Mini jet motorlu dikine kalkıp inebilen hava aracı geliştirilmesi

İnsansız hava araçları çeşitli sebeplerden ötürü özellikle son yıllarda hayatın birçokalanında sıklıkla kullanılmaya başlanmıştır. Askeri amaçlı kullanılan insansız havaaraçları ile insan hayatını riske atacak operasyonlarda insan faktörü ortadankaldırılmaktadır. Otonom olarak görev yapan insansız hava araçlarınınkullanılmasıyla birlikte pilotlardan kaynaklanacak olan hatalar ortadan kaldırılmaktave daha güvenilir uçuş gerçekleştirilmektedir. Özellikle insanlar için tehlikeli olanbirtakım işlerde kullanılarak insan hayatının korunmasına yardımcı olan bu araçlar,aynı zamanda eğlence amacıyla da kullanılmaktadır. Üzerinde kamera bulunan havaaraçları ile daha önce çekilemeyen doğa fotoğrafları ve videoları ekonomik ve kolaybir şekilde çekilebilmektedir. Son yıllarda gelişen teknolojiler ile birlikte bazıinsansız hava araçlarının kullanıcılarını otomatik olarak takip edip videoya alma gibiözellikleri ortaya çıkmıştır. Günümüzde bazı firmalar adrese paket kargolamaişlerinde de insansız hava araçlarının kullanılması için çalışmalar yapmaktadır.İnsansız hava araçlarının daha önce hiç görülmemiş ve tahmin edilmemiş alanlardaşuan kullanılmakta olması, gelecekte bu araçların insan hayatına daha fazla dâhilolarak hayatı kolaylaştıracağını göstermektedir.Sivil ve askeri alanda bu denli kullanılan insansız hava araçlarının tamamınayakınında ana itki kaynağı olarak elektrikli motorlar kullanılmaktadır. Elektriklimotorların bu kadar çok tercih edilmesinin altında kullanımının kolay olması, tepkisürelerinin kısa olması gibi sebeplerle hava aracının kontrolünde büyük kolaylıksağlaması yatmaktadır. Sağladıkları kolaylıkların yanı sıra elektrikli motorlarındezavantajları da bulunmaktadır. Elektrik motorlarının çalışabilmesi için elektrikenerjisine ihtiyaç duyulmakta ve bu enerji hava araçlarında bataryalardansağlanmaktadır. Bataryaların sahip olduğu enerji ve kütle, kullanılan birçok insansızhava aracının uçuş süresini ve kaldırılabilecek maksimum yük miktarını ciddi orandakısıtlamaktadır. Diğer taraftan, kişisel insanlı hava taşıtları gibi ağır yük taşıyan vedaha uzun süre havada kalabilen araçlara duyulan ihtiyaç artmaktadır.Bu çalışmada, mini jet motorlarının ana itki kaynağı olarak kullanıldığı dikey inişkalkış yapabilen bir insansız hava aracının geliştirilmesi ve kontrolüamaçlanmaktadır. Jet motorlarının kullanılması, elektrik motorlu araçlarda olanbatarya ihtiyacını ortadan kaldırmakta, bunun yerine enerji yoğunluğu daha fazlaolan sıvı yakıt kullanımına olanak sağlamaktadır. Jet motorları, özgül güç değeri enyüksek olan motor türüdür. Sahip oldukları bu avantaj ile görece olarak hafif olanmotorlardan daha fazla itki elde edilmekte ve hava aracında taşınabilecek faydalı yükmiktarı artmaktadır.Jet motorları günümüzde dahi dikey iniş kalkış yapabilen insansız hava araçlarındayaygın olarak kullanılmamaktadır. Bunun ana sebebi olarak jet motorlarının dinamikdavranışlarının elektrikli motorlara nazaran çok yavaş olması öne çıkmaktadır. Buprojede jet motorlarının bu dezavantajını ortadan kaldırmak için yeni bir yöntemkullanılmıştır. Jet motorlarının itkilerinin şiddetinin kontrol edilmesi yerine, şiddeti sabit tutulup yönü servo eyleyicilerle kontrol edilmekte ve böylelikle hava aracınınkontrolü sağlanmaktadır.Hava aracında toplamda dört adet jet motoru kullanılmakta ve her bir jet motoruyunuslama ve yuvarlanma eksenlerinde hareket ederek itkiyi yönlendirme özelliğinesahiptir. Hava aracının matematik modeli oluşturulmuş ve gerekli kontrolcü yapılarıiçin araştırmalar yapılmıştır. Hava aracının kontrolü için LQR ve MPC kontrolyöntemleri çalışılmış, oluşturulan matematik model ve kontrolcü yapıları MATLABSimulink ortamında benzetimlere tabi tutulmuştur. Benzetimler neticesindekullanılan kontrolcü yapılarının her ikisinin de jet motorlu hava aracını başarılı birşekilde uçurabildikleri görülmüş ve sistemin gerçeklenmesi için çalışmalaryapılmıştır.Hava aracının kontrolü için jet motorlarının bazı karakteristiklerinin bilinmesigerekliliği sebebiyle, jet motorlarından ihtiyaç duyulan verilerin toplanabildiği birtest düzeneği tasarlanmış ve imal edilmiştir. Yapılan başarılı testler ile gerekli verilertoplanmış ve hava aracının uçuş kontrol algoritmalarında kullanılmak üzerekaydedilmiştir.Jet motorlu hava aracının en önemli yeniliği jet motorlarının itkilerininyönlendirilmesidir. Bu amaç doğrultusunda bir jet motor eğme mekanizmasıtasarlanmış, analizleri yapılmış ve imal edilmiştir. Gerçekleştirilen başarılı testlersonunda jet motorlarının itkilerinin istenen şekilde yönlendirildiği görülmüştür. Unmanned aerial vehicles have been used frequently in many areas of life especiallyin recent years for various reasons. With the use of unmanned aerial vehicles whichare used for military purposes the human factor is eliminated in the operations thatare dangerous for human life. Using unmanned aerial vehicles serving asautonomous, errors resulting from pilots are eliminated and more reliable flights arecarried out. These vehicles which are used especially in some works having dangerfor human life are also used for entertainment purposes. Fascinating nature photosand videos can be captured in an economical and easy way with the use of an aircrafthaving a camera on it. In recent years, with the emerging technologies, someunmanned aerial vehicles are able to automatically follow and capture videos of itsusers. Nowadays, some companies are working on the use of unmanned aerialvehicles for package shipping. The fact that unmanned aerial vehicles are now beingused in unseen and unpredictable areas shows that in the future these vehicles willmake life easier by being more involved in human life.Nearly in all of these unmanned aerial vehicles used in civil and military areas,electric motor are used as main thrust source. Because they are easy to operate andtheir response time is short, electric motors provide easy control of aerial vehicles.Therefore, electric motors are widely used. In addition to their convenience, electricmotors have also disadvantages. Electrical energy is needed for the operation ofelectric motors and this energy is provided from the batteries in air vehicles. Theenergy and mass of the batteries considerably limit the flight time and the maximumload that can be lifted by the vehicle. On the other hand, the need for vehiclescarrying heavy loads such as personal manned aircraft and staying in the air forlonger durations is increasing.In this study, it is aimed to develop and control an unmanned aerial vehicle whichcan vertically take off and land, and uses mini jet engines as main thrust source. Theuse of jet engines eliminates the need for batteries used in electric motor vehicles, butinstead allows the use of liquid fossil fuels having a higher energy density. Jetengines are the type of motor with the highest specific power. With this advantagethey have more propulsion than relatively light engines and the amount of useful loadthat can be transported in the aircraft increases.Even today, jet engines are not widely used in unmanned aerial vehicles capable ofvertical takeoff and landing. The main reason for this is that the dynamic behavior ofjet engines is very slow compared to electric powered motors. In this project, a newmethod has been used to eliminate this disadvantage of jet engines. Instead ofcontrolling the magnitude of the thrust of the jet engines, the magnitude is keptconstant and the direction is controlled by the servo actuators. As a result, control ofaircraft is ensured.A total of four jet engines are used in the aircraft and each jet engine has the abilityto vector the thrust by moving in pitching and rolling axes. A mathematical model ofthe aircraft was developed and research was carried out for the necessary controlstructures. LQR and MPC control methods have been studied for the control ofaircraft, mathematical models and control structures are simulated in MATLABSimulink environment. It was seen that both of the control structures used were ableto successfully fly the jet engine powered aircraft as a result of the simulations.Studies were carried out for the implementation of the system.It is necessary to know some characteristics of the jet engines for the control of theaircraft. For this purpose, a test device is designed and manufactured in which thedata needed from the jet engines can be collected. With the successful testsperformed, the required data were collected and recorded for use in the aircraft'sflight control algorithms.The most important innovation of the jet engine powered aircraft is to direct thethrust of jet engines. For this purpose, a jet motor tilting mechanism has beendesigned, analyzed and manufactured. At the end of the successful tests performed, itwas seen that the thrusts of the jet engines were directed in the desired way.The design and manufacturing of the jet engine powered vehicle having the ability ofvertical take off and landing is completed. During the design, some criterias are takeninto consideration. The body of the jet engine powered vertical take off and landingvehicle must provide enough strength against possible crashes. In addition, thevehicle must be as light as possible. Moreover, there is a budget limit in this project.Therefore, considering the three constraints, an optimal vehicle body has beendesigned and manufactured. The body of the vehicle weights about 40 kg withoutliquid fuel added. The material used in the body is mainly aluminum. The frame ofthe body is manufactured from aluminum sigma profiles. Besides, the jet enginetilting mechanisms are designed and CNC machined from aluminum stock material.Jet engine tilting mechanisms are capable of tilting the jet engine in roll and pitchaxis. During the design of the tilting mechanism, strength and weight constraints arealso considered. The actuators used in tilting mechanisms are electric powered servomotors. There are 12 liters capacity fuel tanks for each jet engine in the jet enginepowered vtol vehicle.In addition to the body design and manufacturing, software development, electronicsystem design and manufacturing are also completed for the jet powered vtol vehicle.There are one STM32 development board and two Arduino Mega on the vehicle asmicrocontrollers. Attitude information of the jet powered vehicle is obtained from aninertial measurement unit placed on the vehicle, while altitude information isgathered from a lidar distance sensor. Reference signal for the control of the jetpowered vehicle is given to the vehicle from RC receiver. The LQR controller usedin the control of the jet powered vtol vehicle runs on STM32 microcontroller.STM32 microcontroller also gets information from inertial measurement unit on thevehicle, altitude sensor, RC receiver and one of the Arduino boards. Inertialmeasurement unit, altitude sensor information and RC receiver information is used inLQR controller algorithm. Resulting controller signal is sent to the servo motordrivers, which are also connected to STM32 microcontroller. Jet engine control units(ECU) are connected to Arduino Mega boards. These control units sends informationabout the jet engine like motor status, angular speed, exhaust temperature to theArduino boards. Arduino boards collect information from jet engine control units andSTM32 microcontroller. There is a wireless communication module connected to oneof the Arduino boards, sending the whole data about the jet powered vtol vehicle tothe ground station. On the ground station computer, there is a user interface programwhich is developed in order to collect data like aircraft attitude and altitude, servomotor angles, jet engine angular velocities, jet engine status etc. from the jet poweredvtol vehicle. Electrical energy needed to power up the devices on the vehicle issupplied from LiPo batteries. Jet engine control units are powered from four 3S 4000mAh batteries, while the remaining devices are powered from one single 4S 5000mAh battery. Microcontroller units and the sensors accept maximum voltage of 5V,while the servo motors accept 12V. There are DC-DC voltage converters on thevehicle to convert 4S battery voltage to the voltage levels of the devices. 89