SmartBird

Kuş uçuşunun şifresi çözüldü

Aktif torsiyonlu aerodinamik hafi f tasarım

2

SmartBird, mükemmel aerodinamik kabiliyetlere ve olağanüstü çevikliğe sahip, çok hafi f fakat güçlü bir uçuş modelidir. Festo, SmartBird sayesinde kuşların uçuş şifresini çözmeyi başarmıştır. Ringa martısından esinlenen bu biyonik teknoloji-taşıyıcı, ilave bir yönlendirme mekanizması olmadan bağımsızca havalanabiliyor, uçabiliyor ve yere inebiliyor. Kanatlarını sadece yukarı-aşağı ha-reket ettirmiyor, aynı zamanda belirli açılarla döndürebiliyor. Bu, aktif mafsallı torsiyonel sürücünün kompleks kontrol sistemiyle birlikte kullanılarak uçuş esnasında eşi görülmemiş bir verimlilik elde edilmesi sayesinde gerçekleşebiliyor. Festo bu sayede doğada yer alan bir yapının enerji-verimli teknik uyarlamasını gerçekleştir-menin başarısını yaşıyor.

Otomasyon için know-howBirleştirilmiş kumanda ünitelerinin fonksiyonel entegrasyonu, Festo‘nun hibrid kumanda teknolojisinin geliştirme ve optimizasyo-nuna aktarabileceği önemli fi kir ve kavrayışlar sağlıyor. Minimum malzeme kullanımı ve son derece hafi f yapı, kaynak ve enerji tüke-timinde verimliliğin yolunu açıyor. Aerodinamik ve akım davranışı konusunda edinilen bilgiler, otomasyon için yeni yaklaşımlara ve çözümlere yol açıyor.

Kuş uçuşunun büyüsüİnsanların en eski hayallerinden biri kuş gibi uçmaktır - havada tüm boyutlarda özgürce hareket etmek ve dünyaya uzaktan “kuşbakı-şı” bakmak.

Kuş uçuşunun kendisi de daha az büyüleyici değildir. Kuşlar, sadece hava direncini yenmek ve - herhangi bir dönen “unsur” ol-maksızın - vücutlarını harekete geçirmek için gerekli itme kuvvetini üreten kanatlarının kas gücünü kullanarak yükselir ve havada ka-lırlar. Doğa, kaldırma ve itme işlevlerinin birlikteliğini ustalıkla ger-çekleştirmiştir. Kuşlar, sadece hayatta kalmak için havada kendi hareketlerini sürekli ve tamamen bağımsız şekilde ölçer, denetler ve ayarlarlar. Bu amaç için kendi duyu organlarını kullanırlar.

3

Bilimsel öncülerLeonardo da Vinci 1490 yılında kuş uçuşunu başarmak amacıyla ilkel hareketli kanat modelleri geliştirdi. 1889’da, Otto Lilienthal, “Havacılığın Temeli olarak Kuş Uçuşu: Havacılık Sistemine Bir Kat-kı” isimli kitabı yayınladı. Otto Lilienthal “Bir Model Olarak Kuş” adlı bölümde, bir martının uçuşunu ayrıntılı olarak açıklıyordu. Daha yakın zamanlarda, Toronto Üniversitesi‘nden Professör Dr. James DeLaurier ve araştırma ekibinin projesi gibi ornithopter pro-jeleri geliştirildi. 2006’da bu grup ilk kez pilotla birlikte hareketli kanat mekanizmasıyla çalışan bir uçuş cihazını pistten havalandır-mayı başardı. Ağustos 2010’da, sadece pilotunun kas gücüyle ha-reket eden bir uçuş makinesi, uçuş yüksekliğine kadar çekildikten sonra yaklaşık 150 metrelik bir mesafe katetti.

Kuş uçuşunun şifresi çözüldü2011 yılında Festo‘nun Biyonik Öğrenme Ağı mühendisleri, bağım-sız olarak havalanabilen ve yardımcı herhangi bir cihaz olmaksızın sadece hareketli kanatlarıyla havada yükselebilen bir uçuş modeli geliştirdi: SmartBird. SmartBird havada uçar, kayar ve süzülür.

Biyonik Öğrenme projeleri AirRay ve AirPenguin ile kazanılmış olan tecrübe, SmartBird‘ü geliştirmek için kullanılmıştır. Projenin ama-cı, ringa martısı üzerine modellenen bir biyonik kuş inşa etmekti. SmartBird mühendislerine ilham veren, sadece hareketli kanatlar aracılığıyla havalanabilen, uçabilen ve yere inebilen bir yapay kuş inşa etmenin büyüsüydü. Havayı belirli bir şekilde hareket ettir-mek, şirketin ana uzmanlık alanlarından biri olarak Festo‘nun elli yılı aşan bir süredir itici gücüdür.

SmartBird‘ün sıradışı özelliğini, ilave yükselme cihazları kullan-madan kendi kanatlarıyla sağlanan aktif torsiyon oluşturmaktadır. SmartBird projesinin amacı, kanatlarda itme ve kaldırma işlevinin entegrasyonu sayesinde gövde ve kuyruk bölgelerinde bir uçuş kontrol ünitesiyle birlikte minimum toplam ağırlıkla kaynak ve enerji tüketimi bakımından verimli bir genel yapı elde etmekti. İlave gereksinimler, mükemmel aerodinamik, itme ve kaldırma için yüksek güç yoğunluğu ve uçma yeteneği için maksimum çeviklikti. Bilimsel yönetim altında, farklı özel kademelerde bir akıllı siberne-tik genel tasarım gerçekleştirildi.

Kusursuz kanat bükme: Yukarı doğru kanat vuruşu sırasında aktif burulma hareketi

4

Tek harekette yükseltici ve itici güç: Yukarı doğru ...

Aktif mafsallı torsiyonel kumandaHareketli kanat uçuşu iki ana hareket içerir. İlk olarak, kanatlar yukarı - aşağı hareket eder, böylece bir kol mekanizması gövde-den kanat ucuna doğru sapma derecesinin artmasına neden olur. İkincisi, kanat, pozitif bir hamle açısı kazanmak için, yukarı doğru vuruş sırasında ön kenarı yukarı doğru yönelecek şekilde bükülür. Eğer dönme hareketi sadece kanadın esnekliği nedeniyle olsaydı, pasif burulma oluşurdu. Diğer yandan, burulmanın ardışıklığı ve büyüklüğü bir uyarıcı tarafından kontrol ediliyorsa, kanadın burulması pasif değil aktiftir.

Kanat: Kuşlarda yükseltici ve itici güçSmartBird‘in her bir kanadı, gövde üzerinde bulunan bir mil yatağına, endüstriyel ekskavatörlerde daha büyükleri kullanılan bir trapezoit mafsal ve bir el-kanat ana kirişine sahip bir iki-parçalı kol-kanat ana kirişinden oluşur. Trapezoit mafsal, 1:3 genlik oranına sahiptir. Kol-kanat yükselme hareketi üretir ve trapezoit mafsalın ötesindeki el-kanat itici güç sağlar. İç ve dış kanadın her iki kanat

ana kirişi torsiyonel dayanıma sahipir. Aktif torsiyon, kanadın en dış nervürü yoluyla kanadı kanat ana kirişine karşı büken, dış kanadın ucundaki bir servomotor tarafından sağlanır.

İdeal itme kuvveti için kısmi lineer kinematik SmartBird kanatlarını kaldırdığında, aktif burulma için servo mo-tor, el-kanatlarının uçlarını pozitif bir hamle açısına döndürür ve ardından, bu hamle açısı bir kanat çırpma süresinin bir kesiti için negatif bir açıya değişir. Burulma açısı, bu evreler arasında sabit kalır. Bu hareket dizisi sayesinde, kanat profi li boyunca hava akışı ideal şekilde itme kuvveti üretmek için kullanılabilir.

Gövde: Teknoloji için güvenli bir yuvaPil, motor ve transmisyon, krank mekanizması, kontrol ve ayarla-ma elektronik devreleri, SmartBird‘ün gövdesine yerleştirilmiştir. İki kademeli bir helisel transmisyon aracılığıyla, dış rotor motoru 1:45‘lik bir indirgeme oranıyla kanatların yukarı-aşağı hareket etmesine neden olur. Bu motora, kanadın konumunu hassas

şekilde kaydeden üç adet Hall sensörü takılmıştır. Kanat çırpma ve bükülme kuvvetleri, bir esnek bağlantı yoluyla transmisyondan kol-kanada iletilir. Krank mekanizmasının ölü noktası yoktur ve bu sayede minimal tepe yükleriyle dengeli şekilde çalışarak mükem-mel bir uçuş sağlar.

Herhangi bir uzaysal yönde baş ile gövde kısımlarının zıt hare-keti, iki elektrik motoru ve kablolar aracılığıyla senkronize edilir. Böylece eşzamanlı ağırlık yer değiştirmesiyle birlikte gövde aerodi-namik olarak bükülür; bu fonksiyon SmartBird‘ü son derece çevik ve hareketli yapar.

Kuyruk kısmı: Yükselme ve kontrol için bir destek SmartBird‘ün kuyruğu aynı zamanda yükselme hareketi üretir; bir yükselme kaldıracı ve yalpalama dümeni işlevi görür. Kuş düz bir çizgi boyunca uçarken, çırpan iki kanadının V-konumu, bir hava aracının geleneksel dikey dengeleyicisine benzer şekilde den-gelenir. Sola veya sağa doğru bir dönüş başlatmak için, kuyruk

yana yatırılır: Boy ekseni etrafında döndürüldüğünde, dikey eksen etrafında bir yalpalama momenti üretilir.

Ölçüm, kontrol ve ayarlamaGövdeye yerleştirilen elektronik devreler, kanat konumununbir fonksiyonu olarak kanat bükülmesinin hassas ve verimli kon-trolüne olanak verir. Bu amaç için, her bir kanadın burulmasını ayarlayan iki servo motorun ideal ayarı güçlü bir mikro-denetleyici tarafından hesaplanır. Kanat çırpma hareketi ve burulma, kanat çırpma hareketi için motorun mutlak konumunu belirleyen üç Hall sensörü tarafından senkronize edilir. Mafsal burulma kontrolü, kanat çırpma ve burulma hareketleri arasında hassas koordinasyon istediğinden, sürekli çok yönlü izlemeye tabidir.

Akıllı izlemeKanadın konumu ve burulma hareketi, pil şarjı, güç tüketimi ve pilot tarafından giriş gibi uçuş bilgilerini iletmek için kullanılan Zig-Bee Protokolüyle iki yönlü radyo haberleşmesi aracılığıyla izlenir. İlave olarak, burulma kontrol parametreleri uçuş sırasında gerçek zamanda ayarlanabilir ve bu sayede optimize edilebilir. Elektronik kumanda sistemiyle birlikte bu akıllı izleme, mekanizmanın saniye-nin bir kesiti kadar kısa sürede yeni durumlara uyum sağlamasını mümkün kılar. Bu, uçuş hareketinde genel biyomekatronik siste-min ideal verimliliği için kuş modelinin basit, verimli ve ağırlık-optimizasyonlu mekanik tasarımını kolaylaştırır.

... ve aşağı doğru kanat vuruşları

5

6

Kanat konumu ve burulma gerçek zamanlıolarak izlenir

Teorik temel Yüksek bir aerodinamik verimlilik düzeyi teorik olarak sadece, bir aktüatör tarafından temin edilmesi gereken küçük bir güç mikta-rıyla sağlanan aktif burulma hareketiyle elde edilebilir. Aktif burul-mayla, hareketli kanatların gücü çok verimli bir şekilde itme kuvve-tine dönüştürülür. Aerodinamik verimlilik faktörü, elde edilen itme gücünün harcanan kanat çırpma ve döndürme gücüne oranıdır.

Dairesel uçuşun bilimsel tetkikiSmartBird‘ün inceleme ve ölçümleri, geliştirilme sürecinde, bir dairesel yörünge boyunca uçurulan kuşların uçuşunu analiz eden Fransız fi zyolog Etienne-Jules Marey‘in (1830 – 1904) çalışması te-melinde gerçekleştirildi. Elektro-mekanik verimliliği belirlemek için, dinanometrik fren görevi gören yeni bir düzenek geliştirildi.

SmartBird‘ün verimlilik faktörleriSmartBird ve öncelleri, yaklaşık %45’lik bir elektromekanik verimli-lik faktörüne sahiptir. Dairesel uçuş ölçümleri, %80’e kadar yüksek bir aerodinamik verimlilik faktörü göstermiştir.

Genel verimlilik faktörü, iki kısmî verimlilik faktörünün bileşkesidir. Aerodinamik verimlilik faktörü hesaplanabildiği fakat doğrudan ölçülemediği için, genel ve elektromekanik verimlilik ölçümlerinden tespit edilir. Elektromekanik verimlilik faktörünü belirlemek için, uçuş sırasında harcanan kullanılabilir gücü hesaplamak amacıyla tork ve açısal hız, emme dinamometresi tarafından sürekli ölçülür. Bu amaç için, kanat vuruş hareketi, bir fren pabucu tarafından en-gellenen bir mile aktarılır; frenin manivela kolu bir kuvvet sensörü tarafından tutulur. Bir açı sensörü, milin dönme hareketini ölçer. Tork ve açısal hız birlikte mekanik gücü üretir. Elektromekanik verimlilik faktörü, bu miktarın sağlanan elektrik gücüne oranı şek-linde hesaplanır.

Hava akışının ideal kullanımı İtici güç ve yükselme hareketi sadece kanatların hareketiyle ger-çekleştirilir ve sadece 25 Watt güce ihtiyaç duyar. SmartBird yak-laşık 400 gram toplam ağırlığa ve 2 metre kanat açıklığına sahiptir. Bu nedenle mükemmel bir fonksiyonel entegrasyon ve kaynak-ve-rimli son derece hafi f bir tasarım örneği olup hava akımı davranışı-nın ideal kullanımını sergiler.

Kanat bükme ve kanat burma davranışlarının zaman kontrolü has-sas birkaç milisaniye içerisinde gerçekleşir ve kanatlar çevresinde ideal hava akımı sağlar. SmartBird uçuş modelinin dış tarafında dönen parçalar yoktur, bu nedenle yaralanmaya neden olması söz-konusu değildir.

Biyonik sayesinde değişen bir paradigmaSmartBird ile Festo, Biyonik Öğrenme Ağı’nda bir kez daha doğal bir ilkeyi başarılı şekilde bir teknoloji alanına aktarıyor. SmartBird, otomasyonda yeni çözüm arayışları için doğaya dönmeyi teşvik ediyor

Herşeyi kapsayan bir mekatronik tasarımSmartBird, çok sayıda bağımsız çözümü büyüleyici bir bütün halin-de birleştiren tam kapsamlı bir mekatronik ve sibernetik tasarım-dır. SmartBird, ancak akıllı mekanik, elektrikli kumanda teknolojisi, akışkanlar dinamiğinden elde edilen bulgular, akıllı açık ve kapalı devre kontrol mühendisiliği, durum izleme ve bilimsel bulguların sürekli doğrulanarak uygulamaya geçirilmesi yoluyla gerçekleştiri-lebilmiştir.

Festo daha şimdiden akışkanlar dinamiği konusundaki uzmanlığını en son nesil silindirlerin ve valfl erin geliştirilmesinde kullanmakta-dır. Festo, SmartBird’ün akım özelliklerini analiz etmek suretiyle, kendi ürün çözümlerinin optimizasyonu için ilave bilgiler edinmiş ve daha da verimli tasarımlar yapmayı öğrenmiştir. Tasarımdaki bu

verimlilik, daha az montaj yeri isteyen küçük boyutlu, debi optimi-zasyonlu ve bu sayede daha enerji-verimli ürünlerin geliştirilmesi-ne olanak sağlamaktadır.

Enerji-verimli ve kaynak-dostuOptimize edilmiş konturları ve hafi f karbon elyaf tasarımıyla SmartBird, enerji-verimli hareketin ve malzemelerin kaynak-dostu kullanımının mükemmel bir örneğidir. Benzer şekilde, iki kumanda tipinin fonksiyonel entegrasyonuyla bir karma çözüm üretilmesi de kaynak verimliliğini artırmaktadır.

Karma teknoloji için fonksiyonel entegrasyonBu fonksiyon entegrasyonu, karma kumanda teknolojilerinin opti-mizasyonu için bilgi sağlar. Festo, karma eksenle, daha şimdiden hızlı ve yüksek hassasiyetli lineer aktüatör teknolojisi elde etmek için yüksek pnömatik biliminin avantajlarını elektrikli lineer eksen-lerin avantajlarıyla birleştiriyor.

Olası uygulama alanlarıBağlaşık kumandaların lineer ve döner hareket için uygulamaları, sudan enerji elde eden - darbe kanatlı jeneratörler denilen - jenera-törlerden proses otomasyonundaki yeni aktüatörlere kadar uzanır.

Biyonik biliminin yol açtığı paradigma değişikliğinden esinlenen Festo, zaten geçmişte sanayide kabul gören ürünler geliştirmişti; buradaki odak noktası enerji-verimliliği ve kaynakların korunması-dır.

Durum izleme yoluyla güvenli çalışmaSmartBird’ün kanat konumu ve burulmasıyla ilgili veriler uçuş sırasında sürekli olarak kaydedilir. Burulma kontrol parametreleri uçuş sırasında gerçek zamanda ayarlanabilir ve bu sayede optimi-ze edilebilir. Bu, güvenli çalışma için kuşun dengeli uçmasını sağlar

Durum izleme: Sürekli teşhisle hareket güvenliği sağlanır Yeni ürünlerin tasarımı ve simülasyonunda akım davranışı

7

Proje ortakları

Proje başlatıcısı:Dr. Wilfried Stoll, Yönetici Ortak,Festo Holding GmbH

Proje Müdürü:Yüksek Mühendis (FH) Markus Fischer, Kurumsal Tasarım, Festo AG & Co. KG

Tasarım ve üretim:Rainer Mugrauer, Günter Mugrauer, Andreas Schadhauser, Effekt-Technik GmbH Schlaitdorf

Elektronik ve entegrasyon:Yüksek Mühendis Agalya Jebens, Yüksek Mühendis Kristof JebensJNTec GbR, Gärtringen

Boyutlandırma ve bilimsel yönetim:Dr. Wolfgang Send, Felix Scharstein, ANIPROP GbR, Göttingen

Fotoğrafl ar:Thomas Baumann, Esslingen, AlmanyaAxel Waldecker, Murr, Almanya

İçi doldurularak hazırlanan ringa martısı: Stuttgart Doğal Tarih Devlet Müzesi Taksidermist: Jan Panniger

Teknik veriler

Gövde uzunluğu: 1.07 mKanat açıklığı: 2.00 mAğırlık: 0.450 kg

Yapı: Hafi f karbon elyaf yapıAstar: kalıptan çekilmiş poliürean köpük

Pil: Lityum polimer batarya, 2 hücreli, 7.4 V, 450 mA

Servo kumanda: Baş ve kuyruk kısımlarının kontrolü için 3.5 kg tahrik kuvvetli 2x dijital servo ünite Kanat bükülmesi için 2x dijital servo ünite, 0.03 sn‘de 45 derece hareketli

Elektrik gücü ihtiyacı: 23 W

Mikro-denetleyici: MCU LM3S811 50 Mhz‘de 32-bit mikro-denetleyici 64 KByte fl ash, 8 KByte RAM

Radyo iletimi: ZigBee Protokolüne dayanan 868 MHz/2.4 GHz iki yönlü radyo iletimi

Motor: Kompakt 135, fırçasız

Sensörler: Motor konumlandırma 3x TLE4906 Hall sensörleri

Akselerometre: LIS302DLH

Güç yönetimi: ACS715 gerilim ve akım izlemeli 2x LiPo batarya hücreleri

LED aktivasyonu: TPIC 2810D

Film