Dron Tasarımda Mekanik Kriterler

Dron Tasarımda Mekanik Kriterler

Dron tasarımlarında mekanik tasarım uçuş performansını, dayanıklılığını, verimliliğini ve stabiliteyi belirleyen en kritik unsurlardır. Burada dronların mekanik tasarımda ele alınan konu başlıklarından gövde (frame) yapısı, itki sistemi (Motor ve Pervane), Ağırlık dağılımı ve kütle merkezi ele alınacaktır.

Gövde yapıları

Dron gövdesi; motorları, kontrol kartlarını, bataryayı, sensörleri ve diğer bileşenleri taşıyan ana taşıyıcı mekanik yapıdır. Gövde tasarımında öncelikli amacımız minimum ağırlık ile maksimum dayanaklıktır. Dron gövdeleri farklı geometrilere sahip olabilmektedir. En sık görülen X gövde yapısıdır. X gövde yapısı dronlara simetrik itki, stabil uçuş ve iyi manevra yetenekleri sağlamaktadır. H gövde yapısı dronlara geniş alan ve stabil yapı sunar. Ancak çoğu tasarımda X gövdeye göre daha ağır olmaktadır. Y gövde yapısı dronlara basit bir yapı sunar ancak kontrol kısmı zordur. Hexacopter ve octocopter yapılara sahip dronlar 6 veya 8 motorlu olmaktadır. Çoğu durumda yüksek taşıma kapasitesi kazandırmaktadır. Ancak maliyet ve ağırlık artışından dolayı çok tercih edildikleri söylenemez.

Gövde malzemeleri

Dron gövde tasarımında doğru malzeme seçimi ağırlık üzerinde ciddi farklar yaratabilmektedir. En yaygın kullanılan malzemeler karbon fiber, alüminyum ve plastiktir. Karbon fiber seçimi çok hafif, çok dayanıklı ve titreşimi iyi dağıtma avantajlarıyla öne çıkmaktadır. Fakat pahalı olması ve kırıldığında tamirinin çok zor olması gibi dezavantajları mevcuttur. Alüminyum seçimi yapıyı ağırlaştırmasına karşı dayanaklı, kolay işlenebilirliği ve maliyetin düşük olması sebebiyle gövde dahil dronlarda birçok parçada çok sık görebiliriz. Gövde malzemesi olarak plastik seçimi tasarlanacak dronu dayanımı düşük hale getirmesine rağmen hafif ve yüksek adetli üretimde ucuz hale getirmektedir.

Kol Tasarımı

Dron tasarımında motorların takılacağı kolların seçiminde mekanik olarak kol kesiti, kol boyu ve malzeme seçimi önemli parametrelerdir. Kol kesiti olarak çoğunlukla tüp, dikdörtgen veya karbon fiber levha seçimi yapılmaktadır. Kol uzunluğu arttıkça stabilite artar, büyük pervaneler kullanabilir olur ancak manevra kabiliyeti azalır, ağırlık artar.

İniş Takımı

Dronu taşıyan ve yere iniş anındaki darbede hasar almasını önleyen yapıdır. Mekanik tasarımlarında yeteri kadar yerden yüksekliği, hafif olması ve şok emme kriterleri mevcuttur. Yaygın olarak karbon fiber, plastik ve alüminyum gibi malzemeler seçilmektedir.

İtki Sistemi (Motor ve Pervane)

Döner kanatlı İHA’nın havaya kalkmasını, havada kalmasını ve manevra yapmasını sağlayan mekanik sisteme itki sistemi denilmektedir. Temel olarak motorlar, pervane ve Elektronik hız kontrolünden (ESC) oluşur.

Dronlarda çoğunlukla fırçasız DC motorlar (BLDC) kullanılır. Bu motorların diğer motorlardan avantajları; yüksek verim, yüksek rpm, düşük bakım, uzun ömür, düşük sürtünme kabiliyetleridir. Bu sebepten ötürü modern dronların neredeyse tamamında BLDC motor bulunur.

Pervaneler dronların kaldırma kuvvetini doğrudan üreten parçasıdır. Pervaneler 2 ve 3 kanatlı olabilirler. 2 kanatlı olursa daha verimli ve daha uzun uçuş süresi sağlayabilirler. 3 kanatlı olursa daha fazla itki ve daha iyi kontrol avantajı olmaktadır. Pervane malzemeleri plastik olursa ucuz, hafif olmasına karsı kolayca kırılabilmektedir. Karbon fiber olursa pahalı ama çok güçlü, rijit ve yüksek performanslı olmaktadırlar. Motor pervane uyumu sistem için çok kritiktir. Yanlış tercihler yapılırsa verim düşer, motor yanabilir, ESC zarar görebilir. Pervane dönüş yönü 4 motorlu tasarımlarda 2’si saat yönü 2’si saat yönü tersi olur. Bu tercih tork dengesi ve stabil uçuş sağlamaktadır.

BLDC motorların hızını kontrol eden elektronik parçaya ESC denir. Motor hızını ayarlamak, batarya enerjisini motorlara iletmek, uçuş kontrolcüsünden komut alma gibi görevleri mevcuttur.

 Dronu havalandırabilmek için itki kuvvetinin dron ağırlığından yüksek olması gerekmektedir. Genelde tasarım kuralı Toplam Trust ≥ 2 x Dron ağırlığıdır. Fakat bu dron üreticileri tarafından değişiklik gösterebilir. İyi bir itki sistemi düşük enerji ile yüksek trust üretir. Titreşim üretmez.

Ağırlık Dağılım ve Kütle Merkezi

Dron tasarımında ağırlık dağılımı ve kütle merkezi, uçuş stabilitesi, kontrol performans açısından ciddi ele alınması gereken kriterdir. Yanlış tasarımlar; titreşim, dengesiz uçuş ve kontrol zorluklarına sebep olabilir. Dronun stabil uçabilmesi kütle merkezinin gövdenin geometrik merkezine yakın olması, motorların oluşturduğu itki merkezine hizalanması gerekmektedir. Dronların uçuş kontrol sistemi, dronun merkez noktasında dengede olduğunu varsayarak çalışmaktadır. Eğer kütle merkezi kayarsa motorlar farklı güç üretmek zorunda kalır, enerji tüketimi artar, kontrol algoritması zorlanır. Dronlar üzerindeki başlıca ağır bileşenler batarya, kamera veya sensör, uçuş kontrol kartı, ESC, GPS modülüdür. Batarya genellikle dronun tam ortasına yerleştirilir çünkü en ağır parçalardan biridir. Kamera ve sensörler ön veya üst tarafa yerleştirilir. Kollar üzerine BLDC motorlar olur. Bu senaryo güzel bir örnek olarak gösterilebilir. Dronların kütle merkezi pervanelerin düzlemine yakın olması tercih edilir. Çok yüksek yukarıda olursa devrilme momenti artar. Çok aşağıda olursa manevra yavaşlar. Dron tasarımlarında simetri çok önemlidir. Simetrik tasarımlar kontrol algoritmalarını kolaylaştırır, titreşimi azaltır, motor yüklerini dengeler. Bu sebepten dolayı X gövde çoğu dronda tercih edilir.