Yrd. Doç. Dr. Selim Temizer
10 Nisan 2015
İki yılı aşkın bir süredir aralarında benim de bulunduğum bölümümüz mensubu bir grup araştırmacıyı, ellerimizde bazen yeni satın alınmış ve kutusu içinde, bazen de parçaları birleştirilmiş ve uçuşa hazır vaziyette taşıdığımız dört pervaneli model helikopterler ile bölümümüze girerken veya çıkarken, veya ODTÜ – TSK Modelleme ve Simülasyon Araştırma ve Uygulama Merkezi (MODSİMMER) binasının çevresinde uçuş denemeleri yaparken görmüş olabilirsiniz. Bu yapıdaki helikopterler; Quadrotor helikopter, Quadrotor veya Quadkopter olarak da adlandırılmaktadırlar. Ayrıca ilk defa Teknokent firmalarımızdan birisinde çalışan bir mühendis arkadaşımdan duyduğum, sonrasında ise Wikipedia’nın Türkçe sayfalarından birisinde tekrar karşılaştığım Dörtdöner kelimesi de, görünen o ki, bu tarz helikopterleri isimlendirmek için kullanılmaya başlanmış olan Türkçe bir terim olarak gelecekte konu ile ilgili terminolojide yerini almaya adaydır.
Quadrotorlar bünyelerinde temel olarak aşağıdaki üç ana bileşen grubunu barındırmaktadırlar:
1. Quadrotor gövdesi, motorlar, pervaneler, elektronik hız kontrol (İngilizce: electronic speed control; ESC) devreleri, kablolar ve pil gibi unsurlardan oluşan ve quadrotorun çerçevesi (İngilizce: frame), kasası veya şasisi olarak adlandırabileceğimiz temel bileşenler,
2. Quadrotorun otonom olarak veya uzaktan operatör kontrollü bir biçimde uçabilmesini sağlayacak bir yazılımın üzerinde çalışacağı ve içinde mikroişlemci ve hafıza üniteleri gibi modülleri barındıran tümleşik elektronik bileşenler, ve
3. Quadrotorun icra edeceği görevlere uygun olarak seçilmiş olan ve faydalı yük olarak isimlendirebileceğimiz algılayıcılar ve eyleyiciler (İngilizce: sensors and actuators).
Quadrotorlar ile gerçekleştirilebilecek çeşitli araştırma çalışmalarına örnek vermek gerekirse, benim ve birlikte çalıştığım ekiplerin quadrotorlardan faydalanarak yürütmekte olduğumuz bazı projelerimizi şu şekilde özetleyebiliriz:
Tek bir quadrotorun serbest bir ortamda dengeli bir biçimde uçabilmesi için gerekli yazılım ve donanım bileşenlerini hazırlamak, kalibre etmek, ayarlarını yapmak ve entegre etmek,
Tek bir quadrotorun zorlu bir parkurda keskin manevralar planlayarak sabit ve/veya hareketli engellere çarpmadan ilerleyebilmesini sağlamak, ve
Tek bir quadrotorun tamamlayamayacağı büyüklükte bir görevi, birden fazla quadrotorun görev paylaşımı yaparak tamamlayabilmesini sağlamak.
Projelerimizin bir kısmı sponsorlu, bir kısmı hobi amaçlı, ve bir kısmı da bölümümüz öğrencilerinin CENG 491, CENG 492 ve CENG 599 dersleri kapsamında gerçekleştirdiği bitirme projeleri olarak yürütülmektedir. Dolayısı ile geniş yelpazede bir araştırmacı ekibi ile hem gerçek quadrotorlar kullanarak hem de çeşitli simülasyon yazılımları ile fikirlerimizi test ederek ilerlemekteyiz. Çalışmalarımız sırasında bazı önemli tecrübeler edindik ve bu makalede quadrotor severler ve çeşitli projelerinde quadrotorlardan faydalanmak isteyen araştırmacılar edindiğimiz tecrübeler hakkında kısa bilgiler bulabilirler.
Operasyonel bir quadrotor sistemini zordan kolaya doğru dört farklı şekilde elde edebilmek mümkündür:
1. Çok çeşitli ebat, kalite ve fiyatlardaki quadrotor çerçeveleri, hobi malzemeleri satan kuruluşlardan gerek birleştirilmiş şekilde, gerekse parça parça alıp kendimizin birleştireceği şekillerde temin edilebilmektedir. Elektronik parçalar ve projemize uygun algılayıcılar ile eyleyicileri de yine hazır olarak alıp birleştirdikten sonra, quadrotor platformumuzun donanım kısmı tamamlanmış olmaktadır. Bu noktada quadrotorumuzun yazılımını tamamen kendimiz geliştirmeyi tercih edebiliriz. Bu yöntem oldukça zaman alıcı ve zor olmasına rağmen bizim kontrol teorisi üzerine önemli tecrübeler kazanmamıza ve pratik uygulamalar yapmamıza olanak sağlar. Örneğin quadrotorumuzun sağa sola yalpalamadan sabit bir yükseklikte havada durmak (İngilizce: hover) gibi basit bir görevi yerine getirmesini sağlamak için bile oransal-integral-türevsel hesaplamalar (İngilizce: proportional-integral-derivative, PID) ve benzeri kontrol tekniklerinden faydalanarak gerekli pervane dönüş hızlarını her motor için ayrı ayrı olacak şekilde saliseler mertebesindeki çok kısa aralıklarla sürekli yeniden hesaplayıp motorlara göndermemiz gerekmektedir. Ayrıca quadrotorun bir noktadan diğer bir noktaya doğrusal bir hattı takip ederek ilerlemesi gibi diğer basit gözüken görevler de yine çeşitli kontrol algoritmalarının bir arada kullanılması ile gerçekleştirilebilmektedir.
2. Birinci yönteme benzer şekilde platformumuzun donanım kısmını oluşturduktan sonra, yazılımı sıfırdan geliştirmek yerine açık kaynaklı olarak mevcut olan AeroQuad veya ArduPilot gibi yüksek kalitedeki yazılımları donanımımıza yükledikten sonra elimizdeki algılayıcılar, eyleyiciler ve diğer amaçlarımız doğrultusunda özelleştirme yoluna gidebiliriz. Bu yöntem sayesinde alt seviye kontrol algoritmaları ve yazılımları ile uğraşmadan, daha yüksek bir seviyeden görev odaklı olarak yazılımımızı tamamlayabiliriz. Birinci yöntemde olduğu gibi bu yöntemde de yine algılayıcı ve eyleyicilerin kalibrasyonunun ve çeşitli ayarlamalarının bizim tarafımızdan yapılması gerekmektedir.
3. Üçüncü yöntemimizde, içinde hazır otopilot yazılımı bulunduran entegre elektronik bileşenlerden faydalanabiliriz. Ayrı ayrı olarak satın alabileceğimiz quadrotor çerçevesi ve ArduPilotMega (APM) veya Naza gibi bir otopilot ünitesini, algılayıcı ve eyleyicileri de ekleyerek bir araya getirdiğimizde, sadece basit kalibrasyonları tamamlar tamamlamaz göreve hazır hale gelen bir platform elde etmiş oluruz. Otopilot ünitelerinin bir kısmı ayrıca programlama arayüzleri (İngilizce: application programming interface, API) ve görev planlama yazılımları ile birlikte gelmektedir.
4. Son yöntemimizde ise yeterli bütçemiz varsa, tamamen birleştirilmiş, ayarları yapılmış ve uçmaya hazır sistemler satın alabiliriz. Bu sistemlerin hemen hemen hepsi çeşitli görev planlama yazılımlarını da yine kullanıma hazır bir biçimde sunmaktadır. Ayrıca bir kısım hazır sistemler, programlama arayüzleri de sağlamaktadır.
Hobi amaçlı olarak oluşturulan quadrotor sistemleri, genellikle telsiz kumandalar ile ve operatörün görüş mesafesi içinde, pil şarjı ile sınırlı süreler boyunca, eğlence ve/veya havadan fotoğraf veya video çekimi amaçlı olarak kullanılmaktadırlar. Quadrotor platformunun ön kısmına ek bir kamera takılıp, görüntüyü yerdeki operatöre canlı olarak ulaştıracak alıcı-verici mekanizmaların da eklenmesiyle (İngilizce: first-person view, FPV), operatörler quadrotorları görüş mesafelerinin ötesinde de kullanabilmektedirler.
Araştırma amaçlı olarak tasarlanmış olan quadrotorların gerçekleştirmesi beklenen görevler ise daha ilgi çekici, fakat genel olarak daha zor görevlerdir. Çoğunlukla otonom veya yarı-otonom şekilde icra edilmesi planlanan bu görevlere örnek olarak; çok çeşitli yüzeylerden güvenli kalkış ve yine çok çeşitli yüzeylere güvenli iniş, belirli bir rotayı güvenli ve tekrarlanabilir şekilde takip edebilme, her türlü sabit veya hareketli engelleri tespit edip tüm olası çarpışmalardan kaçınma, yük taşıma ve nakletme, çeşitli sabit veya hareketli hedefleri tespit ve takip etme, ve gerek tek ve gerekse birden fazla quadrotorun senkronize olarak çeşitli akrobatik manevralar gerçekleştirmesi gösterilebilir.
Bölümümüz öğrencilerinden quadrotor araştırmaları konusunda bir başarı hikayesini de bu vesileyle kısaca paylaşabiliriz. Geçen sene, bölümümüz son sınıf öğrencilerinden Abdullah Ömer Yamaç, Jonard Doçi, Özgür Ural ve Ömer Faruk Özarslan’ın kurmuş olduğu Clover isimli proje grubu, CENG 491 ve CENG 492 dersleri kapsamında yukarıda bahsetmiş olduğumuz 2 numaralı yöntemi kullanarak geliştirmiş oldukları ve GPS bilgisi kullanarak ODTÜ kampüsü içinde otonom bir şekilde kargo ve posta dağıtımı yapan quadrotor projeleri ile tüm Türkiye çapında gerçekleştirilen Tübitak Bitirme Projeleri Yarışması’nda Ulaştırma ve Lojistik alanında birinci olmuşlardır.
Quadrotorlar ile çalışırken sık sık iş kazaları ile karşılaşmak neredeyse kaçınılmazdır. Mesela kontrolünüzden çıkan bir quadrotor, bir insanı yaralayabilir veya bir aracın üzerine düşerek maddi hasar verebilir (dörtdöner kelimesini ilk defa kendisinden duyduğum arkadaşım, kendisinin tasarlayıp geliştirdiği ve son derece kuvvetli motorlara sahip olan quadrotorunun kontrolden çıkarak kendi üzerine doğru hızla gelişinden kaçmak isterken tökezleyip düşerek kolunu kırmış ve geçirmek zorunda kaldığı ameliyatın ardından tam olarak iyileşmek için uzun bir süre istirahat etmek zorunda kalmıştı). Yine benzer bir şekilde kontrolden çıkıp bir duvara veya yere çarpan bir quadrotorun çok yüksek hızlarla dönen motorlarının çevirdiği pervanelerden kırılarak fırlayan parçalar olabilir ve bu durum özellikle gözlerimiz için çok büyük tehlike oluşturabilir. Dolayısıyla hem kendimizin, hem etrafımızdaki insanların, ve hem de quadrotor uçuş hattı üzerindeki canlı ve cansız tüm varlıkların güvenliği için, uçuş öncesi büyük küçük demeden her türlü önlemi almak, ve uçuş sırasında da yine tedbiri kesinlikle elden bırakmamak gerekmektedir. Önlem almak son derece önemlidir ve çoğunlukla da çok zor ve masraflı değildir. Örneğin inşaat malzemesi satan dükkanlardan 5 TL gibi bir fiyat karşılığında temin edilebilecek olan toz gözlükleri bile gözlerimizi korumak açısından son derece faydalı olacaktır.
Konu ile ilgili soru ve yorumlarınızı bölüm e-posta adresimden bana iletebileceğinizi bildirir, kazasız ve eğlenceli uçuşlar dilerim.