Döner kanatlı İHA'lar için otonom şarj istasyonu
Autonomous charging station for rotary wing UAVs
Yazar: HAKAN ÜÇGÜN
Danışman: PROF. DR. CÜNEYT BAYILMIŞ ; PROF. DR. UĞUR YÜZGEÇ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar ve Bilişim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Batarya = Battery ; Lityum iyon pil = Lithium ion battery ; Paneller = Panels ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle ; Şarj istasyonları = Charging stations

Özet:
Son yıllardaki teknolojik ilerlemelere bağlı olarak gelişmiş ve gelişmeye devam eden insansız araçlar, uzaktan kumanda kontrollü veya otonom olarak hareket etme kabiliyetine sahip araçlardır. Bu tarz araçlar, insanların giremeyeceği veya girilmesi insan hayatı için tehlikeli olan yerlere girebilmek ve bu yerlerde gözetleme, saldırı, fiziksel etkileşim gibi işlemler yapabilmektedirler. İnsansız Hava Araçları (İHA), üzerinde insan olmasına gerek duymadan uçabilen, otonom olarak ya da uzaktan kumanda aracılığıyla kontrol edilebilen bir hava aracıdır. İHA'lar, sınır koruma ve gözetleme gibi görev uçuşlarında kullanılabilmektedir. Günümüzde kullanılan batarya teknolojileri ile yapılan görev uçuşları kısa sürebilmekte ve İHA'ların sahip oldukları yeteneklerin efektif bir şekilde kullanılmasını engellemektedir. Bu durumun üstesinden gelmek amacıyla görev uçuşu sırasında İHA'ların şarj edilmesi gerekmektedir. Şarj işlemleri için genel olarak İHA şarj istasyonları geliştirilmiştir. 
Bu tez çalışması kapsamında, görev veya normal uçuşlarındaki döner kanat tipi İHA'ların otonom olarak şarj edilebilmesine imkân veren yenilenebilir enerji destekli şarj istasyonu geliştirilmiştir. İstasyon içerisinde enerji kaynağı olarak güneş enerjisi destekli fotovoltaik (FV) paneller ve akü batarya kullanılmıştır. Şarj istasyonunun geliştirilmesi sırasında konsept tasarımı, benzetim uygulamaları ve donanımsal test çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Tasarım çalışmaları sırasında şarj sisteminin genel yapısı, şarj pisti tasarımı, elektronik kart tasarımları ve şarj takip sistemi ele alınmıştır. Tasarım çalışmaları sonrasında benzetim çalışmalarına geçilmiştir. Benzetim çalışmalarında, FV panel, akü batarya ve İHA bataryasına yönelik uygulamalar gerçekleştirilmiştir. Benzetim çalışmalarının başarılı olmasının ardından şarj istasyonunda kullanılacak olan elektronik donanımların test işlemlerine geçilmiştir. İstayon içerisindeki şarj pistine iniş yapan İHA'nın, iniş yönüne bakılmaksızın ve %100'lük bir başarım ile herhangi bir kısa devre durumu yaşanmadan, şarj pisti üzerinden dengeli bir şekilde şarj edilmesi sağlanmıştır. Şarj işlemlerine yönelik testlerde üç farklı durum ele alınmıştır. İlk durumda, İHA'nın şarj istasyonunda olması ve FV panelden enerji elde edilerek İHA bataryasını şarj edilmesi ele alınmıştır. İkinci durumda, İHA'nın şarj istasyonunda olması ve akü bataryadan enerji elde edilerek İHA bataryasını şarj edilmesi ele alınmıştır. Üçüncü durumda ise İHA'nın şarj istasyonunda olmadığı durumlarda, FV panel üzerinden akü bataryasının şarj edilmesi durumu ele alınmıştır. Şarj işlemleri esnasında farklı akım referansı değerlerinde, geliştirilen şarj sistemin verdiği tepki ele alınmış olup sistemin, değişikliklere anında ve doğru bir şekilde tepki verdiği görülmüştür. Şarj işlemleri başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Şarj işlemleri esnasında İHA bataryasının hücre bilgilerinin anlık olarak takip edilmesine olanak sağlayacak bir arayüz geliştirilmiştir.

Abstract:
Unmanned vehicles, which have developed and continue to develop depending on the technological advances in recent years, are vehicles that have the ability to act autonomously or with remote control. These vehicles can enter places where people cannot enter or where entering is dangerous for human life, and can perform operations such as surveillance, attack, physical interaction in these places. Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is an aircraft that can fly without the need for a human being and can operate autonomously or via remote control. UAVs can be used in mission flights such as border protection and surveillance. Mission flights made with the battery technologies used today can take a short time and prevent the effective use of the capabilities of UAVs. In order to overcome this, UAVs need to be charged during the mission flight. UAV charging stations have been developed for charging operations.
In this thesis, a renewable energy supported charging station has been developed that allows autonomous charging of rotary wing type UAVs in mission or normal flights. Solar energy supported photovoltaic (PV) panels and accumulator batteries were used as energy sources in the station. During the development of the charging station, concept design, simulation applications and hardware tests were carried out. During the design studies, the general structure of the charging system, the design of the charging pad, electronic card designs and the charging tracking system were discussed. After the design studies, simulation studies were started. In the simulation studies, applications for photovoltaic panel, accumulator battery and UAV battery were carried out. After the simulation studies were successful, testing of the electronic equipment to be used in the charging station was started. The UAV, which landed on the charging pad, is charged over the charging pad, regardless of the landing direction and without any short-circuit situation with 100% success. Three different situations were considered in the tests for charging processes. In the first, it is discussed that the UAV is at the charging station and charging the UAV battery by obtaining energy from the PV panel. In the second, it is discussed that the UAV is at the charging station and charging the UAV battery by obtaining energy from the accumulator battery. In the third, it is discussed that charging the accumulator battery by obtaining energy from the PV panel.  The response of the charging system in different current references during the charging processes is discussed and it has been observed that the system immediately and accurately responds to changes. Charging processes has been done successfully. An interface has been developed that will allow the cell information of the UAV battery to be monitored instantly during the charging processes.