Mini jet motorlu dikine kalkıp inebilen hava aracı geliştirilmesi
Development of a mini jet engine powered vtol vehicle
Yazar: ABDULLAH TÜRKMEN
Danışman: DOÇ. DR. ERDİNÇ ALTUĞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

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.

Abstract:
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.