Design and performance analysis of a mini unmanned coaxial helicopter

Abstract

Bu çalışmada, insansız eşeksenli mini helikopterin tasarımı sunulmaktadır. Döner kanatlı mini hava aracı küçük boyutlu olduğu ve askıda kalabilme yeteneğine sahip olduğu için insanların giremediği engebeli ve tehlikeli yerlere ulaşabilmektedir. Çalışmanın öncelikli amacı belirlenmiş maksimum ağırlıkla maksimum paralı yük taşıyabilecek ve bir binada gerçek zamanlı görüntü alabilecek insansız eşeksenli mini bir helikopter geliştirmektir. Eşeksenli rotor konfigurasyonunun seçilmesinin temel nedeni bu konfigurasyonun kuyruk ve kuruk rotoru içermemesi nedeniyle aracın küçük boyutlarda kalmasına olanak vermesidir. Çalışmada özellikle kavramsal ve ön tasarım, güç sistemi, kararlılık ve kontrol konuları üzerinde durulmaktadır. Her bir palanın aerodinamik tasarımı için Momentum Kuramı ve Pala Elemanı Momentum Kuramı kulalnılmaktadır. Ön tasarım, Momentum Kuramı kullanılarak ve Pala Elemanı Momentum Kuramı sonuçlarıyla desteklenerek yapılmıştır. Bu çalışmada tasarlanan helikopter; rotor (döneç) palaları, elektronik hız kontrolörü, jiroskop, elektrik motoru, pil, kamera ve diğer sistemlerden oluşmaktadır. İtici güç, fırçasız elektrik motor ve yüksek kapasiteli lityum polimer pil paketinin birleşmesiyle sağlanmaktadır. Optik gözlem için küçük bir kamera kullanılmaktadır. Aracın toplam ağırlığı 2000 gram ve istenen takat 30 dakikadır. Sonuç olarak, kavramsal ve ön tasarım yapılmıştır. Helikopterin gövdesi yapılmakta ve bazı parçaları hazır satın alınarak temin edilmektedir. İleriki çalışmada istenen özelliklere sahip prototipin üretimi yapılacaktır. Bunun yanısıra, sistem entegrasyonu, yer ve uçuş testleri de yapılacaktır.

This thesis presents the design of a mini unmanned coaxial helicopter which can be used for indoor mission as a safe and military scouting device. Since a mini rotary wing air vehicle has a small size, and the ability to hover, it can approach rugged or dangerous areas where human can not go. The primary goal of the design is to develop a mini unmanned coaxial helicopter which could carry the maximum payload for the specified maximum gross weight, taking real time images in a building. The main reason of selecting coaxial rotor configuration is that it allows the aircraft remain small in size due to removal of a tail rotor and boom. The study focuses on conceptual and preliminary design, power system and stability and control. For the aerodynamic analysis of each blade, ?Momentum Theory? and ?Blade Element Momentum Theory? are used. The preliminary design is done by using the ?Momentum Theory? and is supported by the results of the ?Blade Element Momentum Theory?. The vehicle designed in this study, consists of coaxial rotor blades, electronic speed controller, gyroscope, electric motor, battery, camera, and other systems. Propulsion is provided by a combination of an electric brushless outrunner motor and a high capacity lithium polymer battery pack. A small camera is used for optical surveillance. The gross weight of the vehicle is 2000 grams and the (desired) endurance is 30 minutes. As a result, the conceptual and preliminary designs are carried out. The body of the helicopter is constructed and COTS components are procured. Further study will focus on the fabrication of the prototype according to the desired characteristics. Also, the system integration, ground and flight tests will be performed.