← Tüm makaleler

Bir Drone Nasıl Uçar? Kodlarınızı Havada Görmek!

IMU'dan PID kontrolüne, ESC'den PWM çıkışına — bir quadcopter'ı uçuran gömülü yazılım yığını

Bir Drone Nasıl Uçar? Kodlarınızı Havada Görmek!

Bir drone'un havada asılı kaldığını izlediğinizde, arka planda ne döndüğünü hiç düşündünüz mü?

Gördüğünüz şey; dört dönen motor, bir plastik gövde ve belki güzel bir kamera. Ama aslında orada saniyede binlerce kez çalışan bir kontrol döngüsü var. Her titreşimi hisseden sensörler, her sapışı düzelten matematiksel algoritmalar ve her motoru milisaniye hassasiyetiyle kontrol eden PWM sinyalleri var.

Drone'lar, gömülü yazılımın en görünür ve en heyecan verici uygulamalarından biridir. Bu yazıda, bir quadcopter'ın nasıl uçtuğunu — donanımdan sensör füzyonuna, PID kontrolünden ESC çıkışına kadar — bir firmware geliştiricisinin gözünden inceliyoruz.

1. Drone'un Anatomisi

Bir quadcopter'ın çalışmasını anlamak için önce parçalarını tanıyalım:

Bir quadcopter'da dört motor vardır ve her motor ayrı bir ESC tarafından sürülür. Flight controller bu dört ESC'yi bağımsız olarak kontrol ederek droneun yönünü ve yüksekliğini belirler.

2. Dört Motorla Nasıl Uçulur?

Quadcopter'ın hareket mekaniği basit bir fikirden doğar: farklı motorlar farklı hızda döndürülürse, araç döner veya eğilir.

Motorların ikisi saat yönünde (CW), ikisi saat yönünün tersinde (CCW) döner. Bu düzenleme birbiriyle iptal olan torklara yol açar — eğer hepsi aynı hızda dönerse drone kendi ekseni etrafında dönmez.

  M1 (CCW) ← →  M2 (CW)
       ↑   [FC]   ↑
  M3 (CW)  ← →  M4 (CCW)

Dört temel hareket:

Bütün bu hareketler gerçekte aynı anda gerçekleşir. Flight controller her kareyi ayrı ayrı hesaplar ve dört motora ait hız değerlerini harmanlayarak anlık komutlar üretir.

{component:DroneSimulator}

3. Gömülü Yazılım Yığını

Bir drone'un firmware'i üç katmandan oluşur:

{
  "title": "Drone Firmware Katmanları",
  "subtitle": "Saniyede 1000 kez çalışan kontrol döngüsü",
  "layout": "vertical",
  "nodes": [
    { "id": "input",  "label": "Girişler",        "sub": "IMU + Pilot Kumanda (RX)",             "color": "gray"   },
    { "id": "fusion", "label": "Sensör Füzyonu",  "sub": "Complementary / Madgwick filtresi",    "color": "blue"   },
    { "id": "pid",    "label": "PID Kontrolü",    "sub": "Roll, Pitch, Yaw eksenlerinde",        "color": "violet" },
    { "id": "mixer",  "label": "Motor Karıştırma","sub": "Mixer → 4 motor güç değeri",           "color": "amber"  },
    { "id": "pwm",    "label": "PWM Çıkışı",      "sub": "ESC → BLDC Motor",                    "color": "green"  }
  ]
}

Bu yığın saniyede 1000 kez (1 kHz) çalışır. Her döngüde:

1. IMU'dan ham açısal hız ve ivme verileri okunur
2. Bu veriler gerçek duruş açısına (roll, pitch, yaw) dönüştürülür
3. PID algoritması, hedef ile gerçek duruş arasındaki farkı hesaplar
4. Mixer, dört motora ne kadar güç verileceğini belirler
5. PWM sinyalleri ESC'lere gönderilir

4. IMU: Drone'un Denge Organı

IMU, jiroskop ve ivmeölçer olmak üzere iki sensörü bir arada barındırır.

• Jiroskop: Açısal hızı ölçer (°/s cinsinden). "Ne kadar hızlı dönüyorum?"
• İvmeölçer: Lineer ivmeyi ölçer (m/s² cinsinden). Yerçekimi vektörünü kullanarak mutlak eğimi verir.

Her iki sensörün de zayıf yönleri vardır:

Bu yüzden ikisi birlikte kullanılır. Tamamlayıcı filtre (complementary filter) en basit yöntemdir:

#define ALPHA 0.98f

float angle = ALPHA * (angle + gyro_rate * dt) + (1.0f - ALPHA) * accel_angle;

Bu tek satır; jiroskopun anlık hassasiyetini (%98) ve ivmeölçerin uzun vadeli doğruluğunu (%2) birleştirir. Gerçek sistemlerde Madgwick veya Mahony filtreleri kullanılır — ancak fikir aynıdır.

5. PID Kontrolü: Dengenin Matematiği

Sensör füzyonundan çıkan açı değerini elimizde tuttuğumuzu varsayalım. Peki pilotun istediği açı ile mevcut açı arasındaki farkı nasıl düzeltiriz?

Cevap: PID (Proportional-Integral-Derivative) kontrol.

typedef struct {
    float kp, ki, kd;
    float integral;
    float prev_error;
} PID;

float pid_compute(PID *pid, float setpoint, float measurement, float dt) {
    float error = setpoint - measurement;

    pid->integral += error * dt;

    float derivative = (error - pid->prev_error) / dt;
    pid->prev_error = error;

    return pid->kp * error
         + pid->ki * pid->integral
         + pid->kd * derivative;
}

Üç terim ne anlama gelir?

• P (Orantısal): Hata büyükse güçlü düzelt. Hata küçükse hafifçe düzelt. Tek başına kullanılırsa sistem hedefin etrafında salınır.
• I (İntegral): Zamanla biriken küçük hataları düzeltir. Kalıcı sapmaları (rüzgar, ağırlık dengesizliği) giderir.
• D (Türevsel): Hatanın değişim hızına bakar. Sistem hedefe yaklaşıyorsa frenleme uygular — aşmayı önler.

Bir flight controller'da her eksen (roll, pitch, yaw) için ayrı bir PID hesaplanır. Bu üç PID çıkışı ardından mixer'a beslenir.

6. Mixer: Dört Motoru Hesaplamak

Mixer, üç PID çıkışını ve throttle değerini alarak her motora ait güç değerini hesaplar:

float motor1 = throttle + pitch_out - roll_out - yaw_out;
float motor2 = throttle + pitch_out + roll_out + yaw_out;
float motor3 = throttle - pitch_out - roll_out + yaw_out;
float motor4 = throttle - pitch_out + roll_out - yaw_out;

// Kırpma: motor PWM 1000–2000 µs aralığında kalmalı
motor1 = clamp(motor1, 1000.0f, 2000.0f);

Her motor değeri bir PWM sinyaline dönüştürülerek ESC'ye gönderilir. ESC bu sinyali üç fazlı elektrik akımına çevirerek BLDC motoru döndürür.

7. ESC ve PWM: Motorları Sürmek

ESC'ler klasik olarak 1000–2000 µs aralığındaki PWM sinyaliyle kontrol edilir:

STM32 üzerinde bir timer kanalından 50 Hz frekansında (20 ms periyot) bu sinyali üretmek standart yaklaşımdır. Daha modern sistemlerde DSHOT protokolü kullanılır — dijital ve çok daha hızlı.

// TIM1 CH1 için CCR değeri ayarla (PSC ve ARR 50Hz'e göre yapılandırılmış)
TIM1->CCR1 = pwm_us_to_ticks(motor1_us);

8. Gerçek Zamanlı Olmak Neden Kritik?

Bir drone'un kontrol döngüsünün saniyede 1000 kez çalışması rastlantı değildir.

Eğer döngü yavaşlarsa: sensör verileri eskir, PID hesaplamaları yanlış açı üzerinde çalışır ve motorlar geç tepki verir. Rüzgar gibi anlık bozucu etkilerde bu gecikme drone'u devirmek için yeterlidir.

Bu yüzden flight controller firmware'leri gerçek zamanlı çalışma gerektirir:

• Interrupt-driven IMU okuma: SPI veya I2C kesme tabanlı — döngüyü bloklamaz
• DMA ile PWM güncelleme: CPU müdahalesi olmadan timer kayıtları güncellenir
• Sabit döngü süresi: HAL_GetTick() veya bir timer ile her iterasyon tam 1 ms sürer

Özetle

{
  "title": "Kontrol Döngüsü Özeti (1 kHz)",
  "subtitle": "Her döngüde beş aşama sırayla çalışır",
  "layout": "vertical",
  "nodes": [
    { "id": "imu",    "label": "IMU",              "sub": "Jiroskop + İvmeölçer ham verisi",      "color": "gray"   },
    { "id": "fusion", "label": "Sensör Füzyonu",   "sub": "Roll / Pitch / Yaw açıları",           "color": "blue"   },
    { "id": "pid",    "label": "PID × 3 Eksen",    "sub": "Düzeltme çıkışları",                   "color": "violet" },
    { "id": "mixer",  "label": "Mixer",             "sub": "Motor1..4 güç değerleri",              "color": "amber"  },
    { "id": "pwm",    "label": "PWM → ESC",         "sub": "BLDC Motor kontrolü",                  "color": "green"  }
  ],
  "edges": [
    { "from": "imu",    "to": "fusion", "label": "ham veri"  },
    { "from": "fusion", "to": "pid",    "label": "açı"       },
    { "from": "pid",    "to": "mixer",  "label": "düzeltme"  },
    { "from": "mixer",  "to": "pwm",    "label": "% güç"     }
  ]
}

Gömülü sistemler bazen soyut gelebilir. Ama bu kontrol döngüsünü yazdığınızda ve drone havaya kalktığında, kodunuzun havada döndüğünü görürsünüz. Bu, bare-metal programlamanın en somut ödüllerinden biridir.