlanabileceği gibi genelde bir parça ile tutturulurlar. Pervanenin bir bağlantısı olması, hasar ve yıpranma anında kolay değiştirilmesini sağlamaktadır.

4) İniş Takımları: Yük taşıma hedefi olmayan drone’larda iniş takımı olmaz. Ama eğer bir yük taşıyacaksa mutlaka üzerinde konduğu bir mekanizma olmalıdır. Bu şekilde yükün zarar görmesi engellenir. Basit drone’lar gövdesine iniş yapabileceği gibi gelişmiş modellerde iniş takımları olabilir. Sadece ağır veya pahalı yük taşıyan drone’larda açılıp kapanan iniş takımları tercih edilmektedir. Açılıp kapanan iniş takımları, alta bağlanan bazı kameraların 360 derece görüntü açısına sahip olmasını sağlamaktadır. İniş takımları ayrı olarak da satılmaktadır. Örneğin DJI’ın basit modelleri iniş takımı kullanmazken pahalı Inspire modelinde açılıp kapanır iniş takımı kullanılmaktadır.
5) Boom: Pervane ve motorları gövdeye bağlayan kollara boom ismi verilmektedir. Kısa boom’lar manevra yeteneğini arttırırlar. Uzun boomlar ise daha stabil uçuş sağlarlar. Bu yüzden boom uzunluğu, kullanılacak drone’un işlevine göre doğru hesaplanmalıdır. Boom, iniş kalkış ve hatta bir kaza anında kırılmayacak malzemeden yapılmalıdır ve pervanelerin yarattığı hava akımını etkilememelidir. Boom eğikse İHA düzgün uçamaz, bu yüzden düzenli olarak kontrol edilmesi gerekmektedir.
6) Gövde: Drone’un elektronik parçalarını, pili ve yükleri taşıyan kasasına gövde denir. Boom vasıtası ile motorlar ve pervaneler ana gövdeye bağlıdır. Genelde drone’lar su geçirmez değildir ve ıslanmaması için özen göstermek gerekebilir. Sert bir inişte ana gövde hasar görmese de içerideki elektronik sistemler zarar görebilir. Bu yüzden drone’unuzun gövdesinin sağlam olması, sert kullanmak için bir sebep olmamalıdır. Eğer mekatronik konusunda uzman değilseniz drone’un gövdesini sökmemeniz tavsiye edilmektedir. Dışarıdan bakıldığında komplike durmasa da drone’ların ana gövdesinin içinde oldukça hassas cihazlar bulunmaktadır.
7) ESC (Electronic Speed Controller – Elektronik Hız Kontrolörü): ESC, aldığı talimat ile motorlara nasıl güç dağılacağını belirleyen devredir. Tüm pervaneli drone’ların vazgeçilmez elektronik parçasıdır.
8) Uçuş Kontrol Kartı: Uçuş Kontrol Kartı, GPS, pil, uzaktan kumanda ve diğer parçalardan aldığı bilgileri toplar, işler ve ESC’ye gönderir. İçerisinde otopilot, yapay zekâ gibi gelişmiş fonksiyonlar olabilir. Gelişmiş uçuş kontrol kartları programlanabilmektedir.
9) GPS Modülü: İçinde konum belirleyen bir GPS alıcısı vardır. Çoğu zaman altimeter (yükseklik ölçer) de bulunur ve bu sayede 3 boyutlu bilgi edinir. GPS modülü, sürekli olarak drone’un coğrafi konumu ile ilgili bilgileri toplar ve kaydeder. Gelişmiş drone’larda bir hata anında drone’un nereye ineceği ile ilgili bilgiler GPS koordinatı olarak programlanabilir. Eğer GPS ile birlikte farklı konum belirleme sistemi (örneğin Glonass, GPS’in Rus versiyonu) olan drone’lar bulabiliyorsanız tercih edilmelidir. Bu sayede cihazınızın ihtiyaç anında daha hassas uydu bilgisi temin etmesi ihtimali artar.
10) Transponder: Genelde bir radyo alıcı/vericisidir. Uzaktan kumandadan gelen bilgiyi toplar ve drone üzerindeki bilgileri uzaktan kumandaya aktarır.
11) Anten: Transponder tipine göre bir kablo veya çubuk şeklindedir. Anten kalitesi, drone’un ne kadar uzak mesafeden kumanda edilebileceğini belirler.
12) Pil: Modern drone’larda Lithium Polymer (LiPo) pil kullanılmaktadır. LiPo piller en iyi enerji yoğunluğu, güç yoğunluğu ve pil ömrü sağlamaktadır. Pillere iyi bakılması çok önemlidir. Her zaman bir yedek pil taşımak faydalıdır. Pilin ısınmamasına özen gösterilmelidir. Hasarlı piller oldukça tehlikeli olabilirler. Hasarlı bir pilin kullanılmaması, hatta şarj dahi edilmemesi gerekir.
13) Pil Kontrol Cihazı: Uçuş kartına pil ömrü ile ilgili bilgi toplayarak aktaran parçadır. Pil ömrü, uçuş sırasında çok önemlidir. Drone’unuzun uçuş zamanının pil durumuna göre hesaplanması gerekir. Kalan pil seviyesi İHA’nızın geri dönüşü için yeterli olmalıdır. Pilin sınırlarının zorlanmaması tavsiye edilir.

14) Gimbal: Üzerine genelde kamera gibi faydalı yük takılan ve temel görevi stabilizasyon sağlamak olan kollara gimbal adı verilmektedir. Bazı gimbal’ler 3 eksen üzerinde hareket edip 360 derece dönme yeteneğine sahiptirler. Kameranız ne kadar kaliteli olursa olsun çok kaliteli bir gimbal kullanmıyorsanız elde edeceğiniz görüntü, titreşimden dolayı kalitesiz olacaktır. Eğer jöle efekti adı verilen flulaşmayı çekimlerinizde görüyorsanız bunun sebebi kalitesiz gimbal’dır. Üst seviye gimballar beraberinde motor, kontrol ve stabilizasyon üniteleri ile birlikte gelir ve drone’dan bağımsız kontrol edilebilmektedirler.
15) Ölçüm Sensörleri: Bir drone, çok farklı sensör tipleri taşıyabilmektedir. Bu sensör normal bir kamera olabileceği gibi termal, LİDAR gibi farklı ışık sprektrumlarını ölçebilen, ses dalgalarını, manyetik alanları ölçen çok farklı sensörler de kullanılabilir. GPS bilgisi ile birleştirildiğinde bu sensörler çok hassas ölçümler yapmaktadırlar. Drone’u tam anlamı ile robot yapan aslında üzerinde taşıdığı sensörleridir. Bir drone, sensörler vasıtası ile çevresini ne kadar hassas algılar ise o kadar daha komplike işler yapabilir.
16) Çarpışma Önleme Sensörleri: Ölçüm sensörleri haricinde bir drone üzerinde genelde sonik veya kızılötesi gibi sensörler de bulunur. Bunlar sayesinde drone, çevresindeki tehlikeleri tespit edip bir kazanın önüne geçebilir.
Bu parçalar, genelde gördüğümüz döner kanatlı drone’lardaki genel parçaların tamamıdır. Aslında basit bir drone yapmak için dört pervane, dört motor, dört boom, dört ESC kartı, bir uçuş kontrol kartı ve bir gövde yeterlidir. Bu parçaların satın alınıp kolaylıkla monte edilebildiği drone kitleri satılmaktadır. Ancak bu şekilde yapılan basit drone’ları uçurmak çok zordur. Drone’un elektronik aksamı, uçuşu kolaylaştıran birçok otomasyon fonksiyonunu beraberinde getirir. Genelde piyasadan alınan drone’lar, kolay uçurulabilmesi için bu tip cihazlar ve yazılımlar ile donatılmışlardır. Yarış drone’ları gibi kullanıcının el hareketlerini olduğu gibi motorlara yansıtan drone’ları uçurabilmek için aylar, uzmanlaşmak için yıllar gerekebilir.
Drone’unuzun parçalarını ne kadar yakından tanırsanız, drone’unuzu arzu ettiğiniz şekilde o kadar iyi kullanabilir, programlayabilir ve hatta geliştirebilirsiniz. Mesela yapmak isteyeceğiniz işe göre boom uzunluğunu ayarlayabilir, farklı ebatlarda pervaneler tercih edebilir, pervane adedini arttırabilir hatta sık kullandığınız fonksiyonları programlayabilirsiniz. Drone’unuzu yakından tanımak aynı zamanda uçuş sırasında kontrolünüzü arttıracak ve kaza riskinizi azaltacaktır.