İnsansız hava araçlarında rüzgâr enerjisi yolu ile enerji verimliliğinin artırılması
Improving energy efficiency through wind power for unmanned aerial vehicles
Yazar: MUAMMER UĞUR
Danışman: DOÇ. DR. ERHAN AKDOĞAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
Günümüzde insansız hava araçlarına ilişkin çalışmalar son derece hızlı bir şekilde ilerlemektedir. Buna bağlı olarak bilimsel ve teknolojik gelişmeler de ivme kazanmıştır. İnsansız hava araçlarının geliştirilmesinde yüksek irtifaya ulaşma, daha fazla yük taşıma, otonominin geliştirilmesi, daha uzun süre havada kalma vb. konularda çalışmalar yapılmaktadır. Bu tez çalışmasının konusu ise insansız hava araçlarının havada kalma süresini rüzgâr enerjisini kullanarak artıracak kontrolcünün geliştirilmesidir. İnsansız hava aracı uçabilmek için belirli miktarda yakıta ihtiyaç duyar ve bu yakıt miktarı ile uçuş süresi doğru orantılıdır. Ancak uçuş süresini artırmak için yakıt kapasitesinin artırılması, hem araca fazladan yük oluşturmakta hem de aracın aerodinamiğini değiştirmektedir. Aracın bu enerji sorununu çözmek için güneş paneli kullanılmasına yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Fakat bu panellerin varlığı araca fazladan bir yük oluşturduğundan verimi düşürmektedir. Bu tez çalışmasında ortaya konan kısıtlar göz önünde bulundurularak insansız hava aracının enerji verimliliğini artırmak için bulanık mantık tabanlı bir kontrolcü geliştirilmiştir. Bu yöntemle araca herhangi bir yük oluşturmadan, ortamda bulunan rüzgâr enerjisi kullanılarak havada kalma süresinin artırılması hedeflenmiştir. Geliştirilen bulanık mantık tabanlı kontrolcü ile rüzgârın yön ve şiddetine göre insansız hava aracının uygun yönelime sahip olması sağlanmıştır. 
Tasarım sürecinde ise ilk olarak, bu aracın bir modeli bilgisayar ortamında çizilmiştir. Daha sonra, İHA'nın matematiksel modeli oluşturulmuştur. Bu model kullanılarak uçağın havada kalabilmesi için minimum hız değeri bulunmuştur. Bu bilgiler ile sistem modeli ve kontrol algoritması simülasyon ortamına aktarılmıştır. Bunun yanısıra, bir deney düzeneği hazırlanarak, araca uygulanan kaldırma kuvvetini oluşturacak motor PWM sinyal değeri elde edilmiştir. Ayrıca, yine PWM sinyalinin darbe genişlik süresine göre itme kuvveti değerleri elde edilmiştir. Bu itme kuvveti değerleri, rüzgârlı ortamda bulanık mantık kontrolcünün üyelik fonksiyonlarının sınır değerlerinin belirlenmesinde kullanılmıştır.  Buna göre, farklı şiddetlerde esen rüzgâra karşı, motorun nasıl bir itme kuvveti uygulayacağı bir kural tablosuyla belirlenmiştir. Fiziksel deneyler yapılarak ilk önce rüzgârsız ortamda ve bulanık mantık kontrolcü devre dışı iken harcanan enerjinin miktarı ve bu enerji harcanırken geçen süre kaydedimiş, ardından da belirli bir hızda rüzgâr olduğu zaman ve bulanık mantık kontrolcü devreye alınıp harcanan enerji miktarı ve geçen süre kaydedilmiştir. Sonuçta bu iki süre karşılaştırılmış ve enerji verimliliğine ilişkin sonuçlar ortaya konmuştur.

Abstract:
Nowadays, the process of the development of unmanned aerial vehicles takes place very quickly. In the development of unmanned aerial vehicles, reaching high altitude, providing maximum load carrying capacity, improving autonomous usage, ensuring the longest air time, etc. studies are carried out. The subject of this thesis is to develop a controller that will increase the duration of unmanned aerial vehicles by using wind energy. A certain amount of fuel is needed for the unmanned aircraft to perform the flight. Unmanned aircraft need a certain amount of fuel to fly and this fuel amount and the flight time are directly proportional. However, increasing the fuel capacity to increase flight time both creates an extra load on the vehicle and changes the aerodynamics of the vehicle.  In order to solve the energy problem of the vehicle, studies are carried out on the use of solar panels. However, the presence of these panels creates an extra load on the vehicle, thus reducing the efficiency. In order to increase the energy efficiency of the unmanned aircraft, a fuzzy logic based controller has been developed considering the constraints in this thesis. With this method, it is aimed to increase the residence time by using wind energy in the environment without creating any load on the vehicle. With the fuzzy logic based controller developed, according to the direction and intensity of the wind, the unmanned air vehicle has the proper orientation. The characteristic coefficients of the unmanned aircraft were determined with the help of simulation programs. In this context, primarily a fixed-wing vehicle was produced. The vehicle's data such as speed, position, altitude, battery status is sent to a ground station and transferred to the database. The energy consumed when the controller was switched on and the controller disabled, and the conditions that may be encountered were recorded in graphs and tables.
In the design process, firstly, a model of this vehicle was drawn in the computer environment. Then, the mathematical model of UAV was developed. Using this model, the minimum speed value was found for the aircraft to remain in the air. Following these determinations, the minimum speed value was found for the aircraft to remain in the air. With this information, system model and control algorithm were transferred to simulation environment. In addition, a test envirement was prepared and the PWM signal value of the engine to generate the determined lift force was found. In addition, the trust force values according to the pulse width time of the PWM signal were also obtained. These thrust force values were used to determine the limit values of the membership functions of the fuzzy logic controller in a windy environment. Accordingly it is determined by a rule table how the thrust force of the engine against the wind blowing at different intensities. Physical experiments were carried out to record the amount of energy consumed in the windless environment and when the fuzzy logic controller was inactive, and the time taken while this energy was consumed. As a result, these two periods were compared and the results related to energy efficiency were presented.