Geri Dön

Mini jet motorlu dikine kalkıp inebilen hava aracı geliştirilmesi

Development of a mini jet engine powered vtol vehicle

PDF İndir

  1. Tez No: 574381
  2. Yazar: ABDULLAH TÜRKMEN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ERDİNÇ ALTUĞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 89

Özet

İnsansız hava araçları çeşitli sebeplerden ötürü özellikle son yıllarda hayatın birçok alanında sıklıkla kullanılmaya başlanmıştır. Askeri amaçlı kullanılan insansız hava araçları ile insan hayatını riske atacak operasyonlarda insan faktörü ortadan kaldırılmaktadır. Otonom olarak görev yapan insansız hava araçlarının kullanılmasıyla birlikte pilotlardan kaynaklanacak olan hatalar ortadan kaldırılmakta ve daha güvenilir uçuş gerçekleştirilmektedir. Özellikle insanlar için tehlikeli olan birtakım işlerde kullanılarak insan hayatının korunmasına yardımcı olan bu araçlar, aynı zamanda eğlence amacıyla da kullanılmaktadır. Üzerinde kamera bulunan hava araçları ile daha önce çekilemeyen doğa fotoğrafları ve videoları ekonomik ve kolay bir şekilde çekilebilmektedir. Son yıllarda gelişen teknolojiler ile birlikte bazı insansız hava araçlarının kullanıcılarını otomatik olarak takip edip videoya alma gibi özellikleri ortaya çıkmıştır. Günümüzde bazı firmalar adrese paket kargolama işlerinde de insansız hava araçlarının kullanılması için çalışmalar yapmaktadır. İnsansız hava araçlarının daha önce hiç görülmemiş ve tahmin edilmemiş alanlarda şuan kullanılmakta olması, gelecekte bu araçların insan hayatına daha fazla dâhil olarak hayatı kolaylaştıracağını göstermektedir. Sivil ve askeri alanda bu denli kullanılan insansız hava araçlarının tamamına yakınında ana itki kaynağı olarak elektrikli motorlar kullanılmaktadır. Elektrikli motorların bu kadar çok tercih edilmesinin altında kullanımının kolay olması, tepki sürelerinin kısa olması gibi sebeplerle hava aracının kontrolünde büyük kolaylık sağlaması yatmaktadır. Sağladıkları kolaylıkların yanı sıra elektrikli motorların dezavantajları da bulunmaktadır. Elektrik motorlarının çalışabilmesi için elektrik enerjisine ihtiyaç duyulmakta ve bu enerji hava araçlarında bataryalardan sağlanmaktadır. Bataryaların sahip olduğu enerji ve kütle, kullanılan birçok insansız hava aracının uçuş süresini ve kaldırılabilecek maksimum yük miktarını ciddi oranda kısıtlamaktadır. Diğer taraftan, kişisel insanlı hava taşıtları gibi ağır yük taşıyan ve daha uzun süre havada kalabilen araçlara duyulan ihtiyaç artmaktadır. Bu çalışmada, mini jet motorlarının ana itki kaynağı olarak kullanıldığı dikey iniş kalkış yapabilen bir insansız hava aracının geliştirilmesi ve kontrolü amaçlanmaktadır. Jet motorlarının kullanılması, elektrik motorlu araçlarda olan batarya ihtiyacını ortadan kaldırmakta, bunun yerine enerji yoğunluğu daha fazla olan sıvı yakıt kullanımına olanak sağlamaktadır. Jet motorları, özgül güç değeri en yüksek olan motor türüdür. Sahip oldukları bu avantaj ile görece olarak hafif olan motorlardan daha fazla itki elde edilmekte ve hava aracında taşınabilecek faydalı yük miktarı artmaktadır. Jet motorları günümüzde dahi dikey iniş kalkış yapabilen insansız hava araçlarında yaygın olarak kullanılmamaktadır. Bunun ana sebebi olarak jet motorlarının dinamik davranışlarının elektrikli motorlara nazaran çok yavaş olması öne çıkmaktadır. Bu projede jet motorlarının bu dezavantajını ortadan kaldırmak için yeni bir yöntem kullanılmıştır. Jet motorlarının itkilerinin şiddetinin kontrol edilmesi yerine, şiddeti sabit tutulup yönü servo eyleyicilerle kontrol edilmekte ve böylelikle hava aracının kontrolü sağlanmaktadır. Hava aracında toplamda dört adet jet motoru kullanılmakta ve her bir jet motoru yunuslama ve yuvarlanma eksenlerinde hareket ederek itkiyi yönlendirme özelliğine sahiptir. Hava aracının matematik modeli oluşturulmuş ve gerekli kontrolcü yapıları için araştırmalar yapılmıştır. Hava aracının kontrolü için LQR ve MPC kontrol yöntemleri çalışılmış, oluşturulan matematik model ve kontrolcü yapıları MATLAB Simulink ortamında benzetimlere tabi tutulmuştur. Benzetimler neticesinde kullanılan kontrolcü yapılarının her ikisinin de jet motorlu hava aracını başarılı bir şekilde uçurabildikleri görülmüş ve sistemin gerçeklenmesi için çalışmalar yapılmıştır. Hava aracının kontrolü için jet motorlarının bazı karakteristiklerinin bilinmesi gerekliliği sebebiyle, jet motorlarından ihtiyaç duyulan verilerin toplanabildiği bir test düzeneği tasarlanmış ve imal edilmiştir. Yapılan başarılı testler ile gerekli veriler toplanmış ve hava aracının uçuş kontrol algoritmalarında kullanılmak üzere kaydedilmiştir. Jet motorlu hava aracının en önemli yeniliği jet motorlarının itkilerinin yönlendirilmesidir. Bu amaç doğrultusunda bir jet motor eğme mekanizması tasarlanmış, analizleri yapılmış ve imal edilmiştir. Gerçekleştirilen başarılı testler sonunda jet motorlarının itkilerinin istenen şekilde yönlendirildiği görülmüştür.

Özet (Çeviri)

Unmanned aerial vehicles have been used frequently in many areas of life especially in recent years for various reasons. With the use of unmanned aerial vehicles which are used for military purposes the human factor is eliminated in the operations that are dangerous for human life. Using unmanned aerial vehicles serving as autonomous, errors resulting from pilots are eliminated and more reliable flights are carried out. These vehicles which are used especially in some works having danger for human life are also used for entertainment purposes. Fascinating nature photos and videos can be captured in an economical and easy way with the use of an aircraft having a camera on it. In recent years, with the emerging technologies, some unmanned aerial vehicles are able to automatically follow and capture videos of its users. Nowadays, some companies are working on the use of unmanned aerial vehicles for package shipping. The fact that unmanned aerial vehicles are now being used in unseen and unpredictable areas shows that in the future these vehicles will make 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 and their response time is short, electric motors provide easy control of aerial vehicles. Therefore, electric motors are widely used. In addition to their convenience, electric motors have also disadvantages. Electrical energy is needed for the operation of electric motors and this energy is provided from the batteries in air vehicles. The energy and mass of the batteries considerably limit the flight time and the maximum load that can be lifted by the vehicle. On the other hand, the need for vehicles carrying heavy loads such as personal manned aircraft and staying in the air for longer durations is increasing. In this study, it is aimed to develop and control an unmanned aerial vehicle which can vertically take off and land, and uses mini jet engines as main thrust source. The use of jet engines eliminates the need for batteries used in electric motor vehicles, but instead allows the use of liquid fossil fuels having a higher energy density. Jet engines are the type of motor with the highest specific power. With this advantage they have more propulsion than relatively light engines and the amount of useful load that can be transported in the aircraft increases. Even today, jet engines are not widely used in unmanned aerial vehicles capable of vertical takeoff and landing. The main reason for this is that the dynamic behavior of jet engines is very slow compared to electric powered motors. In this project, a new method has been used to eliminate this disadvantage of jet engines. Instead of controlling the magnitude of the thrust of the jet engines, the magnitude is kept constant and the direction is controlled by the servo actuators. As a result, control of aircraft is ensured. A total of four jet engines are used in the aircraft and each jet engine has the ability to vector the thrust by moving in pitching and rolling axes. A mathematical model of the aircraft was developed and research was carried out for the necessary control structures. LQR and MPC control methods have been studied for the control of aircraft, mathematical models and control structures are simulated in MATLAB Simulink environment. It was seen that both of the control structures used were able to 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 the aircraft. For this purpose, a test device is designed and manufactured in which the data needed from the jet engines can be collected. With the successful tests performed, the required data were collected and recorded for use in the aircraft's flight control algorithms. The most important innovation of the jet engine powered aircraft is to direct the thrust of jet engines. For this purpose, a jet motor tilting mechanism has been designed, analyzed and manufactured. At the end of the successful tests performed, it was 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 of vertical take off and landing is completed. During the design, some criterias are taken into consideration. The body of the jet engine powered vertical take off and landing vehicle must provide enough strength against possible crashes. In addition, the vehicle 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 been designed and manufactured. The body of the vehicle weights about 40 kg without liquid fuel added. The material used in the body is mainly aluminum. The frame of the body is manufactured from aluminum sigma profiles. Besides, the jet engine tilting mechanisms are designed and CNC machined from aluminum stock material. Jet engine tilting mechanisms are capable of tilting the jet engine in roll and pitch axis. During the design of the tilting mechanism, strength and weight constraints are also considered. The actuators used in tilting mechanisms are electric powered servo motors. There are 12 liters capacity fuel tanks for each jet engine in the jet engine powered vtol vehicle. In addition to the body design and manufacturing, software development, electronic system 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 as microcontrollers. Attitude information of the jet powered vehicle is obtained from an inertial measurement unit placed on the vehicle, while altitude information is gathered from a lidar distance sensor. Reference signal for the control of the jet powered vehicle is given to the vehicle from RC receiver. The LQR controller used in the control of the jet powered vtol vehicle runs on STM32 microcontroller. STM32 microcontroller also gets information from inertial measurement unit on the vehicle, altitude sensor, RC receiver and one of the Arduino boards. Inertial measurement unit, altitude sensor information and RC receiver information is used in LQR controller algorithm. Resulting controller signal is sent to the servo motor drivers, which are also connected to STM32 microcontroller. Jet engine control units (ECU) are connected to Arduino Mega boards. These control units sends information about the jet engine like motor status, angular speed, exhaust temperature to the Arduino boards. Arduino boards collect information from jet engine control units and STM32 microcontroller. There is a wireless communication module connected to one of the Arduino boards, sending the whole data about the jet powered vtol vehicle to the ground station. On the ground station computer, there is a user interface program which is developed in order to collect data like aircraft attitude and altitude, servo motor angles, jet engine angular velocities, jet engine status etc. from the jet powered vtol vehicle. Electrical energy needed to power up the devices on the vehicle is supplied from LiPo batteries. Jet engine control units are powered from four 3S 4000 mAh batteries, while the remaining devices are powered from one single 4S 5000 mAh battery. Microcontroller units and the sensors accept maximum voltage of 5V, while the servo motors accept 12V. There are DC-DC voltage converters on the vehicle to convert 4S battery voltage to the voltage levels of the devices.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    338577

    Design and manufacturing of a high speed jet powered target drone

    Yüksek hızlı jet motorlu hedef uçağı tasarımı ve üretimi

    ENDER ÖZYETİŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN NAFİZ ALEMDAROĞLU

  2. Tez No

    656330

    Bir mini jet motoru için radyal kompresörün akış ve yapısal analiz yöntemleri kullanılarak tasarımı

    Design of a centrifugal compressor for a mini jet engine with the utilization of flow and structural analyzes

    ZEYNEP AYTAÇ YILMAZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURİ YÜCEL

  3. Tez No

    796893

    Üzüm çekirdeği yağı biyoyakıtı – jet A1 (kerosen) karışımlarının küçük ölçekli jet motorunun itki performansı ve emisyon değerlerine etkisinin araştırılması

    Investigation of the effect of grape seed oil biofuel - jet A1 (kerosene) mixtures on the thrust performance and emissi̇on values of small-scale jet engines

    ÖMER ASLANTAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Sivil HavacılıkSelçuk Üniversitesi

    Havacılık Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA TAŞYÜREK

  4. Tez No

    517822

    Mini insansız hava araçlarında kullanılan motorların performanslarının incelenmesi ve optimizasyonu.

    Examination of performance of engines used in mini unmanned aerial vehicles and optimization.

    CAFER SOLUM

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Mühendislik BilimleriYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN ALPAY HEPERKAN

  5. Tez No

    392193

    Mini turbojet/turboprop motorun ileri ekserji analizi

    Advanced exergy analysis for a small scale turbojet/turboprop engine

    SELÇUK EKİCİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Makine MühendisliğiAnadolu Üniversitesi

    Uçak Gövde Motor Bakım Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ÖNDER ALTUNTAŞ

    PROF. DR. TAHİR HİKMET KARAKOÇ

Geri Dön