AX-Q4 — Taktik Quadruped Robot Platformu

// GENEL BAKIŞ — ANA PARAMETRELER

Platform Teknik Özellikleri

AX-Q4; keşif, devriye, tehlikeli alan erişimi ve lojistik destek görevleri için tasarlanmış yerli taktik quadruped robottur. Aşağıdaki parametreler mühendislik hesapları ve sistem gereksinimleriyle doğrulanmıştır.

3.5m/s

MAKSİMUM HIZ — REQ-03

7.4h

HESAPLANAN GÖREV SÜRESİ (REQ-01: ≥4 h)

12DoF

SERBESTLIK DERECESİ (4 BACAK × 3 EKLEM)

25°

MAKSİMUM EĞİM (DOĞRULANDI: F_fr>F_slope)

90N·m

EKLEM TASARIM TORKU (SF=2, TR-101)

12kg

MAKSİMUM PAYLOAD — REQ-02

IP67

SIZDIRMAZLIK — BLOK 1-2 (IP68 HEDEF B3+)

44.4V

12S LI-ION NOMİNAL GERİLİM / 50 Ah

1554Wh

KULLANILABİLİR ENERJİ (%20–90 SoC)

210W

ORTALAMA GÜÇ TÜKETİMİ (KARMA PROFİL)

15g

ŞOK DAYANIMI — MIL-STD-810H 516.8

±55°C

ÇALIŞMA SICAKLIĞI (-30°C / +55°C)

SİSTEM ALT MİMARİLERİ

ALT SİSTEM	KISALTMA	KAPSAM	SERVİS
Mekanik Mobilite Sistemi	MMS	Şasi, bacak segmentleri, eklemler, ayak mekanizması	Sahadaki modüler bakım: tibia, femur ayrı ayrı sökülebilir
Enerji ve Güç Sistemi	EGS	12S LiPo batarya, BMS, DC/DC dönüştürücüler	Batarya modülü saha değişimi <10 dak
Algılama ve Füzyon Sistemi	AFS	LiDAR, stereo kamera, IMU, radar, termal, F/T sensörler	Sensör kafası modüler, tornavidasız söküm
Otonomi Kontrol Sistemi	OKS	Jetson Orin NX, ROS2, SLAM, Nav2, görev planı	OTA yazılım güncellemesi

// MEKANİK MİMARİ — ALT SİSTEM 1: MMS

Mekanik Tasarım & Hesaplar

2.1 — Bacak Yapısı ve 12 DoF Konfigürasyonu REQ-01 / REQ-05

Her bacakta üç eklem bulunur: Hip Roll (kalça yuvarlanma, vücut yatay dengesi), Hip Pitch (kalça eğilme, ileri-geri hareket) ve Knee Pitch (diz eğilme, zemin adaptasyonu). 4 bacak × 3 eklem = toplam 12 aktüatör. Femur uzunluğu 220 mm, tibia uzunluğu 260 mm; toplam bacak uzanımı yaklaşık 480 mm.

Femur segmentleri Ti-6Al-4V titanyum alaşım dış gövde + CF (karbon elyaf kompozit) iç tüp hibrit yapısı ile üretilir. Hedef özgül mukavemet >300 MPa·m³/kg. Tibia segmentleri tam karbon elyaf kompozit; 0.8 kg/adet. Şasi Al 7075-T6 + CF sandviç; ana yapı 18 kg.

Kütleve Yük Analizi

W = m·g = 45 kg × 9.81 m/s² = 441.45 N

// Tam donanımlı platform kütlesi (payload dahil, m=45 kg en kötü durum)

F_leg_static = W / 4 = 441.45 / 4 = 110.36 N

// Statik duruşta eşit dağılım varsayımı

F_leg_dyn = DF × F_leg_static = 2.5 × 110.36 = 275.9 N

// DF = 2.5: quadruped koşu dinamik katsayısı (literatür: 2.0–3.0)

Dinamik faktör DF=2.5, Boston Dynamics ve MIT Cheetah yayınlarından elde edilen deneysel quadruped yük verilerine dayanır. Sert zemin koşularında pik değer DF=3.0'a ulaşabilir; bu nedenle ek güvenlik katsayısı SF=2 uygulanmıştır.

Eğim Performans Analizi

θ_max = 25° (Tasarım hedefi, REQ-05)

F_slope = W·sin(25°) = 441.45 × 0.4226 = 186.5 N

// Yokuş yukarı yürürken ağırlığın eğim boyunca bileşeni

µ = 0.6 (kaba zemin, split-hoof ile ölçülen değer)

F_friction = µ·W·cos(25°) = 0.6×441.45×0.9063 = 240.0 N

SONUÇ: F_friction (240 N) > F_slope (186.5 N) → 25° eğim GEÇERLİ ✓

// split-hoof sistemi µ'yü %30–40 artırır vs düz ayak

2.2 — Bileşen Tablosu ve Malzeme Seçimi BOM

PARÇA NO	BİLEŞEN	MALZEME	KÜTLE	ADET	TOPLAM	NOT
101-MCH	Gövde Şasisi	Al 7075-T6 + CF Sandwich	18.0 kg	1	18.0 kg	Ana yapı, MIL rail yuvalı
102-FEM	Femur Segmenti	Ti-6Al-4V + CF tüp	1.2 kg	4	4.8 kg	L=220 mm, µS>300 MPa·m³/kg
103-TIB	Tibia Segmenti	CF Kompozit	0.8 kg	4	3.2 kg	L=260 mm, saha değiştirilebilir
200-ACT	Aktüatör Grubu	Al gövde / BLDC motor	0.95 kg	12	11.4 kg	Harmonic Drive dahil
104-FOOT	Split-Hoof Ayak	TPU pad + Ti spike	0.3 kg	4	1.2 kg	Pad/spike modülleri takastır
300-BAT	Batarya Modülü	Al kasa / 12S LiPo	8.0 kg	1	8.0 kg	44.4V / 50Ah, hızlı çıkarma
400-PLD	Payload Yuvası	Al 6061 + MIL-STD-1913 ray	1.5 kg	1	1.5 kg	Modüler, kilogram başına max 12 kg
500-NPU	Sensör Kafası	Mg alaşım kasa	1.5 kg	1	1.5 kg	LiDAR + stereo kamera + termal
TOPLAM PLATFORM (PAYLOAD HARİÇ)					~33 kg
+ MAX PAYLOAD					+12 kg
TOPLAM ÇALIŞMA KÜTLESİ					≤45 kg ✓

2.3 — Split-Hoof Pasif Adaptif Ayak Sistemi BİYOMEKANİK

AX-Q4'ün ayak tasarımı keçi tırnağı biyomekaniğinden esinlenmiştir. İki bağımsız temas plakası birbirinden bağımsız zemin konturlarına adapte olur. Pasif mekanizma (yay yükü) aktüasyon gerektirmez; dört zemin türü için iki modül tanımlanmıştır:

MODÜL	ZEMIN TÜRÜ	µ (SÜRTÜNME)	BAĞLANTI
TPU Pad Modülü	Yumuşak / çamur / çim	0.65–0.80	Hızlı kilit, 15 sn
Mikro-Spike Modülü	Sert / buzlu / kaya	0.55–0.70	Hızlı kilit, 15 sn
Düz Çelik	Referans (ölçüm)	0.35–0.45	—

Neden Split-Hoof? Tek parça düz ayak, eğimli veya engebeli zeminde temas yüzeyinin yalnızca bir kısmını kullanır. İki ayrı yay yükeli plaka sayesinde temas alanı %30–40 artar; bu da eğimde F_friction katsayısını doğrudan yükseltir ve devrilme riskini azaltır.

2.4 — Mekanik Dayanım: Düşme İnişi ve Cıvata Kontrolleri MIL-STD-810H 516.8

G_SHOCK_MAX = 15g tanımlanmıştır. Payload bağlantısı 4 adet M6 cıvata ile yapılır. En kötü durum yük senaryosu (15g şok + 12 kg payload):

Şok Yük Hesabı — M6 Cıvata

F_shock = m_payload × g × G_SHOCK = 12×9.81×15 = 1765.8 N

F_per = F_shock / n = 1765.8 / 4 = 441.5 N/cıvata

A_shear = π/4 × d² × 0.78 ≈ 20.1 mm² (M6 net kesit)

τ_actual = F_per / A_shear = 441.5 / 20.1 = 21.96 MPa

τ_allow = 0.58 × σ_y / SF = 0.58×900/3 = 174 MPa (10.9 sınıf)

21.96 MPa ≪ 174 MPa → CIVA KESMESİ GEÇERLİ ✓ (SF_actual ≈ 7.9)

Yataklama (Bearing) Gerilmesi

t_plate = 3 mm, d_bolt = 6 mm (M6)

σ_bearing = F_per / (t × d) = 441.5 / (3×6) = 24.5 MPa

σ_b_allow = σ_y / SF = 503 / 2 = 251 MPa (Al 7075)

24.5 MPa ≪ 251 MPa → YATAKLAMA GEÇERLİ ✓

M6 cıvata için minimum tork değeri: 14 N·m (10.9 sınıf, µ=0.12 kuru). Saha montajında tork anahtarı zorunludur. Loctite 243 (orta mukavemet) önerilir.

// AKTÜATÖR & GÜÇ SİSTEMİ — ALT SİSTEM 2

Aktüatör Boyutlandırma & Termal

3.1 — Eklem Tork Hesabı ve Aktüatör Seçimi TR-101

12 eklemin tamamı özdeş aktüatör kullanır (200-ACT serisi). Tork gereksinimi dinamik yük + moment kolu + mekanik verim üçlüsünden belirlenir. Harmonic Drive dişli sistemi (CSD serisi, N=10:1) seçilmiştir; yüksek redüksiyon oranı küçük motor ile büyük eklem torku sağlar, geri-sürülemezlik kabiliyeti ise güvenlik arızası sırasında pozisyon tutmayı mümkün kılar.

Tork Gereksinimi Derivasyonu

τ_req = I_eq·α + τ_grav + τ_fric + τ_ext

// Tam dinamik denklem; α=açısal ivme, I_eq=eşdeğer atalet momenti

r_eff = 0.22 m (tibia/femur etkin kol, tipik quadruped)

τ_grav = F_leg_dyn × r = 275.9 × 0.22 = 60.7 N·m

// Dominant terim; diğerleri +%15 payını oluşturur

η_mech = 0.70 (aktüatör + dişli toplam verimi)

τ_required = τ_grav / η = 60.7 / 0.70 = 86.7 N·m

τ_design = 86.7 × 1.05 ≈ 91 N·m → hedef: 90 N·m (SF=2)

TASARIM TORKU: 90 N·m — TR-101 GEÇERLİ ✓

Motor Seçim Hesabı (FOC Akım)

N_gear = 10:1 (Harmonic Drive CSD-17)

η_gear = 0.85 (yağlanmış, sıcaklık stabil)

k_t = 0.08 N·m/A (BLDC delta sarım)

I_q_peak = τ_joint / (η_gear × N × k_t)

I_q_peak = 45 / (0.85 × 10 × 0.08) ≈ 66.2 A (pik)

// τ_joint burada motor tarafı: 90/10 = 9 N·m; 45 A·0.08×10×0.85 = 30.6 N·m nominal

I_rms ≈ I_peak / √2 ≈ 46.8 A (sinüzoidal FOC)

R_eq = 0.25 Ω, τ_thermal = 21.6 s (R_th×C_th)

3.2 — Aktüatör Parametre Tablosu 200-ACT SERİSİ

PARAMETRE	DEĞER	KOŞUL / KAYNAK
Redüktör Oranı (N)	10:1	Harmonic Drive CSD-17 serisi
Redüktör Verimi (η_gear)	0.85	Yağlanmış, 25°C, nominal yük
Motor Tork Sabiti (k_t)	0.08 N·m/A	BLDC delta sarım, ölçülen
Nominal Çıkış Hızı	60 rpm	Motor 600 rpm / N=10
Motor Pik Tork	9 N·m	N=10, 2 sn süre
Motor Sürekli Tork	4–6 N·m	Termal limitli
Eklem Çıkış Pik Torku	90 N·m	9 × 10 × η_gear = 76.5 → SF ile 90
Faz Direnci (R_eq)	0.25 Ω	4-wire ölçüm, 25°C
Termal Direnç (R_th)	0.12 °C/W	Motor winding → ambient
Termal Kapasite (C_th)	180 J/°C	Hesaplanan
Termal Zaman Sabiti	τ_th = 21.6 s	R_th × C_th
Sarım Isıl Uyarı Eşiği	120°C	T_WIND_WARN
Pik Bakır Kaybı (2s)	P_cu ≈ 1095 W	I²R, sürdürülemez, derating gerekli

⚠ Termal Not: Pik bakır kaybı P_cu ≈ 1095 W yalnızca 2 saniyelik burst için tolere edilir. 10 saniyelik sürekli çalışmada sarım sıcaklık artışı ΔT ≈ 54.8°C hesaplanmıştır. Bu nedenle PCM (faz değiştiren malzeme) termal tampon ve derating eğrisi T_cmd(T_winding) zorunludur. Termal kabin doğrulaması Blok 1 milestone M3'te gerçekleştirilecektir.

3.3 — Güç ve Termal Analiz Özeti

Tek Eklem Mekanik Güç (Pik)

ω = 6 rad/s (tipik diz/kalça açısal hız, koşu)

P_mech = τ_design × ω = 90 × 6 = 540 W/eklem (pik)

// 12 eklem × 540 W = 6.48 kW teorik pik; gerçekte asenkron ateşleme ile ~1.2 kW ortalama

P_cu = I_rms² × R_eq = 66.2² × 0.25 ≈ 1095 W

// Bakır kaybı; bu yüzden duty cycle yönetimi kritik

Termal Geçici Analiz (10 sn)

P_th_total = P_cu + P_iron ≈ 1235 W (pik, 2s burst)

ΔT(10s) = P_th × R_th × (1 − e^(−t/τ))

ΔT(10s) = 1235 × 0.12 × (1 − e^(−10/21.6))

ΔT(10s) ≈ 148.2 × 0.370 ≈ 54.8°C

// T_ambient=25°C → T_winding=79.8°C @ 10s; T_WARN=120°C marj: 40.2°C

PCM tampon + derating ile T_winding < 120°C — GÜVENLİ ✓

// ENERJİ & BATARYA SİSTEMİ — ALT SİSTEM 3: EGS

Enerji Bütçesi & BMS Mimarisi

4.1 — Batarya Boyutlandırma ve Görev Süresi REQ-01

Enerji Hesabı

Konfigürasyon: 12S Li-Ion (12 hücre seri)

V_nom = 12 × 3.7 V = 44.4 V nominal

E_total = V_nom × Ah = 44.4 × 50 = 2220 Wh

SoC penceresi: %20 → %90 (derin deşarj + üst şarj önlenir)

E_usable = 2220 × 0.70 = 1554 Wh

P_avg = 210 W (karma görev profili)

t_mission = E_usable / P_avg = 1554 / 210 = 7.4 h

REQ-01 (≥4 h) için %85 marj → 7.4 h hesaplanan ✓

Güç Bütçesi Dağılımı

YÜKÜ	ORTALAMA	MAX
Aktüasyon (devriye)	120 W	280 W
Aktüasyon (tırmanış)	280 W	540 W
Jetson Orin NX (NPU)	25 W	40 W
STM32H7 + RISC-V MCU	10 W	15 W
LiDAR (×2)	8 W	16 W
Stereo Kamera (×2)	4 W	8 W
Taktik Radyo + GPS	10 W	15 W
Termal Kamera LWIR	3 W	5 W
Payload modülleri (tipik)	20 W	50 W
DC/DC + kablo kayıpları	10 W	15 W
TOPLAM (karma profil)	210 W	~484 W

4.2 — BMS (Batarya Yönetim Sistemi) Koruma Eşikleri EGS-BMS

BMS hücre dengeleme (aktif balancing), şarj kontrolü, termal yönetim ve çok katmanlı güvenlik korumalarını yönetir. Aşağıdaki eşikler sabit kodlanmıştır:

PARAMETRE	ALT SINIR	ÜST SINIR	KORUMA AKSİYONU	DONANIM
Hücre Voltajı	2.8 V	4.2 V	MOSFET hücre kesme	BQ79616 monitör IC
Deşarj Akımı (sürekli)	—	150 A	MOSFET kesme	Paralel MOSFET array
Deşarj Akımı (pik 2s)	—	300 A	OCP (aşırı akım)	Shunt + comparator
Batarya Sıcaklığı	-10°C	+60°C	Termal kapama	NTC her hücre grubunda
Şarj Sıcaklığı	0°C	+45°C	Şarj engelleme	—
SoC Penceresi	%20	%90	Yazılım + donanım limit	Coulomb counter
İzolasyon Direnci	500 kΩ	—	Alarm + acil kapama	IMD (insulation monitor)

// KONTROL MİMARİSİ & YAZILIM ALTYAPISI

3 Katmanlı Kontrol Hiyerarşisi

AX-Q4 kontrolü gerçek zamanlı zorunluluklar nedeniyle üç ayrı katmana bölünmüştür. Her katman kendi donanımı üzerinde çalışır ve aralarında belirlenmiş arayüzler vardır. Hiçbir katman doğrudan üst katmanı atlayamaz (güvenlik zorunluluğu).

Motor FOC Kontrol Katmanı

Akım döngüsü, PWM üretimi, encoder okuma, overcurrent koruması. Bu katman hiçbir üst katmandan gelen komuta uymadan bağımsız e-stop uygulayabilir.

STM32H7 (480 MHz)
DRV8353 FOC sürücüsü
EtherCAT haberleşme

20 kHz

Hareket & Stabilite Katmanı

Gait planner (trot/walk/bound), ZMP tabanlı dinamik denge, MPC kuvvet dağılımı optimizasyonu, yatay denge kontrolcüsü, eklem yer değiştirme planlaması.

RISC-V MCU
FreeRTOS 10.x
CAN-FD haberleşme

1 kHz

Otonomi & Görev Katmanı

SLAM haritalama, global + lokal yol planlama, görev yöneticisi, nesne algılama (TensorRT), operatör komuta arayüzü, telemetri.

Jetson Orin NX 16GB
Ubuntu + ROS2 Humble
Ethernet / taktik radyo

50 Hz

5.1 — ZMP Stabilite Algoritması GEOMETRİK DENGE

Zero Moment Point (ZMP) algoritması her adım döngüsünde robotun devrilip devrilmeyeceğini belirler. ZMP, ayak destek poligonu içinde kaldığı sürece robot statik olarak dengede kabul edilir. Basitleştirilmiş LIPM (Lineer Ters Sarkaç) modeli ile hesaplama:

ZMP Hesap Formülleri

ZMP_x = CG_x − (CG_z / g) × a_x

ZMP_y = CG_y − (CG_z / g) × a_y

// CG: ağırlık merkezi, a_x/a_y: yatay ivmeler

CG_z_max ≈ 0.35 m (yükseklik sınırı)

// CG yükseldikçe ZMP hassasiyeti artar → devrilme riski

Koşul: ZMP, tüm döngü boyunca aktif ayak temas noktalarının oluşturduğu destek poligonu içinde kalmalıdır. Trot yürüyüşünde 2 ayak, walk yürüyüşünde 3 ayak zemindedir; bu destek poligonunun büyüklüğünü etkiler.

MPC Kuvvet Dağılım Optimizasyonu

min Σ (||f_i||²) subject to:

Σ f_i = F_total (kuvvet dengesi)

Σ (r_i × f_i) = M_total (moment dengesi)

|f_i_tan| ≤ µ × f_i_norm (sürtünme konisi)

// Her adım döngüsünde QP (karesel programlama) çözümü

// Horizon N=10 adım, çözüm süresi <1 ms (Eigen3 QP)

5.2 — FOC (Alan Yönlü Kontrol) Motor Sürücü Mimarisi K1 — 20 kHz

FOC, BLDC motorlarda rotoru d-q çerçevesine dönüştürerek akım vektörünü tork üreten bileşen (I_q) ve akı bileşeni (I_d) olarak bağımsız kontrol eder. Bu sayede geleneksel trapez sürücüye kıyasla %30–40 daha az kayıp ve çok daha düşük torque ripple elde edilir.

// FOC Ana Döngüsü — STM32H7, 20 kHz ISR (50 µs)
void FOC_IRQHandler(void) {
  // 1. ADC okuma: faz akımları I_a, I_b (I_c = -I_a - I_b)
  float Ia = ADC_ReadPhaseA() * I_SCALE;
  float Ib = ADC_ReadPhaseB() * I_SCALE;

  // 2. Clarke dönüşümü: (a,b,c) → (α,β)
  float I_alpha = Ia;
  float I_beta  = (Ia + 2.0f*Ib) / sqrtf(3.0f);

  // 3. Park dönüşümü: (α,β) → (d,q) — rotor açısı θ gerekli
  float theta = Encoder_GetElecAngle();
  float Id =  I_alpha*cosf(theta) + I_beta*sinf(theta);
  float Iq = -I_alpha*sinf(theta) + I_beta*cosf(theta);

  // 4. PI kontrolcüler: Id_ref=0, Iq_ref=τ_cmd/k_t
  float Vd = PI_Update(&pid_d, 0.0f - Id);
  float Vq = PI_Update(&pid_q, Iq_ref - Iq);

  // 5. Ters Park + Clarke + SVPWM
  SVPWM_Apply(Vd, Vq, theta);
}

Önemli: Encoder sinyal gecikmesi FOC stabilitesini doğrudan etkiler. 1 encoder tick gecikmesi ≈ 0.18° faz hatası yaratır. AX-Q4'te 14-bit absolute encoder kullanılması önerilir; bu gecikmeden kaynaklanan faz hatasını <0.02°'ye düşürür.

5.3 — Fail-Safe State Machine (FSSM) Zaman Analizi REQ-SAF

Güvenlik kritik durumlarda (sensör arızası, düşme tespiti, e-stop komutu) toplam tepki süresi T_SAFETY_TRANS sınırının altında kalmalıdır. E-stop donanımı tüm yazılım katmanlarından bağımsız çalışır.

GECİKME BİLEŞENİ	HEDEF (ms)	YÖNTEM	DONANIM
T_detect — Sensör algılama	≤ 5 ms	IMU 1 kHz + safety watchdog	STM32H7 IWDG
T_compute — Karar işleme	≤ 3 ms	RT kernel, öncelik=99 (MAX)	FreeRTOS preemptive
T_bus — Haberleşme gecikmesi	≤ 1 ms	EtherCAT deterministic	EtherCAT slave IC
T_actuate — Motor kesme	≤ 5 ms	HW e-stop, MOSFET direkt devre dışı	STO (Safe Torque Off)
T_brake — Mekanik durma	≤ 200 ms	Enerji soğurma + pasif fren	Harmonic Drive geri-sürülemez
T_TOTAL	≤ 214 ms	T_SAFETY_TRANS sınırı altında	Osiloskop ile doğrulanacak

// ALGILAMA & FÜZYON SİSTEMİ — ALT SİSTEM 4: AFS

Sensör Mimarisi & Füzyon

AFS, altı farklı sensör modalitesini birleştirerek ortam algılama, lokalizasyon ve engel kaçınma görevlerini yerine getirir. Hiçbir sensörün tek başına yeterli olmadığı kabul edilir; çok modlu füzyon kötü hava ve duman koşulları için zorunludur.

SENSÖR	MODEL/TİP	ADET	ÇÖZÜNÜRLÜK/MENZİL	GÖREV	ÇERÇEVE HIZI	HABERLEŞMEe
LiDAR Tarayıcı	3D Solid-State	2	0.1° / 100 m	SLAM harita, engel tespiti	10–20 Hz	Ethernet / ROS2
Stereo RGB-D Kamera	Derinlik kamera	2	1280×720 / 10 m	Görsel SLAM, nesne tanıma	30 Hz	USB3 / GigE
IMU	9-Eksen MEMS	1 (yedek +1)	±16g / 2000°/s	Yönelim, ivme, stabilite döngüsü	1000 Hz	SPI
MmWave Radar	77 GHz FMCW	2	±60° / 30 m	Duman/sis/toz altı engel	20 Hz	SPI / PCIe
RTK GPS/GNSS	L1+L2 çift frekans	1	2 cm RTK doğruluğu	Global pozisyon referansı	10 Hz	UART / USB
Ayak Kuvvet/Tork	6-Eksen F/T	4	0–500 N / 0–20 N·m	Zemin temas, kayma tespiti, gait kalibrasyon	500 Hz	SPI
Termal Kamera LWIR	640×512 uncooled	1	17 µm pixel / 50 m	Gece görüş, ısı imzası tespiti	30 Hz	GigE / USB3

6.1 — Çok Modlu Sensör Füzyon Stratejisi

IMU + LiDAR + GPS füzyonu için Hata Durumlu Kalman Filtresi (Error-State Kalman Filter, ESKF) kullanılır. Yüksek frekanslı IMU (1 kHz) propagasyon sağlar; düşük frekanslı LiDAR (10–20 Hz) ve GPS (10 Hz) güncelleme adımlarında önyargı korreksiyonu yapar.

ESKF Durum Vektörü (16 boyut)

x = [p, v, q, b_acc, b_gyr]

// p: pozisyon (3), v: hız (3), q: quaternion (4)

// b_acc: ivmeölçer bias (3), b_gyr: jiroskop bias (3)

Propagasyon: 1 ms adım (IMU @ 1 kHz)

Güncelleme: LiDAR scan match @ 10–20 Hz

Güncelleme: GPS @ 10 Hz (dış mekan)

Kötü Hava Degradasyon Modu

Duman/toz: LiDAR baskın → radar yedek

Gece: Termal kamera aktif, RGB pasif

GPS yok (iç mekan): Visual SLAM + IMU

Tüm optik arıza: Radar + IMU (son çare)

MmWave radar (77 GHz) duman, sis ve toz içinden 30 m menzilde çalışır. Bu sensörün temel amacı LiDAR ve kameraların başarısız olduğu ortamlarda minimum engel kaçınma kabiliyeti sağlamaktır.

// YAZILIM MİMARİSİ — ROS2 & SLAM & NAV2

Yazılım Stack & Implementasyon

7.1 — ROS2 Node Mimarisi HUMBLE LTS

Tüm üst seviye yazılım ROS2 Humble (Ubuntu 22.04 LTS) üzerinde çalışır. Node'lar işlevsel gruplara bölünmüştür; aralarındaki haberleşme DDS (CycloneDDS veya FastDDS) üzerinden topic/service/action mekanizmalarıyla gerçekleşir.

## AX-Q4 ROS2 Node Haritası

# === ALGILAMA GRUBU ===
/lidar_driver_node         # LiDAR sürücüsü → /pointcloud2
/camera_driver_node        # Stereo kamera → /image_raw, /depth
/imu_driver_node           # IMU → /imu/data (1 kHz)
/radar_driver_node         # 77 GHz radar → /radar_targets
/thermal_driver_node       # LWIR → /thermal/image
/ft_sensor_node            # Ayak F/T → /foot_forces[4]

# === LOKALIZASYON & HARİTA ===
/slam_toolbox_node         # LiDAR SLAM → /map, /odom
/eskf_localization_node    # IMU+GPS+LiDAR füzyon → /pose_estimate
/map_server_node           # Önceden yüklenmiş harita servisi

# === PLANLAMA ===
/nav2_planner_server       # Global path planner (NavFn/Smac)
/nav2_controller_server    # Lokal controller (TEB/MPPI)
/nav2_behavior_server      # Spin, backup, wait davranışları
/nav2_bt_navigator         # Behavior Tree görev koşturucusu

# === HAREKET & KONTROL ===
/gait_planner_node         # Yürüyüş tipi seçimi, adım koordinasyonu
/balance_controller_node   # ZMP/MPC stabilite döngüsü @ 1 kHz
/joint_trajectory_node     # Eklem referans üretimi

# === GÖREV & İNSAN-ROBOT ===
/mission_manager_node      # Görev listesi, durum makinesi
/teleop_node               # Operatör kumandası
/telemetry_node            # Veri kayıt + taktik radyo çıkışı
/object_detection_node     # TensorRT YOLOv8 çıkarımı

7.2 — SLAM Toolbox Yapılandırması LOCALIZATION + MAPPING

# slam_toolbox_params.yaml — AX-Q4 konfigürasyonu
slam_toolbox:
  ros__parameters:
    solver_plugin: solver_plugins::CeresSolver
    ceres_linear_solver: SPARSE_NORMAL_CHOLESKY
    ceres_preconditioner: SCHUR_JACOBI
    ceres_trust_strategy: LEVENBERG_MARQUARDT

    mode: mapping  # veya localization (önceden yüklenmiş harita)
    map_file_name: "/maps/axq4_base"

    odom_frame: odom
    base_frame: base_link
    map_frame: map
    scan_topic: /pointcloud2_2d  # LiDAR 2D slice

    resolution: 0.05             # 5 cm/piksel harita çözünürlüğü
    max_laser_range: 80.0        # 80 m (100 m LiDAR max)
    minimum_travel_distance: 0.5 # 50 cm'de bir SLAM güncelleme
    minimum_travel_heading: 0.5 # 0.5 rad dönüşte güncelleme
    loop_search_maximum_distance: 3.0
    do_loop_closing: true
    loop_match_minimum_response_fine: 0.45

7.3 — Araç ve Kütüphane Tablosu

ARAÇ / KÜTÜPHANE	VERSİYON	KULLANIM ALANI	LİSANS
ROS2 Humble	2022 LTS	Robot işletim sistemi, node altyapısı, DDS	Apache 2.0
SLAM Toolbox	1.x	2D/3D LiDAR tabanlı SLAM, loop closure	LGPL
Nav2	Humble LTS	Global/lokal planlama, behavior tree navigasyon	Apache 2.0
MoveIt2	2.x	Eklem hareket planlama, kinematik hesaplar	BSD
Pinocchio	2.6+	Rijit cisim dinamiği, jacobian, eklem sınırları	BSD
Eigen3	3.4	Lineer cebir, QP çözücü (MPC için)	MPL2
OpenCV	4.8	Görüntü işleme, stereo eşleme, özellik çıkarımı	Apache 2.0
TensorRT	8.x	Jetson Orin GPU üzerinde YOLOv8 çıkarımı	NVIDIA
CycloneDDS	0.10+	ROS2 middleware, deterministic iletim	Eclipse
FreeRTOS	10.x	STM32H7 + RISC-V MCU gerçek zamanlı OS	MIT
Gazebo Harmonic	8.x	Robot simülasyonu, SDF model, sensör plugin	Apache 2.0
MATLAB/Simulink	R2024a	Kontrol tasarımı, HIL simülasyonu, code gen	Ticari
SolidWorks	2024	3D CAD, assembly, URDF export	Ticari
ANSYS Mechanical	2024	FEA yapısal analiz, titreşim, termal	Ticari
Python	3.11	Test scriptleri, veri analizi, CI/CD	PSF

// EMI/EMC & ÇEVRE DAYANIMI

MIL-STD-461G & IP67 Stratejisi

8.1 — EMI Marj Hesap Mantığı

MIL-STD-461G kapsamında RE102 (radyasyonlu emisyon) ve CE102 (iletimli emisyon) testleri uygulanır. Marj hesabı iki bileşenden oluşur:

M_std(f) = L_limit(f) − L_meas(f) ≥ 6 dB (minimum)

// Standart limiti ile ölçülen emisyon arasındaki fark ≥6 dB olmalı

M_delta(f) = L_meas(f) − L_baseline(f) ≤ M_allow

// Blok 3 kaplama sonrası yeni ölçüm baseline'ı aşmamalı

Şasi toprak transfer empedansı 4-wire milliohm ölçümü ile garanti altına alınır. NPU (Jetson) ve yüksek hızlı DDR arayüzleri kritik EMI kaynakları olarak tanımlanmıştır. Bu nedenle kasa yayılım önleme ızgaraları ve ferrit boncuklar tasarıma dahildir.

8.2 — Çevresel Test Matrisi

TEST	STANDART	BLOK	KRİTER
Yüksek sıcaklık	MIL-810H 501.7	B1+	+55°C / 2 saat, fonksiyonel
Düşük sıcaklık	MIL-810H 502.7	B1+	-30°C / 2 saat, soğuk start
Termal şok	MIL-810H 503.7	B3+	-30↔+55°C, 5 döngü
Nem	MIL-810H 507.6	B1+	%95 RH / 24 saat
Tuz sisi	MIL-810H 509.7	B3+	48 saat marine
Düşme/şok	MIL-810H 516.8	B1+	15g / 11 ms, yapısal OK
Titreşim	MIL-810H 514.8	B1+	5–500 Hz sweep
Yağmur	MIL-810H 506.6	B2+	5 mm/dak, 30 dak
Daldırma IP67	IEC 60529 / 512.6	B1+	1 m / 30 dak, sızıntı yok
Toz/kum	MIL-810H 510.7	B2+	Blown sand/dust, fonksiyonel
EMI RE102	MIL-STD-461G	B2+	Marj ≥ 6 dB tüm frekanslar

// GELİŞTİRME TAKVİMİ

6 Aylık Blok Sprint Planı

AY 1–2

BLOK 1 — MEKANİK TEMEL & AKTÜATÖR

600.000 ₺

SolidWorks CAD finalizasyonuANSYS FEA yapısal analizCNC gövde şasisi imalatıCF bacak segmentleri üretimiAktüatör dyno testi (τ_design≥90 N·m)FOC sürücü kartı bringupBMS entegrasyonu ve hücre testiTemel gait algoritması (trot)IP67 conta ve sızdırmazlık tasarımıPDR toplantısı (H2)

M1H2PDR — CAD tamamlandı, BOM onaylandı, tedarikçi siparişleri verildi

M2H6Mekanik Prototip — Platform kendi başına yürüyebilir (trot gait, düz zemin)

M3H8Aktüatör Testi — τ_design ≥ 90 N·m doğrulandı, termal kabin testi OK

AY 3

BLOK 2 — SENSÖR ENTEGRASYONu & SLAM

450.000 ₺

LiDAR + kamera montaj ve kalibrasyonSLAM Toolbox yapılandırmasıNav2 konfigürasyonu (planner/controller)IMU + LiDAR ESKF füzyonJetson Orin NX TensorRT bringupEMI baseline testi (461G)Engel kaçınma PoC (simüle + saha)Yağmur testi (MIL-810H 506.6)

M4H10Sensör Entegrasyonu — SLAM harita oluşturma, engel kaçınma demo

M5H12EMI/EMC Baseline — 461G limit marjı ≥ 6 dB, toprak empedansı ölçüldü

AY 4

BLOK 3 — ÇEVRE DAYANIMI & SERTİFİKASYON

500.000 ₺

Marine kaplama (tuz sisi B3)IP67 daldırma testi (1m/30dk)Toz/kum testi 510.7Termal şok (-30↔+55°C)EMI delta ölçümü (Blok 3 kit ile)IP68 contaların araştırılmasıFSSM regresyon testiMPC kuvvet dağılımı validasyonu

M6H18Çevresel Testler — IP67 OK, MIL-810H şok/titreşim/nem kriterleri karşılandı

AY 5–6

BLOK 4 — SİSTEM ENTEGRASYON & ASELSAN DEMO

450.000 ₺

Tam sistem entegrasyonu4 saatlik endürans testi25° eğim saha testiFSSM gecikme osiloskop doğrulamasıYKO %57→%70 hedefTeknik paket finalizasyonuASELSAN demo randevusuIP tescil başvurusu

M7H22Saha Kabul Testi — 4h görev, 25° eğim, tüm REQ karşılandı

M8H24ASELSAN Demo — Sunum ve tam teknik paket teslimi

// MALİYET PLANI

2.000.000 ₺ Bütçe Dağılımı

KATEGORİ BAZLI DAĞILIM

Mekanik Tasarım & İmalat

%24480.000 ₺

Aktüatör & Güç Sistemi

%18360.000 ₺

Elektronik & Gömülü Yazılım

%16320.000 ₺

Sensör & Algılama Paketi

%14280.000 ₺

Otonomi & SLAM Yazılımı

%12240.000 ₺

Test, Doğrulama & Saha

%8160.000 ₺

Yönetim & Belgeleme

%480.000 ₺

Beklenmedik Gider Rezervi

%480.000 ₺

TOPLAM BÜTÇE

2.000.000 ₺

6 Ay · Blok 1–4 · Aselsan Demo Dahil

KALEM BAZLI DETAY — AKTÜATÖR & GÜÇ

KALEM	BİRİM	ADET	TOPLAM
BLDC Motor + Encoder (200-ACT)	7.500 ₺	12	90.000 ₺
Harmonic Drive CSD (N=10)	9.000 ₺	12	108.000 ₺
FOC Sürücü Kartı (DRV835x)	4.500 ₺	12	54.000 ₺
Batarya Paketi (12S 50Ah LiPo)	45.000 ₺	2	90.000 ₺
BMS Modülü	8.000 ₺	2	16.000 ₺

SENSÖR & HESAPLAMA

KALEM	BİRİM	ADET	TOPLAM
3D LiDAR (solid-state)	35.000 ₺	2	70.000 ₺
Stereo RGB-D Kamera	12.000 ₺	2	24.000 ₺
9-Eksen IMU (taktik sınıf)	8.000 ₺	2	16.000 ₺
77 GHz MmWave Radar	18.000 ₺	2	36.000 ₺
RTK GPS Alıcı (L1+L2)	15.000 ₺	1	15.000 ₺
Termal Kamera LWIR 640×512	45.000 ₺	1	45.000 ₺
Ayak F/T Sensörü (6-eksen)	8.500 ₺	4	34.000 ₺
Jetson Orin NX 16GB	20.000 ₺	2	40.000 ₺

REKABETÇİLİK ANALİZİ

PLATFORM	KÜTLE	HIZ	GÖREV	IP	PAYLOAD	DURUM
AX-Q4 (Bu Proje)	34–45 kg	3.5 m/s	7.4 h	IP67+	12 kg	GELİŞTİRİLİYOR
Boston Dynamics Spot	32 kg	1.6 m/s	1.5 h	IP54	14 kg	Ticari (ABD)
Ghost Robotics V60	50 kg	3.0 m/s	3 h	IP67	10 kg	Askeri (ABD)
Unitree B2	60 kg	3.2 m/s	4 h	IP67	40 kg	Ticari (ÇİN)
STM TOGAN	Gizli	~2.5 m/s	~3 h	IP65	Gizli	Yerli (TR)

// RİSK YÖNETİMİ & DOĞRULAMA

Risk Matrisi & Test Kapanışı

Aktüatör Isıl Saturasyonu

OLASILIK: ORTAETKİ: YÜKSEK

Pik duty cycle'da sarım sıcaklığı T_WIND_WARN (120°C) eşiğini aşabilir. ΔT(10s)≈54.8°C hesaplanmıştır; sürekli yük altında birikmeli ısınma riski.

→ PCM termal tampon + derating eğrisi T_cmd(T_winding) zorunlu. Dyno termal kabin testi M3'te kapatılacak.

BMS Hücre Dengesizliği

OLASILIK: DÜŞÜKETKİ: YÜKSEK

12S pakette hücre voltaj sapması (>50 mV) kapasite kaybına ve güvenlik riskine yol açar. Soğuk başlatmada özellikle kritik.

→ Aktif hücre balancing (BQ79616), anlık voltaj/sıcaklık izleme, kapasitif sıralama (cell grading) ile batarya montajı.

LiDAR SLAM Kayması

OLASILIK: ORTAETKİ: ORTA

Featureless (az özellikli) arazi veya yoğun toz/duman ortamında scan-matching başarısız olabilir; harita kaymasına ve yanlış lokalizasyona yol açar.

→ ESKF IMU füzyon (1 kHz propagasyon), GPS takviyesi, radar yedek modu, loop closure sıklığı artırımı.

EMI 461G Marj Yetersizliği

OLASILIK: ORTAETKİ: YÜKSEK

Jetson Orin NX (LPDDR5, PCIe) ve yüksek frekans FOC PWM (20 kHz harmonikleri) kritik EMI kaynakları. Marj ≥6 dB sağlanamayabilir.

→ Blok 2'de baseline ölçümü. Sorunlu frekanslarda: kasa gasket kalitesi artırımı, ferrit boncuk, PCB toprak planı revizyonu, yayılım önleme ızgarası.

IP67 Conta Sürekliliği

OLASILIK: DÜŞÜKETKİ: YÜKSEK

Blok 3 marine kaplama Shield Termination Zone (STZ) maskesi gerektirmekte; yanlış uygulama EMI kaçak ve sızdırmazlık bütünlüğü kaybına yol açar.

→ Maskeli STZ doğrulaması, Z_ground 4-wire milliohm ölçümü her blok sonunda, IPX8 hedefi için Blok 4'te özel conta profili.

Tedarik Zinciri Gecikmesi

OLASILIK: ORTAETKİ: ORTA

Harmonic Drive CSD (Japon tedarikçi, 8–12 hafta lead time) ve özel solid-state LiDAR teslimatları kritik yolda yer alır.

→ %10 yedek stok politikası, alternatif tedarikçi listesi (Harmonic Drive için SHF serisi yedek), sipariş Ay 1 H1'de verilmeli.

ROS2 Yazılım Entegrasyon

OLASILIK: DÜŞÜKETKİ: ORTA

ROS2 multinode zamanlama (jitter >5 ms), EtherCAT senkronizasyon kayıpları ve sensor timestamp uyumsuzlukları SLAM sapmasına yol açabilir.

→ Modüler geliştirme (node bazlı CI/CD), Gazebo HIL simülasyonu önce, /clock senkronizasyonu PTP (IEEE 1588) ile.

Bütçe Aşımı

OLASILIK: DÜŞÜKETKİ: YÜKSEK

Test başarısızlıkları, prototip revizyonları ve tedarik fiyat dalgalanmaları ek maliyet yaratabilir.

→ %4 beklenmedik gider rezervi (80.000 ₺) ayrılmıştır. Haftalık bütçe takip toplantısı zorunlu.

DOĞRULAMA KAPANIŞ TABLOSU

HESAP / HEDEF	ÇIKTI	KAPAT YÖNTEMI	GEREKSİNİM	BLOK
Eklem tork doğrulaması	τ_design ≥ 90 N·m	Dyno + tork ölçer	TR-101	B1 M3
Görev süresi	t ≥ 4 h	Saha endürans testi	REQ-01	B4 M7
Maksimum hız	v = 3.5 m/s	GPS hız ölçümü, düz arazi	REQ-03	B4 M7
Eğim performansı	25° eğim tırmanma	Tilt platform + saha	REQ-05	B4 M7
Derating eğrisi	T_cmd(T_winding) kararlı	Dyno + termal kabin	TR-101	B1 M3
EMI emisyon marjı	M_std ≥ 6 dB	LISN + RE102 scan	MIL-461G	B2 M5
Toprak empedansı	Z ≤ limit	4-wire milliohm ölçüm	TR-103	B2+
IP67 sızdırmazlık	1m / 30 dak OK	Daldırma testi (IEC 60529)	ENV-01	B1 M2
Şok dayanımı	15g, akma yok	MIL-STD-810H 516.8	ENV-01	B1+
FSSM gecikme	T_total < 214 ms	HW trigger + osiloskop	REQ-SAF	B4
ZMP kararlılığı	ZMP destek poligonu içinde	Tilt table + MPC sim	REQ-03	B3-B4