İnsansız Hava Araçları İçin Otopilot Sistemi Geliştirme

İnsansız Hava Araçları İçin Otopilot Sistemi Geliştirme Projesi
Ar-ge Çalışmaları
Research And Development Works For Autopilot Systems Of Unmanned Aerial
Vehicles
Dilek BAŞARAN BİL1
ABSTRACT:
Within the content of this paper, the works carried out for the development of a new autopilot system;
which is called as ORSİOS-1 is introduced. The research and development phases of this new autopilot
system has been just started by DB MARS Information Technologies and Defence Industry, which is a new
and high-tech technology producer/maker company in Ankara, Turkey. Autopilot systems are used on all
kind of vehicles (air vehicles, land vehicles, sea and underwater vehicles), mobile systems or robotic systems
and they can be accepted as the heart of these vehicles. Due to complex, advanced and critical (CAC)
technologies of autopilot systems; the above listed vehicles can move on a predetermined path without
losing their controls and perform an autonomous motion without human intervention. The research and
development works, lessons learned and the new prototype products of DB MARS Company is presented
related with the ORSİOS-1 Autopilot Development Project. The different features of the autopilot system
which is still being developed by DB MARS; the contribution of the autopilot system to the technology; the
test and communication infrastructure of the autopilot test and development center in DB MARS Company
will try to be clarified within the content of this paper; while providing extensive literature survey on
autopilot systems with different technological levels.
Key Words: Autopilot, Mobile, UAV, Robotic, Autonomy, Control
ÖZET:
Bu çalışma kapsamında insansız hava aracı sistemleri ve diğer mobil sistemler, araçlar veya robotik sistemler
için, DB MARS Bilişim Teknolojileri ve Savunma Sanayi Tic. Ltd. Şti tarafından geliştirilen; yüksek ve ileri
teknoloji içerikli ORSİOS-1 Otopilot Sistemi’ne yönelik AR-GE faaliyetleri hakkında bilgi verilecektir. Bu bildiri
kapsamında ayrıca, dünya pazarında hali hazırda kullanılan farklı teknoloji seviyelerindeki otopilot
sistemlerine yönelik literatür araştırmalarına da yer verilmiştir. Otopilot sistemleri mobil araçların (hava,
kara, deniz ve denizaltı), mobil sistemlerin veya robotik sistemlerin kalbi sayılır. Dolayısı ile otopilot
sistemleri Kompleks, İleri ve Kritik (KİK) teknoloji içerikli yapıları ile bu araçlara belli bir hedef güzergâh
üzerinde kontrollü ve otonom olarak hareket edebilme yetkinliği kazandıran önemli sistemlerdir. DB MARS
Firması’nın Otonom Robotik Sistemler İçin Otopilot Sistemi (ORSİOS) Projesi’ne ilişkin gerçekleştirilen AR-GE
çalışmaları ve bu çalışmalar kapsamında ortaya çıkan ilk örnek ürünler ile kazanılan deneyimler hakkında
bildiri içerisinde bilgi verilmesi amaçlanmaktadır. Geliştirilen ORSİOS-1 Otopilot Sisteminin sahada bulunan
diğer otopilot sistemlerinden olan farklı yönleri, teknolojiye katkısı ve kurulan otopilot test altyapısı ile hem
otopilot sistemlerinin geliştirilme süreci hem de iletişim ve test altyapısı anlamında kazanılan bilimsel ve
teknik deyimler de yine bu bildiri içerisinde paylaşılacaktır.
Anahtar Kelime: Otopilot, Mobil, İHA, Robotik, Otonomi, Algılama, Kontrol
Makine Yüksek Mühendisi, DB MARS Bilişim Teknolojileri ve Savunma Sanayi Tic. Ltd. Şti.,
[email protected]
1
570
1. Otopilot Sistemlerine Genel Bakış
Otopilot sistemleri hava, kara, uzay, deniz ve denizaltı araçlarının, mobil sistemlerin veya mobil robotların
belli bir hedef güzergâh üzerinde kontrollü ve/veya otomatik olarak (insan müdahalesi olmadan) gitmelerini
sağlayan karmaşık sistemlerdir. Uçaklarda, helikopterlerde, füzelerde, uzay araçlarında, uydularda,
gemilerde, botlarda, deniz altı araçlarında, kara araçlarında ve özel mobil robotik sistemlerde otopilot
sistemleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Literatürde farklı teknoloji seviyelerinde Açık (A)/Kapalı (K)
donanım ve yazılımlı otopilot sistemleri vardır. Bunlardan bazıları Tablo-1’de listelenmiştir
Tablo-1 Farklı Teknoloji Seviyelerindeki Otopilot Sistemleri [1], [2], [4], [5], [8]
pxIMU
MatrixPilot
UAVDevBoard
GentleNav
FlexiPilot
SmartAP Autopilot
AutoQuad6 Autopilot
Parrot AR Drone 2.0
Temel Otopilot Sistemleri
ArduCopter (A)
ArduPilotMega, APM (A) (1.0, 2.0, 2.5, 2.6)
OpenPilot (A)
Paparazzi (A)
Slugs (A)
PX4 FMU (A)
Pixhawk (A)
Pixhawk Fire Cape (PXF)
Arsov AUAV-X2
Erle-Brain
FlyMaple
EasyPilot 3.0 (K)
VRBrain (K)
NAVIO+ (K)
Piccolo Cloud Cap (K)
Micro Pilot (K)
Yukarıdaki otopilot sistemleri dışında, ülkemizdeki bazı savunma şirketlerinin de AR-GE çalışmaları
kapsamında otopilot sistemleri geliştirdikleri söylenmekte olup; sahada veya pazarda bu alanda geliştirilen
ürünlere henüz rastlanmamıştır.
Otopilot sistemlerinin hızlı veri iletim ve işlem kabiliyetine sahip olması; hafıza veya veri depolama
alanlarının olabildiğince büyük olması beklenmektedir. Bu nedenle, dünya pazarında bulunan temel otopilot
sistemlerinin işlemcileri ve hafızaları üzerinde Tablo-2’de belirtilen incelemeler yapılmıştır.
Arsov
AUAV-X2
FlyMaple
PX4
Pixhawk
VRBrain 5
32bit Copter
Erle-Brain
-
NuttX
-
NuttX
NuttX
NuttX
Linux Ubuntu
STM32F427VI
ARM µC
STM32F103RET6
ARM Cortex-M3
µC Maple RET6
Tabanlı
ARM Cortex-M4F
µC, DSP ile
168MHz’de çalışır
ve kayar noktalı
donanım
hızlandırıcıya
sahiptir.
32-bit STM32F427
Cortex M4 core
ve FPU
32 bit STM32F103
arıza-güvenli
destek-işlemci
ARM Cortex M4F
µC ile DSP ve FPU.
Cortex-A8
@ 1 GHz
168MHz
192KB of RAM
1024KB of anlık
bellek
168 MHz
256 KB RAM
2 MB anlık bellek
192KB of RAM
1024KB anlık
bellek
1 GHz
512 MB DDR3 ile
4GB anlık bellek (8bit
Gömülü MMC)
İşlemci
APM
2.x
AtMega
2560
Hafıza
İşletim
Sistemi
Tablo-2. Temel Otopilot Sistemlerinin İşletim Sistemi, İşlemci, Hız ve Hafıza Kapasitesi Karşılaştırmaları
2.6
(4 MB)
STM32F100C8T6
ARM µC
SD Card
72MHz
64KB SRAM
512KB anlık
bellek ROM
571
Otopilot sistemlerinin kullandığı algılayıcılar; olabildiğince hassas ölçüm yapabilme kabiliyetine sahip
olmalıdır. Bu nedenle, yukarıda belirtilen temel otopilot sistemlerinden bazılarının kullandığı algılayıcılar
incelenerek Tablo-3’de listelenmiştir.
Tablo-3 Temel Otopilot Sistemi Algılayıcıları
KKS
(GPS)
AÖB
(IMU)
APM
2.x
Arsov
AUAV-X2
FlyMaple
PixHawk Fire
Cape (PXF)
Pixhawk
Erle-Brain
NAVIO +
6MGPS/
6HGPS
-
-
-
-
-
U-blox M8N
Glonass/
GPS
MPU9250
(9 DOF)
ST Micro
LSM303D 3axis 14-bit
ivmeölçer /
pusula
MPU9250 (9DOF)
MPU-6500 3- eksenli dönü ve
ivmeölçer, kart üzerinde karmaşık
hareket füzyon algoritmaları çalıştıran
Digital Motion Processor™ (DMP™);
ve market lideri olduğu söylenen 3
eksenli AK8963 dijital kumpasa
sahiptir.
-
Dönü
ölçer
(Jiroskop)
-
-
ST Micro
L3GD20
3-eksenli 16bit dönü ölçer
2.8 için
Invense
MPU6000
İvme
Ölçer
Invensense
MPU 6000
3-eksenli ivme
ve dönü ölçer
ITG3205
Invensense
MPU 6000
ST Micro
L3GD20
3-eksenli 16bit dönü ölçer
3-eksenli ivme
ve dönü ölçer
Invensense
MPU 6000
Invensense MPU 6000
3-eksenli ivme ve dönü ölçer
3-eksenli ivme
ve dönü ölçer
ST Micro
LSM303D
ADXL345
Magnetik
Yön Ölçer
(Pusula /
Kumpas)
2.6 için
HMC588
3L-TR
-
HMC5883
Basınç
Ölçer
MS561101BA03
MEAS MS5611
BMP085
ST Micro
LSM303D /
L3GD20
LSM9DS0
MPU9250
(9DOF)
Beidou;
ADS1115 güç
gözlem için
ADC;
MB85RC
FRAM
depolama
HAT
EEPROM
PCA9685
PWM üreteci
RGB LED
LSM9DS0
ST Micro
LSM303D
MEAS
MS5611
MS5611-01BA
MS5611-01BA
MS5611
Temel otopilot sistemlerinde kullanılan arayüzler, destek ekipmanları ve güç üniteleri ise Tablo-4’de
özetlenmiştir:
572
Tablo-4. Temel Otopilot Sistemleri Arayüzleri, Destek Ekipmanlar ve Güç Üniteleri
Arsov
AUAV-X2
FlyMaple
PixHawk
Fire Cape
(PXF)
Pixhawk
Erle-Brain
NAVIO +
VRBrain 5
32bit Copter
Güç Sistemi
Arqayüzler ve Destek Ekipmanlar
8 RC giriş standart
PPM, PPMSUM,
SBUS
6channel
ESC/Servo
kontrolü için 3x 6-Kanal
GPIO,
3 UART, 1 CAN,
1 I2C, 1 SPI, 2 ADC,
8 x PWM Alıcı Girişi
8 ayrı IO pini
TC2030-CTX-NL 6Pin kablo için 2 x
JTAG konnektörü
Mikro SD kart
tutucu Mikro USB
konnektörü
TPS63061 DC-DC
Buck-Boost tabanlı
yeni güç kaynağı
RC
alıcı
çıkışlarını
yakalamak için 3x 8- Kanal
GPIO,
XBee ve GPS için hazır
2x USART (seri) port
Ultrasonik irtifa ölçerler
için hazır 2x I2C arayüzler
Arduino katmanları ile
uyumlu dişi başlı arayüzler
(AREF, GND) SWD/JTAG
böcek ayıklayıcı uyumlu
2p JST konnektörden 7 –
12v harici güç kaynağı
Çıkış voltajı: 3.3v/5v veya
harici giriş gücü
SPI, 3xI2C,
2xUART,
CAN,
Buzzer,
Safety, 8
PWM
kanalı,
PPM,
S.Bus,
ADC,
Specktrum
Klasik güç
modülü
5x UART (seri port), bir
yüksek-güç yetkinlikli, 2x
donanım akış kontrollü
2x CAN
Spektrum DSM / DSM2 /
DSM-X® Uydu girişleri
D8’e kadar uyumlu (DX9
ve üzeri
desteklenmemektedir.)
Futaba S.BUS® uyumlu
giriş ve çıkış
PPM toplam sinyal
RSSI (PWM veya voltaj)
giriş, I2C®, SPI
3.3 ve 6.6V ADC girişleri
Harici mikro USB port
490 Hz de 8 RC çıkış
Veri toplamak için
yüksek hızlı
bütünleşik anlık
bellek
2
SPI, 3xI C,
2xUART,
CAN,
Buzzer,
Safety, 8
PWM
kanallar,
PPM,
S.Bus,
ADC,
Specktrum
, 2xUSB,
Eternet
Otomatik arıza önleyici
ideal diyot kontrolcü
Yüksek güçlü ve yüksek
akımlı Servolar (7 V)
Tüm destek çıkışları
yüksek akım korumalı ve
tüm girişler ESD
korumalıdır.
13 PWM
servo çıkışı
PPM girişi
UART, SPI,
I2C için
eklentiler
1 Can bus, 2 x i2c
Bus,
3 Seri port (1 tanesi
GPS için, 1 tanesi
seri opsiyonel ve 1
tanesi telemetri
için.
3 dijital anahtar
(ULN2003).
Kart üzerinde
gerçek zamanlı hata
ayıklama için Jtag
desteği.
1 Buzzer çıkışı.
Lipo voltaj kontrolü
için 1 giriş.
Üç yedekli
güç kaynağı
Güç modül
konnektörü
Özellikle hava araçları için oldukça kritik olan bir diğer husus ise sistemlerin ağırlıklarının olabildiğince hafif
ve boyutlarının olabildiğince küçük olmasıdır. Tablo-5’de yukarıda incelenen otopilot sistemlerinin bu
değerleri incelenmiştir.
Ağıırlık [gr] ve
Boyutlar [mm]
APM
2.x
Ağırlık
Tablo-5. Temel Otopilot Sistemlerinin Ağırlık ve Boyut Değerleri
PixHawk Fire
ErleFlyMaple
PX4
Pixhawk
Cape (PXF)
Brain
NAVI
O+
VRBrain 5
32bit Copter
31
15
8.10
16
38 (1.31 oz)
110
24
25
Genişlik
40.7
50
36
55
50 (1.96″)
75
55
40
Kalınlık
13.5
12
7.5
1.6
15.5 (.613″)
1.6
-
-
Uzunluk
66.5
50
50
85
81.5 (3.21″)
92
65
60
573
Otopilot sistemlerinin donanım ve yazılım geliştirme süreçlerinin yanı sıra, diğer destek yazılımların
kullanılması ve geliştirilmesi de gerekmektedir. Yer Kontrol İstasyonu yazılımları, modelleme ve simülasyon
yazılımları ve arayüz yazılımları bunlardan sadece birkaçını oluşturmaktadır. Tablo-6’da literatürde kullanılan
bazı yer kontrol istasyonları ve bunların destekledikleri işletim sistemlerine ilişkin bilgiler verilmiştir.
Tablo-6 Yer Kontrol İstasyonları ve İşletim Sistemleri [3], [4], [9]
Yer Kontrol İstasyonu Yazılımları
Q-Ground Control (A)
Desteklenen İşletim Sistemleri
Windows, Linux (Debian, Wheezy),
Mac OSX
Windows
(Mono ile Linux ve Mac OS da da
çalışabilir.)
Windows / Linux / Mac OS
DroidPlanner2 (A)
Android (4.0 ve üzeri)
Tower (DroidPlanner3) (A)
Andropilot (A)
Skyview (K)
Android (4.0 ve üzeri)
Android (4.0 ve üzeri)
Windows
APM Planner 2.0 (A)
Mission Planner (A)
Geliştirilen Platform ve Diller
C
++
Dili
ve
QT
Kütüphaneleri
C#
C
++
Dili
ve
QT
Kütüphaneleri
IDE+ Android SDK,
Android Studio, Java 1.7
Android Studio, Java
Android Studio, Java
C++
Otopilot geliştirme çalışmalarını destekleyen program kategorilerinden bir diğeri de modelleme ve benzetim
araçlarıdır. Bu benzetim programları ve çalışmalarda kullanılabilecek diğer bazı alternatif programlar Tablo7’de listelenmiştir:
Tablo-7 Simülatörler ve Destek Programlar
Simülatör Programları
PXF Cape (PixhawkFire)
ROS (Robot Operating System)
(A)
MinimOSD
MAVProxy
MAVLink
Fritzing (A)
Kikad (A)
Flight Gear (A)
X-Plane (A)/(K)
Grafik Destek Arayüzü
Linux tabanlı otopilotlar için test platformu
İşletim sistemi değildir. Robotik platform geliştirilmesinde kullanılır.
Uçuş verilerinin monitör ekranı üzerinde gözlenmesine yardımcı olan
programdır.
Komut satırı üzerinden betikler (ing. scripts) ile çalışan yer kontrol
istasyonudur.
Yer kontrol istasyonu, uçuş kontrolcüsü ve diğer destek donanımlar ile
haberleşmeyi sağlayan iletişim protokolüdür.
Donanım Tasarım Simülasyon Programı
Donanım Tasarım Programı
Open Scene Graph (C++ ve OpenGL) tabanlı görsel arayüz içerir. Uçuş
Simülatörü
Uçuş Simülatörü
Otopilot sistem donanımları olarak da birçok alternatif mevcuttur. Temel veya oldukça basit otopilot
uygulamaları için kullanılabilecek donanım alternatiflerinin listesi Tablo-8’de belirtilmiştir:
Tablo-8 Otopilot Donanım Kart Alternatifleri (Sadece Temel Otopilot Uygulamaları İçin Geçerlidir.) [6], [7]
574
Alternatif Donanım Kartları
ArduinoMega
BBB+PXF (Pixhawk’ın yerine geçecek.)
NAVIO ile Raspberry Pi
AP-HAL Donanım Soyutlama Katmanı
Beagle Bone Black (BBB)
(ing. Hardware Abstraction Layer)
Arduino
VRBrain
FlyMaple
Yukarıda oldukça temel otopilot sistemleri için verilen donanım, yazılım, simülatör, işletim sistemleri ve
destek programlarının içeriklerinden de anlaşılacağı üzere; otopilot sistemleri doğası gereği yüksek ve kritik
teknoloji içerikli alt sistemleri ve yazılımları bünyesinde barındırmaktadır. Dolayısı ile geliştirilecek olan
otopilot sistemlerinde ve destek sistemlerinden tüm bu donanımsal, yazılımsal ve fiziksel kriterler göz önüne
alınmalıdır. Dolayısı ile otopilot sistemleri temel olarak mekanik, elektronik ve yazılım bileşenlerinden
oluşmaktadır.
Otopilot sistemlerinin bu bileşenler kapsamında içerdiği alt sistem teknolojileri, özetle aşağıdaki şekilde
gruplandırılabilir:
 Hassas Algılayıcı Teknolojisi
 Veri Toplama, İşleme ve Anlamlandırma Teknolojisi
 Kontrol Teknolojisi (Uzaktan Kontrol ve Otonom Kontrol)
 Haberleşme ve Veri İletim Teknolojileri
 Yazılım Geliştirme Teknolojisi
 Donanım Geliştirme Teknolojisi
 Arayüz Geliştirme ve Entegrasyon
 Test Altyapısı
 Diğer Destek Teknolojiler
(Yer kontrol istasyonları, Simülatörler, İletişim protokolleri ve araçları, Donanım/Yazılım geliştirme ve
tasarım araçları)
1.1. ORSİOS-1 Otopilot Sistemi:
Otonom Robotik Sistemler İçin Otopilot Sistemi (ORSİOS) geliştirme projesi, DB MARS Bilişim Teknolojileri ve
Savunma Sanayi Firması tarafından gerçekleştirilen ve TÜBİTAK tarafından desteklenen; yerli kritik teknoloji
geliştirmeye ve bu alanda bilgi birikimini arttırmaya yönelik olarak sürdürülen milli bir AR-GE projesidir.
Bu bildiri kapsamında, otopilot sistemlerine genel bakış başlığı altında belirtilen çalışmaların önemli bir
parçası olan Test Altyapısı geliştirilmesine yönelik AR-GE çalışmaları hakkında bilgi verilecektir. Otopilot
sistemlerinin en önemli parçalarından birisi hassas algılayıcı teknolojisidir. Otopilot sistemi geliştirme
çalışmalarına başlamak için gerekli olan en temel algılayılar tedarik edilerek; bu algılayıcıları çalıştırmak,
birbileri ile uyumlu hale getirmek ve ilgili donanımlar ile bağlayabilmek için özel olarak geliştirilen donanım
kartlarına ve yazılımlara kısacası özel bir test altyapısına ihtiyaç duyulmaktadır. Yürütülen Test Altyapısı
575
geliştirme çalışmaları kapsamında; özel donanım kartları ve arayüz yazılımları geliştirilmekte ve otopilot
geliştirme altyapısının hazırlanmasına yönelik yoğun çalışmalar devam etmektedir.
1.1.1 Donanım Altyapısı Geliştirme AR-GE Çalışmaları
Otopilot geliştirme çalışmaları için test altyapısında kullanılmak üzere özel olarak tasarlanan algılayıcı
donanım kartı; 3 eksenli ivme ölçer, 3 eksenli iki adet dönü ölçer (jiroskop), 3 eksenli kumpas
(manyetometre), irtifa ölçer, basınç ölçer (barometre), iki adet sıcaklık ölçer ve nem ölçer algılayıcılarından
oluşmaktadır. Bu modüle ileriki aşamalarda başka destek algılayıcıların da eklenmesi planlanmaktadır. Ayrıca
sistemde konum bilgisi edinmek için GPS modülü kullanılmaktadır.
Algılayıcılar haberleşme protokolü olarak I2C seri port arayüzünü kullanmaktadırlar. GPS modülü ise
yazılımsal olarak geliştirilen soft-serial arayüzü üzerinden veri toplamaktadır. I2C seri port arayüzü
kullanımında dikkat edilmesi gereken noktalardan bir tanesi, algılayıcıların adreslerinin farklı olması
gerekliliğidir. Tablo-9’da görüleceği gibi iki adet dönü ölçer algılayıcısının adreslerinde çakışma gözlenmiştir.
Bu nedenle seçilen algılayıcıların hem yazılımsal hem de donanımsal olarak adresleri sırası ile Tablo-9 ve
Tablo-10’da belirtildiği şekilde değiştirilmiştir. Özetle ADO bölgesi değiştirilerek; donanımsal adres değişikliği
sağlanmıştır. Yazılımsal olarak algılayıcı kodu içerisindeki tanımlarda aşağıdaki komut değişiklikleri ile adres
değişikliği gerçekleştirilmiştir.


0x69 için gyro.init (algılayıcı_ADDR_AD0_HIGH);
0x68 için gyro.init (algılayıcı_ADDR_AD0_LOW);
Tablo-9 Algılayıcıların Yazılımsal Adres Değişiklikleri (I2C seri port arayüz iletişimi için)
Algılayıcılar
Üç eksenli ivme ölçer
Üç eksenli dönü ölçer
(jiroskop)-1
Üç eksenli dönü ölçer
(jiroskop)-2
Üç
eksenli
kumpas
(manyetometre)
İrtifa ölçer (Barometre, Abs.)
Basınç ölçer (Barometre,
Dijital)
Sıcaklık Ölçer
Nem Ölçer
Eski
Adresler
(Hex)
0x1C /
0x1D
0x68 /
0x69
0x69
Yeni
Adresler
(Hex)
0x1D
Yazılım
Adresleri
(Integer)
29
0x68
104
0x69
105
0x1E
0x1E
30
0x60
0x77
0x60
0x77
96
119
-
-
-
576
Geliştirilen Donanım Sensör Kartı
Tablo-10 Algılayıcıların Donanımsal Adres Değişiklikleri (I2C seri port arayüz iletişimi için)
Durum
Öncesi
Sonrası
0x69
0x68
Üç eksenli dönü ölçer (jiroskop)-1
Donanımsal adres değişikliği
Adres
Ön prototip test altyapısı geliştirme çalışmalarında kullanılan MEMS algılayıcıların teknik özelliklerinden
bazıları Tablo-11’de listelenmiştir. Tüm bu algılayıcılar DB MARS Bilişim Teknolojileri ve Savunma Sanayi
tarafından özel olarak geliştirilen ve prototip olarak üretilen donanım kartına entegre edilmiştir. Bu
algılayıcılardan toplanan verilerde gerçek zamanlı olarak Veri Toplama, Analiz, İletişim ve Otomatik Kontrol
Arayüz Programı’na kablolu/kablosuz iletişim yöntemleri ile aktarılabilmektedir.
Tablo-11 Algılayıcıların Teknik Özellikleri
İvme Ölçer Algılayıcısı (Üç Eksenli)
Teknik Özellikler
Değerler
Ölçüm Seçim Değerleri (Dinamik olarak seçilebilir.)
±2g/±4g/±8g (ing. dynamically selectable fullscale)
Çıkış Veri Oranı (Output Data Rates (ODR)
1.56 Hz’den 800 Hz’e
Dijital çıkış
12-bit ve 8-bit dijital çıkış
Kaynak Gerilim (ing. Supply Voltage)
1.95 V to 3.6 V
Arayüz Voltajı (ing. Interface Voltage)
1.6 V to 3.6 V
Akım Tüketimi (ing. Current Consumption)
6 μA – 165 μA
I2C dijital çıkış arayüzü (ing. digital output
(ing. operates to 2.25 MHz with 4.7 kΩ pullup)
interface)
Altı kesme kaynağından ikisi programlanabilir. (ing. Two programmable interrupt pins for six interrupt
sources)
Gömülü üç kanaldan hareket saptama (ing. Three embedded channels of motion detection)
Ayarlı histerisis ile yön tayini (ing. Orientation (Portrait/Landscape) detection with set hysteresis)
Yüksek geçirgenlikli filtre verisi gerçek zamanlı olarak sağlanabilir. (ing. High Pass Filter Data available
real-time)
Dönüölçer-1 Algılayıcısı (Üç Eksenli)
Angular velocity sensitivity (3 farklı seçim
±250°/s, ±500°/s ve ±2000°/s
yapılabilir.)
Arayüzler
Dijital I²C veya SPI üzerinden
Kart üzerinde lineer 3.3V'luk regülatör
Giriş voltajının 2.5 V - 5.5 V arasında olmasına imkan
sağlamaktadır.
Pinler arası mesafe
Standart 0.1"
Çıkış biçimi (I ² C / SPI)
Eksen başına bir 16-bit okuma
Çalışma gerilimi
2.5 V - 5.5 V
Boyutlar
13 × 23 × 3 mm
577
Ağırlık
0.7 g
Teknik Özellikler
Ölçüm Seçim
Değerleri
Voltaj Aralığı
Pin Voltajı
Çıkış Arayüzü
Veri Hızı
Destek Algılayıcılar
Diğer Özellikler
Çevresel Dayanım
Dönüölçer-2 Algılayıcısı (Üç Eksenli)
Değerler
Üç seçimli 250/500/2000 dps (ing. Three selectable full scales)
Geniş güç voltaj aralığı (2,4 V’dan 3.6V) (ing. Wide supply voltage: 2.4 V to 3.6 V)
Düşük voltaj-uyumlu Giriş/Çıkış Pinleri (1,8V) (ing. Low voltage-compatible IOs
(1.8 V))
I2C/SPI dijital çıkış arayüzü (ing. I2C/SPI Digital output interface)
16 bit’lik veri çıkış hızı (ing. 16 bit-rate value data output)
Gömülü sıcaklık algılayıcısı (ing. Embedded temperature sensor)
8-bit sıcaklık veri çıkışı (ing. 8-bit temperature data output)
Gömülü güç kapama ve uyku modu (ing. Embedded power-down and sleep
mode)
Yüksek şok dayanımı (ing. High shock survivability)
Dijital Pusula (Üç Eksenli) (Kumpas/Magnetometre/Kuzeye göre manyetik yön ölçer)
Çözünürlük
5 milli-gauss
İletişim
I2C
Kart Besleme Voltajı
2.2V ila 3.6V DC arasında regüle edilmiş besleme gerekmektedir.
Boyutlar
17.8 mm x 17.8 mm
Sıcaklık ve Nem Ölçer Algılayıcısı
-40 °C ile +128 °C sıcaklıkları arasında ± 0.5 °C hata ile sıcaklık ölçümü
± % 3.5 hata ile nem ölçümü
14 bitlik AD dönüştürücü ve seri haberleşme ünitesi içermektedir.
Sıcaklık değeri 14 bit çözünürlüktedir. (Varsayılan değerdir, istendiğinde 12 bit seçilebilmektedir.)
Nem değeri 12 bit çözünürlüktedir. (Varsayılan değerdir, istendiğinde 8 bit seçilebilmektedir.)
Hava Hızı Ölçer Algılayıcısı (ing. Airspeed Sensor) (Analog)
-2 den 2kPa’ya kadar (-0.3-0.3 psi arası)
Vakum ölçebilmektedir. (Pozitif ve negatif basınçları ölçebilmek için tasarlanmıştır.)
0.5’ten 4.5V’a kadar çıkış
Ağırlık: 4 gr.
Teknik Özellikler
Maksimum Çalışma Basıncı
Minimum çalışma basıncı
Çalışma Basınç Aralığı
Maksimum yükleme/dayanım
basıncı
Maksimum Çalışma Sıcaklığı
Minimum Çalışma Sıcaklığı
Girdi Gerilimi (Vin)
MEMS İrtifa Ölçer Algılayıcısı (Abs.)
Değerler
110 kPa
20 kPa
20 kPa → 110 kPa (Teknik veri dokümanı)
50 kPa → 110 kPa (10 Km irtifaya kadar) (Uygulama sonuçları)
1.5 Pa / 0.3 m irtifa çözünürlüğü
500 kPa
+85 °C
-40 °C
3V-5V
Çalışma Sıcaklık Aralığı
-40 °C → +85 °C
578
Teknik Özellikler
Maksimum Çalışma Basıncı
Çalışma Basınç Aralığı
Maksimum Çalışma Sıcaklığı
Minimum Çalışma Sıcaklığı
Girdi Gerilimi (Vin)
Dijital Basınç Ölçer Algılayıcısı
Değerler
1100 hPa =110 kPa
30 kPa → 110 kPa (9000 m to -500 m above sea level)
3 Pa/ 0.25m irtifa çözünürlüğü
+85°C
Çalışma Sıcaklık Aralığı
-40 °C → +85°C ve ± 2°C hata
-40 °C
payı
3V-5V
Yukarıda verilen basınç ve irtifa algılayıcılarının ölçtükleri verileri doğrulamak için [10] içerisindeki Şekil-1’de
verilen değerler ile her iki algılayıcıdan toplanan veriler karşılaştırılmış; böylece kalibrasyonlar yapılarak
doğrulama yöntemi uygulanmıştır.
İrtifa (metre)
Standart Atmosferin SI Birimi ile Fiziksel Özellikleri US, 1976
Sıcaklık (K)
Basınç (Pa)
Yoğunluk (kg/m3)
Akışkanlık (N-s/m2)
Temel Kabuller
Hava temiz, kuru ve ideal gaz karışımıdır; spesifik ısı oranı=1.4; 86 km’deki moleküler ağırlığı=28.9644
Deniz seviyesi temel oranlar (%): N2-78.084, O2-20.9476, Ar-0.934, CO2-0.0314 Ne-0.001818, He-0.000524,
CH4-0.0002
Şekil-1. İrtifa, Sıcaklık, Basınç, Yoğunluk ve Akmazlık İlişkileri [10]
İvmeölçer ve dönüölçer kalibrasyonlarında ise, aynı hareket için aynı bilgileri toplayan diğer cihazlar ile
ölçülen değerlerin karşılaştırılması yöntemi uygulanmaktadır. Algılayıcıların karşılaştırılması, kalibrasyonu ve
doğrulamalarına yönelik çalışmalar bu yönde hızla devam etmektedir. Gerekli olması durumunda özel
filtreler ile gürültülerin giderilmesi ve olabildiğince hassas ölçüm alınabilmesi sağlanacaktır. Çalışma
kapsamında çeşit ve tip olarak birçok farklı algılayıcı kullanılarak; ölçüm hassasiyetlerine, tepki sürelerine ve
algılayıcıların çevresel etkileşimlerine yönelik analiz çalışmaları sürdürülmektedir. Analiz ve testler
sonucunda; geliştirilen otopilot sisteminde ve test altyapısında kullanılacak hassas algılayıcılara karar
verilecektir.
579
Yukarıda listelenen algılayıcılara ek olarak titreşim, eğim, gaz ve gerekli olan diğer algılayıcılar da sisteme en
kısa zamanda eklenecektir. İvme ölçerler titreşimden çok fazla etkilendikleri için, ölçülen titreşim
değerlerinin takip edilmesi önem taşımaktadır. Eğim algılayıcısı, hava aracının dik ve sert manevralarının hızlı
bir şekilde algılanmasında kullanılacaktır. Gaz algılayıcı ise sistemde batarya ve donanım kartlarının
kullanılması nedeni ile; tehlike veya yangın oluşma ihtimaline karşı ikaz ve uyarı algılayıcısı olarak tedbir
amaçlı kullanılacaktır. Bu sensörlerin tamamı kullanıma alınmış; ancak henüz ara yüze aktarılamamıştır.
1.1.2 Yazılım Altyapısı Geliştirme AR-GE Çalışmaları
Otopilot sistemi ve test altyapısı geliştirme çalışmaları kapsamında veri toplama, işleme ve anlamlandırma
teknolojisi de yer almaktadır. Bu teknolojiler ile belirtilmek istenen, algılayıcılar vasıtası ile toplanan bilgilerin
veya verinin nasıl gözleneceği, nasıl değerlendirileceği ve nasıl faydalı hale getirilip kontrol uygulamalarında
kullanılabileceğine yönelik olarak; ihtiyaç duyulan sistem, yazılım veya donanım çözümlerinin
geliştirilmesidir. Bu konuda yapılan çalışmalarda geliştirilmesi gereken en temel hususlardan bazıları aşağıda
listelenmiştir:

Veri ölçüm ve takip sistemi arayüzü (donanımsal ve yazılımsal)

Veri işleme sistemi arayüzü (donanımsal ve yazılımsal)

Veri iletişim sistemi arayüzü (donanımsal ve yazılımsal)

Veri anlamlandırma sistemi arayüzü (donanımsal ve yazılımsal)
1.1.2.1 Algılayıcı Veri Ölçümleri ve Veri Takip Sistemi Arayüzü
Otopilot sistemlerinin kritik önem taşıyan alt sistemlerinden birisi; hassas algılayıcı teknolojisidir.
Geliştirdiğimiz sistemlerde kullanılan ve ölçümler alınan algılayıcılardan bazıları Tablo-12’de belirtilmiştir:
Tablo-12 Algılayıcı Modülleri
Küresel Konumlama Sistemi (KKS)
• İrtifa
Ölçer
Algılayıcı
• GPS Modülü (ing. Global Positioning
Modülü
System)
• Basınç
Ölçer
(ing.
Barometer)
Algılayıcı
Modülü
• Hava Hızı Ölçme Modülü
Ataletsel Ölçüm Birimi (AÖB)
• Sıcaklık Algılayıcı Modülü
(ing. Inertial Measurement Unit (IMU))
• Nem Algılayıcı Modülü
• Üç Eksenli (X,Y,Z) İvme Ölçer Algılayıcı • Gaz Algılayıcı Modülü
Modülü
• Güneş Işın Açısı Algılayıcı
• Üç Eksenli (X,Y,Z) Jiroskop (Dönü Hızı
Modülü (LDR)
Ölçer) Algılayıcı Modülü
• Üç Eksenli (X,Y,Z) Magnetik Yön Ölçer veya
Kumpas Algılayıcı Modülü (Manyetik kuzey
yönüne göre)
• Kamera Modülü
• IR-Mesafe
Algılayıcı
• IR-Hareket Algılayıcı Modülü
Modülü
• Sonar- Hareket Algılayıcı Modülü
• Sonar-Mesafe
Algılayıcı
Modülü
•
Titreşim Ölçer
Algılayıcı Modülü
•
Eğim
Ölçer
Algılayıcı Modülü
• Akım/Voltaj Algılayıcı
Modülü
• Potansiyometre
İleride
Eklenecek
Modüller
• Laser Algılayıcı Modülü
• Radar Modülü
Algılayıcı verilerinin gerçek zamanlı olarak toplandığı ve takip edildiği arayüz programına ilişkin görseller
geliştirme sürecine bağlı olarak; Şekil-2’de verilmiştir. Bu çalışma ile bazı algılayıcıların ölçtüğü değerlerin
580
kalibrasyon ve filtrelemeye ihtiyacı olduğu gözlenmiştir. Ara yüzde okunan değerler yazılımsal olarak kayan
noktalı olup; ölçüm hassasiyetini göstermemektedir.
Şekil-2. Gerçek Zamanlı Algılayıcı Verisi Toplama ve Takip Arayüzü
Algılayıcılar arasındaki önemli sistemlerden birisi de Küresel Konumlama Sistemi (KKS) (ing. Global
Positioning System, GPS) dir. KKS içerisinde yer alan mesajların içerikleri/değerleri; arayüzde gerçek zamanlı
olarak Şekil-3’deki gibi görülmektedir.
581
Şekil-3. Gerçek Zamanlı Küresel Konumlama Sistemi Veri Takip Arayüzü
Yukarıdaki ara yüzde değerleri okunan GPS mesajlarının içerik detayları aşağıda; Şekil-13’de içerisinde
verilmiştir. GPS, mesaj paketi olarak NMEA protokolünü kullanmaktadır [12]. GPS’in desteklediği mesaj
paketleri Şekil-13’de belirtilmiştir.
Arayüzler geliştirme aşamasında olup adet ve tip olarak birçok farklı algılayıcınında arayüze entegre edilmesi
planlanmaktadır. Hem geliştirilen otopilot tarafından toplanan veriler; hem de hesaplanan veya ölçülen
diğer veriler bu arayüz üzerinden hızlı bir şekilde gözlenerek gerekli kontrol işlemleri gerçekleştirilebilecektir.
1.1.2.2 Veri İşleme Sistemi Arayüzü
Algılayıcılardan veya iletişim hatları üzerinden toplanan verilerin anlamlı olabilmesi veya kullanılabilmesi için
verilerin yazılımsal olarak işlenmesi gerekmektedir. Toplanan verilerin bir kısmı sadece işlenmekle kalmayıp
aynı zamanda başka uygulama yazılımları vasıtası ile de incelenip daha farklı işlemlere tabi tutulabilmektedir.
Dolayısı ile Veri İşleme Sistemi Arayüzü ile; bu etkileşimli yazılım geliştirme çalışmalarının tümü
kasdedilmektedir.
1.1.2.3 Veri İletişim Sistemleri Arayüzü
DB MARS bünyesinde geliştirilen veri iletişim sistemi altyapısı ile; sistemden toplanan algılayıcı verileri ve
ölçülen değerler aşağıdaki alternatif iletişim yöntemleri kullanılarak bir noktadan diğer bir noktaya kablolu
veya kablosuz olarak aktarılabilmektedir:
 Seri Port (Kablolu İletişim)
 Ethernet (Kablolu İletişim)
 Bluetooth (Kablosuz İletişim)
 RF (Kablosuz İletişim)
 Wi-Fi (Kablosuz İletişim)
582
Toplanan verilerin nasıl ve nerelere aktarılabileceğine ilişkin veri akış şeması Şekil-4’deki gibidir:
Şekil-4 Veri Akış Şeması
Toplanan veriler yukarıda belirtilen iletişim yöntemlerinden herhangi biri seçilerek bir noktadan diğer bir
noktaya iletilebilecektir. Geliştirilen veri iletişim arayüzüne ilişkin görsel Şekil-5’de verilmiştir:
583
Şekil-5 Veri İletişim Modülü Seçim Arayüzü
Her bir iletişim sistemine ait frekans bandı ve ilgili port ayarları yapılarak; istenilen algılayıcı modülünden
toplanan veriler bir noktadan diğer bir noktaya yapılacak seçime göre kablolu veya kablosuz olarak
aktarılabilmektedir.
Yukarıdaki arayüzden ilgili modüllerin seçimi, veri iletişimi için gerekli olan frekans band ayarlamaları ve seri
port seçim arayüzleri örnek olarak Şekil-6’da belirtildiği biçimde yapılabilmektedir. Ayrıca veri kaydı, verilerin
birim çevirimleri ile arayüz dil seçimleri yine bu arayüz üzerinden gerçekleşebilmektedir. Gerekli ayarlamalar
yapıldıktan sonra; Şekil-6’da belirtilen Bağlan veya Bağlantıyı Kes butonları ile gerçek zamanlı veri iletim ve
takip sistemi çalışmaya başlamakta veya çalışmasını sonlandırabilmektedir.
584
Şekil-6 Veri İletişim, Modül ve Ayarların Seçimi Sonrasında Arayüz Bağlantısının Çalıştırılması veya Kesilmesi
Sistemin kullanılacağı araçta Wi-Fi desteği olur ise; toplanan veriler (kapsama alanı içerisinde olması şartı ile)
aynı zamanda PDA tarzında mobil el bilgisayarlarından, diğer mobil bilgisayarlardan (tablet, dizüstü
bilgisayarlar) ve yer istasyonu bilgisayarları üzerinden gözlenebilecektir. Benzer şekilde Wİ-Fİ üzerinden
internete bağlanılarak uzaktan erişim yöntemi ile; veya web sayfaları üzerinden de araç üzerinde istenilen
kontroller sağlanabilecektir. Toplanan veriler tüm mobil cihazlar üzerinden (PDA, Cep Telefonu, Tablet,
Dizüstü vb.) anlık olarak gerçek zamanlı bir şekilde gözlenebilecektir.
1.1.2.4 Veri İletim Hızı Ölçüm ve Analizleri
Algılayıcı kartında bulunan ivme ölçer ile tüm iletişim modülleri aynı kod yapısı kullanılarak denenmiştir.
İletişim modüllerinin veri gönderim süreleri ve mesafe ile gönderim sürelerinin değişimi gözlenmeye
çalışılmıştır. Basit bir test düzeneği ile iletişim sistemlerinin veri aktarım hızının mesafeye göre değişimi
Tablo-13’de verilmiştir.
585
Tablo-13. Veri İletim Hızı Ölçüm Denemeleri
Mesafe (cm)
RF
(Radyo Frekans)
Bluetooth
Kablolu Seri Port
Haberleşmesi
(USB)
Wi-Fi
Ethernet
243
459
459+ (bağlantı kopana kadar)
5
243
44 (PC-Donanım Kartı)
141.5 (PC-Donanım Kartı)
240 (PC-USB Port Çoklayıcı-Donanım
Kartı)
Wi-Fi Alanı içerisinde her yerde
Standart ethernet kablo uzunluğu
Maksimum Süre
(ms)
110
203
203
698
704
22
29
Ortalama Süre (ms)
35
42
47+
8
-
32
14
732
31
200
-
Toplanan bu veriler sonucunda;



Kablolu iletişim modüllerinde en hızlı iletişim yöntemi USB (Kablolu Seri Port Haberleşmesi) olarak
saptanmıştır.
Kablosuz iletişim modüllerinde en hızlı iletişim yönteminin ise; RF olduğu gözlenmiştir. RF iletişim
yönteminde, RF modülünün gücüne bağlı olarak performansın artacağı (ölçüm sürelerinin daha da
kısalacağı) düşünülmektedir.
Ethernet modülünün veri gönderim hızının; USB ile ölçülen değerler ile yakın olmasına karşın, Ethernet
UDP protokolü kullandığı için ve çok hızlı bir şekilde veri paketi gönderdiği için sık sık Firewall tarafından
engellenebilmektedir. Dolayısı ile, Ethernet üzerinden UDP Protokolü kullanılarak veri iletim
çalışmalarında güvenlik duvarlarının (Firewall) devre dışı bırakılması gerekebilir.
Testler sırasında kullanılan temel iletişim modüllerinin özellikleri Tablo-14’de belirtilmiştir.
Ethernet
İletişim Modülü
- IEEE 802.3af
protokolünü
destekler.
- TCP, UDP
uyumludur.
- SD kart SPI
hattı
haberleşme
desteği vardır.
Tablo-14. Testlerde Kullanılan İletişim Modüllerinin Özellikleri
Wi-Fi İletişim
Bluetooth İletişim
RF İletişim Modülü Bilgileri
Modülü
Modülü
- Seri Haberleşme
- 2.4GHz haberleşme - Hafif (Antensiz 4 gr. altında)
Arayüzleri: UART (1 frekansı
- Frekans Alternatifleri: 900MHz veya
MBps'e kadar) ve
- Hassasiyet: ≤-80
433MHz
SPI (3,5 MBps'e
dBm
- Alıcı hassasiyeti: -121 dBm
kadar)
- Çıkış Gücü: ≤+4
- 20dBm’e kadar verici gücü (100mW)
- 3.3V @ 260mA
dBm
- Transparent serial link
- 30mW çıkış
- Asenkron Hız: 2.1
- Veri aktarım hızı: (Air data rates up to)
- PCB anten
MBps/160 KBps
250kbps
- FCC sertifikası
- Senkron Hız: 1
- Yaklaşık kapsama alanı: 1 mile (*, **)
- 4 adet 12-bit ADC
MBps/1 MBps
- (*) Küçük omni-directional anten ile
giriş pini
- Bluetooth
birkaç kilometre
- 10 adet dijital I/O
Protokolü:
- (**) Bi-directional amplifier ile
pini
Bluetooth 2.0+EDR
kullanıldığında çok daha geniş kapsama
586
- WPA-PSK ve
WPA2-PSK güvenlik
protokol desteği
- Kanal sayısı: 14
- Desteklenen
kablosuz alan
standartları: 802.11
b/g/n
- Kapalı veya açık
alan
konfigürasyonu
- AT ve API ayar
komutları
(Gelişmiş Veri Hızı)
- Güvenlik: Kimlik
Doğrulama ve
Şifreleme
- Çalışma Gerilimi:
1.8-3.6V(Önerilen
3.3V)
- Akım: 50 mA
- Boyutları:
43x16x7mm
- İletişim Mesafesi:
Açık alanda yaklaşık
10 m
alanı –
- MAVLink protocol ve durum
raporlayıcısı
- Frequency hopping spread spectrum
(FHSS)
- Adaptive time division multiplexing
(TDM)
- LBT ve AFA desteği
- Konfigüre edilebilir duty cycle
- Built in error correcting code (can
correct up to 25% data bit errors)
- Açık kaynak
- Radyo konfigürasyonu için AT
komutları
1.1.2.5 Veri Anlamlandırma Sistemi Arayüzü
Veri anlamlandırma arayüzü kapsamında, arayüz üzerinde çalışılacak parametrelerin birim çevrimlerine ve
dil seçimlerine ilişkin arayüzler oluşturulmuştur. Birimlerde SI veya British Unit seçimleri yapılabilmektedir.
Ayrıca tüm arayüzde bulunan bilgiler yapılacak dil seçimine göre Türkçe, İngilizce, Almanca ve Fransızca
kelimelere dönüştürülebilmektedir. Birim ve dil seçimleri için geliştirilen görsel arayüz Şekil-7’de verilmiştir.
Şekil-7. Birim ve Dil Seçimlerine İlişkin Arayüz
Yine veri anlamlandırmasında kullanılmak üzere, toplanan veriler arayüz üzerinden kaydedilebilmektedir.
Şekil-7’de belirtilen Veri kaydı butonu seçildiğinde; sistem topladığı verileri kayıt altına almaktadır. İstenmesi
durumunda bu veriler kullanılarak farklı analizler ve grafiksel sonuçlar elde edilebilmektedir. Ayrıca görsel
nesneler ve grafikler kullanılarak, ölçülen değerlerin daha iyi algılanmasını sağlayan fonksiyonlar arayüze
entegre edilmiştir. Görsel arayüze ait bazı temel şekiller aşağıda verilmiştir:
587
Şekil 8. 3D Görsel Ara yüz
Toplanan veriler gerçek zamanlı olarak 3-Boyutlu modellenen fiziksel bir uçak model arayüzüne entegre
edilerek; toplanan verilerin doğruluğunun görsel olarak izlenmesi planlanmaktadır. Bu yöndeki çalışmalara
da hızla devam edilmektedir. Sabit kanatlı bir hava aracı için hazırlanmış olan 3-D model Şekil-9’da görüldüğü
gibi arayüz üzerine aktarılmıştır.
588
Şekil-9 Fiziksel Sistem Simülasyon ve Görselleştirme Arayüzü
3-D Görsel modeller kullanılarak ölçülen parametrelerin gerçek zaamanlı olarak hareketleri fiziksel olarak
arayüz üzerinde bu sayede gözlenebilecektir. Sistemin kontrolüne ilişkin davranışlarda yine bu simülasyon
modülü üzerinden incelenebilecektir. Ayrıca ölçülen değerlerin doğrulamasının; Şekil-10’da gösterilen ve DB
MARS Şirketi tarafından AR-GE çalışmaları kapsamında geliştirilen prototip bir sabit kanatlı hava aracının
üzerinde yapılması planlanmaktadır.
589
Şekil-10 Test Altyapısı için Geliştirilen Prototip Sabit Kanatlı Hava Aracı
2.
Arayüz Modülleri
Test altyapısı ve otopilot geliştirme çalışmalarında kullanılmak üzere, farklı arayüz modülleri oluşturulmuştur
ve bu modülleri geliştirme çalışmaları da hızla devam etmektedir. Oluşturulan modüllerden bazıları aşağıda
listelenmiştir.

Algılayıcı Modülü

Küresel Konumlama Sistemi (KKS) Modülü

Motor/Servo Kontrol Modülü

Kontrol Modülü

Güç Modülü
Her bir modüle ilişkin olarak şimdiye kadar gerçekleştirilen çalışmalar aşağıda ilgili başlıklar altında
detaylandırılmıştır.
590
2.1 Algılayıcı Modülü (Sensör Modülü)
Algılayıcı modülü arayüzü içerisine, Tablo-12’de belirtilen algılayıcılardan bazıları Şekil-2’de görüldüğü
biçimde eklenmiştir. Bu algılayıcılardan toplanan veriler gerekli donanım bağlantıları yapıldıktan sonra
gerçek zamanlı olarak arayüz üzerinde gözlenebilmektedir. Gözlenen/ölçülen ve hesaplanan algılayıcı
parametrelerine ilişkin görsel ara yüz Şekil-2’de verilmiştir.
2.2 GPS Algılayıcı Modülü Arayüzü
GPS verilerini toplamak amacı ile geliştirilen ara yüz Şekil-3’de belirtilmiştir. GPS, mesaj paketi olarak NMEA
protokolünü kullanmaktadır [12]. Bu protokole ilişkin mesaj içerikleri Şekil-3’de belirtilen ara yüz üzerinde ve
Şekil-11’de görülmektedir.
591
592
Şekil-11 Küresel Konumlama Sistemi ile sağlanabilen mesajların içerikleri [12]
2.3 Motor/Servo Kontrol Modülü Ara Yüzü
Motor/servo kontrol modülü ile seçilen aracın hareket etmesini sağlayan servo motorlar veya ana motorlar
hakkında gerekli veriler toplanarak onların istenilen şekilde kontrol edilmesi amaçlanmaktadır. Motor/servo
arayüzünde, motor ve servo motorların hareket kabiliyetlerinin incelenmesini sağlayacak parametreler,
hedef değerler ve hareket süreleri gözlenebilir olacaktır. Bu modülü kullanmak için öncelikle ilgili hava, kara,
deniz veya karma platform aracı Şekil-12’de belirtilen ara yüz üzerinden seçilir.
593
Şekil 12. Araç Platformu Seçim Arayüzü
Araç seçimi yapıldıktan sonra, açılan pencerede servo motorların açısıal verileri ile ölçülen ve hedef olarak
girilen değerlerin geliştirme süreci sonunda gözlenebilmesi planlanmaktadır. Geliştirme çalışmaları öncelikli
olarak sabit kanatlı bir hava aracı için yapılmakatadır. İlerleyen aşamalarda diğer araç platformlarına yönelik
arayüz geliştirme çalışmalarına devam edilecektir. Motor/Servo Kontrol Modülü arayüzüne ve
gözlemlenebilecek parametrelere ilişkin detaylar Şekil13’de verilmiştir.
Şekil-13. Sabit kanatlı hava araçları için motor/servo kontrol ara yüz modülü
2. 4 Kontrol Modülü Ara Yüzü
Sistemin kontrol edilecek parametrelerine ilişkin referans/hedef değerler ve kontrol katsayılarının ya da
parametrelerinin ayarlanması işlemi; görsel arayüzün bu modülü üzerinden gerçekleştirilmektedir. Kontrol
teknolojisi ile belirtilmek istenen, otopilot sisteminin takılı olduğu mobil aracın veya robotik sistemin uzaktan
insan faktörü ile veya tamamen otonom olarak kontrol edilmesidir. Bu çalışma kapsamında tamamen
otonom kontrole yönelik çalışmalara odaklanılacaktır. Bu iki temel kontrole ek olarak; otopilot sistemi
içerisinde bulunan anlamlandırılmış/işlenmiş algılayıcı verilerinin; bir üst seviyedeki sisteme nasıl entegre
edileceği ve bu bilgiler doğrultusunda takılı olduğu mobil aracı veya robotik sistemi nasıl kontrol edebileceği
ya da istenilen tepkileri vermesini sağlayacağı konusu da yine otonom kontrol teknolojisi kapsamında
değerlendirilmektedir. Otonom kontrol teknolojileri, aşağıda sadece bir kısmı belirtilen çok farklı kontrol
yöntem veya metodolojilerini içermektedir.
•
Klasik kontrol yöntemleri
594
o P, PD, PI, PID (P: Proportional (Doğrusal), D: Derivative (Türevsel), I: Integral (Tümleşik)
•
Robust kontrol yöntemleri
o H-Infinity, Mu-Sentez ve Kontrolü
•
Adaptive kontrol yöntemleri
•
Farazi mantık (ing. Fuzzy Logic) ile kontrol yöntemi
•
Sinir ağları (ing. Neural Network) ile kontrol yöntemi
• Reaktif kontrol yöntemleri
Geliştirilen sistem içerisinde farklı kontrol modülleri bulunmaktadır ve belirtilen bu kontrol
yöntemlerinden bazıları farklı modüller içerisinde kullanılacaktır. Kontrol arayüz modülü üzerinde
bulunan temel bilgilerden bazıları aşağıda listelenmiştir:
• İrtifa Kontrol Modülü (ing. Altitude Controller)
o Hedef/Referans İrtifa
o
o İrtifa Kontrol Parametreleri (P, I, D vb.)
• Uçuş Hızı Kontrol Modülü (ing. Speed Controller)
o Hedef/Referans Hız
o
o Uçuş Hızı Kontrol Parametreleri (P, I, D vb.)
• Baş Açısı Kontrol Modülü (ing. Heading/Yaw Controller)
o Hedef/Referans Baş Açısı
o
o Baş Açısı Kontrol Parametreleri
• Mesafe Kontrolü (ing. Distance Controller)
o Yere göre mesafe
o Engele mesafe (Engellerden kaçmak için. Örneğin kuş sürüsü, dağ/tepe, yüksek bina)
o Cisme mesafe (Kol uçuşu, havada yakıt ikmali vb.)
İleriki aşamalarda geliştirilmesi planlanan diğer kontrol sistemleri veya modülleri ise aşağıda
sıralanmıştır:
• Yönelim Kontrolü (ing. Attitude Controller)
o Yunuslama (ing. Pitch Controller)
o Yuvarlanma (ing. Roll Controller)
o Yalpalama/Sapma (ing. Yaw Controller)
• Dikey Hız Kontrolü (ing. Vertical Speed Controller)
• Otomatik İniş ve KalkışGeliştirilen kontrol modülü ara yüzü ile sabit kanatlı bir hava aracı için uçuş
faz seçimi (Taksi, Tırmanış, Yaklaşma, İniş, Alçalma, Düz Uçuş, Kalkış) yapılabilmekte ve ilgili fazda
uygulanması istenen kontrol yöntemi seçimi de yine arayüz üzerinden sağlanabilmektedir. Kontrol
modülü için geliştirilen ara yüz detayları Şekil-14’de verilmiştir.
Şekil-14 Sabit Kanatlı Hava Aracı için Uçuş Faz ve Kontrol Modülü Seçimi Ara yüzü
595
Uçuş faz seçimi yapıldıktan sonra, örneğin düz uçuş için irtifa ve uçuş hız kontrülü yapılmak istendiğinde; ilgili
kontrol modülleri seçilerek gerekli parametre ayarları arayüz üzerinden yapılabilecek ve bu değerler araç
platformuna aktarılabilecektir. Buna ilişkin örnek ara yüz Şekil-15’de belirtilmiştir.
Şekil-15 Kontrol Parametreleri Ayarlama Ara yüzü
Başlangıç çalışmaları için kontrol yöntemi olarak P, I, D kullanılması planlanmıştır. Ancak ilerleyen
aşamalarda her kontrol modülü için farklı kontrol metodolojilerinin uygulanabileceği düşünülmektedir.
Geliştirilen tüm kontrol modüllerini ve kontrol parametrelerini içeren ara yüz Şekil-16’da verilmiştir.
Şekil 16. Kontrol Modül Parametrelerini Ayarlama Arayüzü
2.5 Güç Kontrol Modülü
Güç kontrol modülü ile sisteme bağlanan bataryaların akım ve voltaj bilgileri gözlenebilmektedir. Pilin tam
dolu voltaj seviyesi bilindiğinden kullanım sırasında ne kadarlık bir süre daha sistemin çalışabileceğine dair
tahmini veriler de yine arayüz üzerinden gözlenebilmektedir. Ayrıca pilin hücrelerinin voltaj seviyelerininde
596
arayüz üzerinden gözlenebilmesine yönelik geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Güç kontrol modülüne
ilişkin olarak geliştirilen ara yüz Şekil-17’de verilmiştir.
Şekil-17. Güç modülü parametreleri ve ara yüzü
3.
Sonuç
Otopilot sistemleri ve test altyapıları, içerdiği tüm bu teknolojiler nedeni ile şimdiye kadar genellikle yurt
dışından sağlanmakta olan (ülkemizde bu konularda yetkin düzeyde bilgi birikimi henüz oluşmadığından);
kapalı donanım/kaynak kodlu, oldukça pahalı ve kritik teknoloji içerikli sistemlerdir. Ülkemizde bu alandaki
teknolojilere yönelik olarak çalışmalara başlanması, bilgi birikiminin oluşması ve milli ürünlerin
geliştirilmesine yönelik ilk adımların atılabilmesi için; DB MARS Bilişim Teknolojileri ve Savunma Sanayi
bünyesinde ORSİOS-1 Otopilot Sistemi Geliştirme Projesi başlamış ve AR-GE çalışmaları yoğun olarak devam
etmektedir. Yapılan geliştirme çalışmaları kapsamında gerçekleştirilen ürünlere (prototip İHA, prototip
sensör donanım kartı ve yazılımsal modüller ile arayüzler) ilişkin ön bilgiler bu bildiri kapsamında
sunulmuştur. Geliştirme çalışmaları sırasında ortaya çıkan en temel ara ürünler sırası ile prototip insansız
hava aracı, test altyapısı ve bildiri içerisinde detayları ve modülleri hakkında bilgi verilen Veri Analiz, İletişim
ve Otomatik Kontrol Arayüz yazılım modülleridir. Otopilot sistemi ve test altyapısı geliştirme süreci oldukça
karmaşık ve uzun süreli çalışmalar içerdiğinden; bu bildiride gerçekleştirilen AR-GE çalışmalarının sadece bir
kısmına yer verilebilmiştir.
Referanslar
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Open-source_robotics
[2] https://pixhawk.org/modules/pixhawk
[3] http://ardupilot.com/downloads/
[4] http://qgroundcontrol.org/
[5] http://dev.ardupilot.com/
[6] https://github.com/diydrones/ardupilot/tree/master/libraries/AP_HAL
[7] https://www.indiegogo.com/projects/navio-autopilot-shield-for-raspberry-pi#/story
[8] http://www.uas-europe.se/index.php/products/easypilot-3-0-miniature-autopilot
[9] http://www.uas-europe.se/index.php/products/skyview-ground-control-station-software
[10] http://www.braeunig.us/space/atmos.htm
[11] http://www.banggood.com/APM-Flight-Controller-Set-APM-2_8-6MH-GPS-OSD-Radio-Telemetry-etc-p960341.html
[12] http://aprs.gids.nl/nmea/
597