Bilgisayar Üzerinden Bir Silah Kontrol Sistemi Prototipinin Tasarımı ve GerçekleĢtirilmesi

Transkript

1 th International Advanced Technologies Symposium (IATS ), - May, Elazığ, Turkey Bilgisayar Üzerinden Bir Silah Kontrol Sistemi Prototipinin Tasarımı ve GerçekleĢtirilmesi M. A. Usta, Ö. Akyazı and A. S. Akpınar Karadeniz Technical University, Trabzon/Turkey, mausta@ktu.edu.tr Karadeniz Technical University, Sürmene Abdullah Kanca MYO, Trabzon/Turkey, oakyazi@ktu.edu.tr Karadeniz Technical University, Trabzon/Turkey, akpinar@ktu.edu.tr Design and Implementation of a Prototype of Gun Control System Through Computer Abstract In this study, computer-aided control of a gun has been realized for use in military area. For this purpose, a prototype was prepared for such system and the required software for the system was developed. All of this software was written with C# and communication between the computer and the system was provided with parallel port. A robot arm was created for mechanical movement of the gun and the gun was mounted on this robot arm. On the other hand, a user interface was designed to control the system and target image was transferred to the user interface. So, the control of the system was provided with control signals created using the buttons on the user interface or the keyboard of the computer with evaluation of target image. In this way, it was achieved that a user can interfere in the system at any moment. However, software that can detect moving objects for the user has been developed. Thus, it can detect moving objects better and be more careful. The system consists of a gun mounted on the robot arm, a camera mounted on the gun to inform the user, two stepper motors for the movement of the gun in the x and y coordinates and a linear motor mounted on the trigger of the gun to fire the gun at a desired time. Keywords C#.Net Framework, Motion Detection, Parallel Port, Robot Arm, Stepper Motor. I. GĠRĠġ Robotik uygulamalar, robot teknolojisinin geliģmesiyle birlikte endüstriyel otomasyon sistemlerinin yanı sıra haberleģmede, tıpta ve özellikle de askeri alanda yaygınlaģmıģtır. Robotik sistemlerin bu kadar geniģ uygulama alanı bulmasının sebebi hassaslık ya da güç gerektiren iģleri, büyük bir hızla hatasız olarak yerine getirebilmelerinden kaynaklanmaktadır []. Bu doğrultuda robotik sistemlerde konum kontrolü hassas bir iģlemin gerçekleģtirilmesi için önemlidir. Konum kontrollerinin önemi, endüstride nokta hedef delme iģlemlerinde, haberleģmede uydu antenlerinin konumlandırılmasında, tıpta lazer kullanılan iģlemlerde ve askeri alanda silah kontrol sistemlerinde nokta hedeflerin vurulmasında ve bunun gibi pek çok robotik sistemlerde en iyi Ģekilde anlaģılmaktadır []. Ayrıca robotik sistemlerde güç gerektiren iģlerde ise eklem noktalarına doğru motorların yerleģtirilmesi sistemin performansını etkileyen unsurlardan biridir. Bunlardan dolayı robotik sistemlerin analizi matematik, mekanik ve elektronik gibi pek çok bilim alanına ait bilgi gerektirmektedir Robotik uygulamalarda pek çok kontrol teknikleri kullanılabilir. Yapılan değiģik çalıģmalarda açık çevrim kontrol ve kapalı çevrim kontrol gibi klasik kontrol teknikleri dıģında, doğrusal olmayan kontrol, bulanık kontrol gibi ileri kontrol teknikleri de baģarılı bir Ģekilde kullanılmaktadır. Yapılan iģin hassasiyeti ve maliyeti gibi parametreler incelenerek sistem için uygun kontrol tekniği seçilebilir []. Bu bilgiler ıģığında, bir robot kol tasarlanarak gün geçtikçe geliģen robot teknolojisinin askeri alanda bir uygulamasını yapmak amacıyla silah konum kontrolü gerçekleģtirilmiģtir. Sistem, açık çevrim kontrol tekniği kullanılarak oluģturulmuģtur. Bilgisayar kontrollü bu sistem kolayca mikroiģlemci tabanlı bir uygulama haline dönüģtürülebilir bir alt yapıya sahiptir. II. SĠSTEMĠN TASARIMI Bu çalıģmada, en çok uygulanan kontrol yöntemlerinden biri olan bilgisayar destekli bir kontrol sistemi gerçekleģtirilmiģtir. Bilgisayar destekli kontrol sistemleri seri veya paralel porttan ya da sonradan takılan, istenilen amaca uygun olarak tasarlanmıģ kontrol kartları ile yapılabilir []. Tasarlanan sistem için gerekli haberleģme yani kontrol sinyallerinin sisteme iletilmesi bilgisayarın paralel portu üzerinden sağlanmıģtır. Kullanımı kolaylaģtırıcı yazılım ara yüzüyle de sistem ile kullanıcı arasındaki gerekli iletiģim köprüsü kurulmuģtur. ġekil : OluĢturulan robotik sistemin görünümü Sistemimiz, ġekil de gösterilen robot kol üzerine yerleģtirilmiģ bir adet silah, kullanıcıyı bilgilendirmek için silah üzerine yerleģtirilmiģ bir adet kamera, silahın x ve y

2 M. A. Usta, Ö. Akyazı, A. S. Akpınar koordinatlarında hareket edebilmesi için iki adet adım motoru ve kullanıcının istediği anda silahı ateģleyebilmesi için tetik üzerinde bulunan bir adet doğrusal motordan oluģmaktadır. ġekil de ise oluģturulan sistemin genel görünümü verilmektedir. kullanılmıģtır. Kontrol portu tane pine sahiptir ve yapısı gereği çıkıģ verebilmektedir. Bu pinlerden C, C, C pinleri tersinmiģtir. Yani tersinmiģ olan bu pinlere veri gönderilmediği zaman durumu "" dir. Bu pinlerden bir tanesine ġekil : Bilgisayar kontrollü silah kontrol sisteminin genel görünümü görünümü ġekil de genel görünümü verilen çalıģmada kullanıcı, sistemi nereye hareket ettireceği bilgisini, robot kola yerleģtirilmiģ silah üzerinde bulunan kameradan kullanıcı ara yüze aktarılan görüntü ile sağlanmıģtır. Böylece, kullanıcı aldığı bu bilgiyi değerlendirerek ister bilgisayarın klavyesini isterse ara yüz üzerinde bulunan hareket butonlarını kullanarak istediği anda sisteme müdahale edebilmesi sağlanmıģtır. Aynı zamanda kullanıcının hareketli cisimleri daha iyi sezebilmesi ve daha dikkatli olabilmesi için hareketli cisimleri algılayan bir yazılım geliģtirilmiģtir. Bundan sonraki bölümler de sistemin nasıl oluģturulduğu ve oluģturulan sistem hakkında bilinmesi gereken bilgiler verilecektir. A. Paralel Portun Kullanımı Kullanıcının ara yüz üzerinden oluģturduğu denetim iģaretlerinin adım motorlarını ve doğrusal motoru sürmesi için sürücü devresine gönderilmesi gerekmektedir. Bilgisayar ile sistem arasındaki bilgi akıģı paralel port vasıtasıyla yapılmaktadır. Paralel port üzerinde data portuna ait adet (D-D) pin vardır. Data portu otomatik olarak çıkıģ iģlevi görmek üzere yapılandırılmıģtır. tane veri pini olduğundan bitlik veri çıkıģı almak mümkündür. Bundan dolayı data portunun ilk dört pini ile adım motorlarından biri diğer dört pin ile adım motorlarından diğeri kontrol edilir. Doğrusal motorun sürülmesi için de paralel portun kontrol portu veri gönderildiğinde o pinin değeri "" olacaktır. Bundan dolayı doğrusal motor kontrol portunun tersinmemiģ C pini üzerinden sürülmüģtür. B. Paralel Portu Koruma Devresi Paralel port +V luk bir gerilim seviyesinde çalıģmaktadır. Sistemde oluģacak bir arıza durumunda yüksek gerilimlere çıkılması paralel portun zarar görmesine neden olacaktır. Paralel portu korumak amacıyla, çıkıģ alınan portlara buffer (tampon) yerleģtirilmiģtir. Tampon olarak LS entegresi kullanılmıģtır. C. Adım Motoru Kurulan sistemde pozisyon kontrolünün hassas olması için adım motoru kullanılmıģtır. Bunun yanında farklı elektrik motorları da bu iģ için kullanılabilir. Fakat adım motorların dijital giriģ iģaretlerine cevap vermeleri ve hangi yöne döneceği, devir sayısı, dönüģ hızı gibi değerlerin mikroiģlemci veya bilgisayar yardımı ile kontrol edilebilmesinden dolayı çok hassas konum kontrolü yapılabilir. Adım motorların dijital giriģlere cevap vermesi, geri beslemeye ihtiyaç duyulmaksızın açık çevrim çalıģtırılabilmesini sağlamaktadır. Yani açık çevrim çalıģtırılan bir adım motoru ile konum kontrolü daha basit ve daha az maliyetle gerçekleģtirilebilir [-]. Aynı zamanda yüksek hızlarda diğer motorların millerinin durması gereken yerden kayması veya dinamik frenleme gibi karmaģık

3 Adım Motorları Girişleri Bilgisayar Üzerinden Bir Silah Kontrol Sistemi Prototipinin Tasarımı ve Gerçekleştirilmesi yavaģlatma, durdurma tekniklerinin gerekmesi, yapılan sistemin çok daha karmaģık ve pahalıya mal olmasına neden olmaktadır []. Bu nedenle sistemin tasarımında adım motorları tercih edilmiģtir. D. Kontrol Ünitesi Kontrol ünitesinde iki adet mosfet ile unipolar adım motor sürücü devresi ve bir adet doğrusal motor sürücü devresi tasarlanmıģtır. Adım motor sürücü elemanı olarak, mosfet güç transistorleri kullanılmıģtır. Çünkü mosfetlerde, BJT lerde olduğu gibi ikinci bir kırılma noktası yoktur ve anahtarlama hızları daha yüksektir. Ayrıca ġekil de görüldüğü gibi mosfetlerin giriģ dirençleri yüksek olduğu için, kontrol devresine doğrudan bağlanabilirler []. a a a kalmadan olduğu gibi verilir. Eğer Hareket Algıla butonuna basılırsa Harekete Duyarlı Ekran isimli kısma ġekil de verildiği gibi sadece haraketli cisimlerin göründüğü bir görüntü gelecektir. Aynı zamanda Hedef Görüntü isimli kısımdaki görüntüde ise hareketli cisimler kare içerisine alınarak kullanıcıya sunulacaktır. Böylece hedef görüntünün kullanıcıya aktarılması sağlanmıģ olur. ġekil de görüldüğü gibi Buton Kontrol isimli bölüm aktif Klavye Kontrol isimli bölüm pasiftir. Yani kontrol butonlar kullanılarak gerçekleģtirilmektedir. Eğer istenirse Kontrol Seçenekleri üzerinden klavye kontrol seçeneği seçilerek kontrolün klavye üzerinden yapılması sağlanabilir. Bu durumda Klavye Kontrol isimli bölüm aktif Buton Kontrol isimli bölüm pasif olur ve bilgisayarın klavyesi kullanılarak kontrol sinyalleri oluģturulabilir. Yine ġekil de görüldüğü gibi ara yüz üzerinde bulunan Hareket Hız Kontrolü isimli ayar sürgüsü kullanılarak sistemin hızı yani adım motorlarının hızı kontrol edilebilir. Böylece sistem istenilen hızda çalıģtırılabilir. B. Motor Kontrol Yazılımları Paralel Port a a a a a a Doğrusal Motor Girişi Ara yüz üzerinde oluģturulan kontrol iģaretlerinin sürücü devresine paralel port üzerinden gönderildiği daha önce bahsedilmiģti. OluĢturulan motor kontrol yazılımlarının tamamı C# ile paralel portun programlanmasına dayanmaktadır Bundan dolayı C# ile paralel portu programlamak için port çıkıģlarını ve bu çıkıģların ikilik tabandaki değerlerinin iyi bilinmesi gerekmektedir. AĢağıdaki tabloda data portunun çıkıģları ve bu çıkıģların ikilik tabandaki değerleri verilmektedir. ġekil : Sistemin sürücü devresi III. SĠSTEMĠN YAZILIMI Daha öncede belirtildiği gibi sistemle kullanıcı arasındaki iletiģim bilgisayarda oluģturulan bir ara yüz ile sağlanmaktadır. Bunun için gerekli ara yüz ve kontrol yazılımları C# programlama dili kullanılarak oluģturulmuģtur. C# programı ile Windows tabanlı görsel yazılımlar geliģtirilebilir ve kolaylıkla kontrol algoritmaları oluģturulabilir. Bu kısımda ise C# ile oluģturulan ara yüz ve yazılan kontrol programları üzerinde durulacaktır. A. Kontrol Ara Yüzü Öncelikle sistemin güvenliği için ara yüzü açmadan önce Ģifre sorgulaması yapılmaktadır. Böylece, Ģifresi olmayan yetkisiz kiģilerin sisteme eriģimi engellenmiģ olur. Yetkili bir kiģinin sisteme eriģmesi ile kullanıcı ara yüzü açılır. Herhangi bir Ģifre değiģikliği ara yüz üzerinde bulunan Şifre Değiştir kısmında açılan pencerede yeni bilgilerin girilmesiyle gerçekleģtirilebilir. ġekil de verilen ara yüz üzerine hedef görüntü ara yüz üzerinde bulunan Görüntü Başlat butonuna basılarak Hedef Görüntü isimli kısma aktarılır. Burada görüntü herhangi bir iģleme maruz Tablo : Data portu çıkıģları ve ikilik tabandaki değerleri Fonksiyon D D D D D D D D Pin 9 Bit Data portun programlanması için gerekli tüm yardım yukarıdaki tablodan alınabilir. Örneğin data portunun. pinini yüksek seviyeye çıkarılması için programdan decimal olarak sayısı gönderilmelidir. Aynı Ģekilde. ve. pinleri yüksek seviyeye çıkarılması için programdan decimal olarak sayısını gönderilmelidir. Bilindiği gibi unipolar bir adım motorunun dört adet giriģi vardır ve sürülebilmesi için bu giriģlerin belirli sıralarda enerjilenmesi gerekmektedir. Sistemdeki adım motorlarının giriģlerinin enerjilenme sırası iki fazlı tam adım tekniği kullanılarak gerçekleģtirilmiģtir. Bunun için gerekli doğruluk tablosu aģağıda verilmiģtir. Tablo : Ġki fazlı tam adımlı sürüģ

4 M. A. Usta, Ö. Akyazı, A. S. Akpınar Böylece Tablo deki doğruluk tablosu kullanılarak Tablo deki özellikler yardımıyla motor kontrolleri gerçekleģtirilebilir. Sistemimiz ġekil de görüldüğü gibi sağsol ve aģağı-yukarı hareketi sağlamak amacıyla iki adet adım motoru kullanılmıģtır. Data portunun D, D, D ve D basılmasıyla port çıkıģlarına sırasıyla decimal olarak gönderilir ve sola hareketi sağlayan butona basılmasıyla da port çıkıģlarına sırasıyla decimal olarak gönderilir. Böylece sistemin sağ ve sol hareke- ġekil : Sistemin kullanıcı ara yüz görünümü çıkıģlarını sağ-sol hareketi, D, D, D ve D çıkıģlarını ise aģağı-yukarı hareketi sağlamak amacıyla sürücü devreleri ile iliģkilendirilmiģtir. Tablo ve Tablo den yararlanılarak sağ-sol ve aģağı-yukarı hareketleri gerçekleģtirebilmek için aģağıdaki doğruluk tabloları çıkarılmıģtır. Tablo : Sağa ve sola hareketler için gerekli doğruluk tablosu D D D D D D D D =9 =9 = = Tablo : Yukarı ve aģağı hareketler için gerekli doğruluk tablosu D D D D D D D D = = = =9 Yukarıdaki tablolardan motorların hareket bilgisinin nasıl oluģturulduğu gösterilmektedir. Buna göre arayüz üzerinde bulunan, sistemin sağa hareketini sağlayan butona tini sağlayan kontrol iģaretleri oluģturulur. Eğer sistem klavye üzerinden kontrol ediliyorsa bu iģlemler ilgili tuģ takımıyla iliģkilendirilerek hareket için gerekli sinyaller oluģturulur. Aynı Ģekilde motorun yukarı hareketi için decimal olarak port çıkıģlarına sırasıyla 9 9 gönderilmeli ve aģağı hareket için de 9 gönderilmelidir. Böylece sistemin ana hareketleri sağlanmıģ olur. Sistemde her iki adım motorunun aynı anda çalıģtırılmasıyla da ara hareketler elde edilmiģtir. Ara hareketlerden kasıt sistemin yukarı-sağa, yukarı-sola, aģağı-sağa ve aģağı-sola hareketlerini gerçekleģtirebilmesidir. Bu hareketlerin elde edilmesi için gerekli doğruluk tablosu sağ-sol ve aģağı-yukarı hareketler için gerekli doğruluk tabloların kombinasyonu Ģeklinde oluģturulmuģtur. Örnek olarak Tablo de verilen yukarı-sağa hareketi için çıkarılan doğruluk tablosu incelenebilir. Tablo : Yukarı-sağa hareket için gerekli doğruluk tablosu D D D D D D D D = = = =

5 Bilgisayar Üzerinden Bir Silah Kontrol Sistemi Prototipinin Tasarımı ve Gerçekleştirilmesi Tablo deki verilere göre port çıkıģlarına sırasıyla decimal olarak gönderilmesiyle istenen hareket sağlanır. Diğer ara hareketlerin gerçekleģtirilmesi için gerekli doğruluk tabloları burada verilmemiģtir. Bunun için gerekli tablolar Tablo örnek alınarak oluģturulabilir. Ayrıca doğrusal motorun tetiklenmesi, paralel portun kontrol portuna eriģilerek üçüncü pini yüksek seviyeye çekilmesiyle gerçekleģtirilir. C. C# ile Görüntü İşleme Yazılımı Kullanıcı ara yüz üzerine görüntünün alınması ve görüntünün iģlenerek hareketli cisimlerin vurgulanmasıyla kullanıcıya sunulmasında C# ın bize yardımcı olduğu AForge.Net Framework kütüphanesi kullanılmıģtır. AForge Motion-Detecting Framework kütüphanesinde aģağıdaki.dll uzantılı dosyalar bulunmaktadır: AForge.DLL AForge.Imaging.DLL AForge.Math.DLL AForge.Video.DLL AForge.Video.DirectShow.DLL AForge.Video.VFW.DLL AForge.Vision.Motion.DLL Programımızda yukarıdaki.dll uzantılı dosyaların üçünden yararlanılmıģtır. Bunlar, bilgisayarımızda bulunan video aygıtlarının bilgisini veren AForge.Video.DirectShow.DLL kütüphanesi, video aygıtından alınan görüntünün ekrana verilmesini sağlayan AForge.Video.DLL kütüphanesi ve hareketli görüntülerin renkli vurgularla gösterilmesini sağlayan AForge.Vision.Motion.DLL kütüphanesidir. Yukarıdaki kütüphanelerden yararlanılarak gerekli algoritmaların oluģturulmasıyla sistem yazılımı gerçekleģtirilmiģtir. kullanılmasının daha uygun olacağı anlaģılmıģtır. Aynı zamanda sistemin hareketi için ara yüz üzerinde bulunan butonlar ya da klavye kullanılarak gerçekleģtirilmesi durumunda, yön değiģimlerinin sert bir Ģekilde gerçekleģtiği gözlemlenmiģ ve böyle bir sistemin kontrolü için daha yumuģak geçiģlerin elde edilebileceği joystick kullanımının daha uygun olduğu anlaģılmıģtır. Bu gözlemler ve elde edilen sonuçlar doğrultusunda sistem performansının iyileģtirilmesi ve sistemin gerçek zamanlı kontrolünün gerçekleģtirilmesi için çalıģmalarımız devam etmektedir. KAYNAKLAR [] S. Yılmaz, Bir Robot Kolu Mekanizmasında Adım Motorları Vasıtasıyla Verilen Koordinatlara Hareketin GerçekleĢtirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Nisan. [] O. Ö. Mengi, Ġ. H. AltaĢ, Hareketli Nesneler Ġçin Konum Tespiti ve Ġzleme Denetimi, Otomasyon Dergisi, BileĢim Yayınları, pp. -9, Mayıs. [] M. Albayrak, Üç Boyutlu Uzayda Hareket Edebilen Robot Kolun, Bilgisayar Destekli Kontrolü, Tasarımı ve Uygulaması, Yüksek Lisans Tezi, Eylül 99. [] (..) [] G. Bal, Özel Elektrik Makinaları, pp. 99-, Seçkin Yayıncılık,. [] D. Çolakoğlu, Elektrik Motorları ve Sürücüleri, pp. 9-, Mersin Üniversitesi. [] H. M. Deitel, P. J. Dietel, J. A. Listfield, T. R. Nieto, C. H. Yaeger, M. Zlatkina, C# How To Program, Deitel. [] N. Demirli, Y. Ġnan, Visual C#.Net, Prestige Education Center Yayınları. [9] J. Liberty, Programming C#, nd Edition, O Reilly, February [] (..) [] (..) IV. DEĞERLENDĠRME OluĢturulan sistemle bilgisayar üzerinden bir silah konum kontrolü tasarımı gerçekleģtirilmiģtir. Bunun için sistemin bulunduğu ortamın görüntüsü alınarak, bilgisayarda tasarlanmıģ ara yüz üzerinden kullanıcıya sunulmuģ ve kullanıcının sistem ile haberleģmesi sağlanmıģtır. Alınan görüntünün kullanıcıya sunulmasında hareketli cisimleri algılayan bir yazlım oluģturulmuģtur. Bu yazılım sayesinde kullanıcının daha dikkatli olması sağlanmıģ ve hareketli cisimleri daha iyi sezebilmiģtir. Sistemin performansı incelendiğinde adım motorları, silahın konumlandırılması konusunda iyi sonuç verirken sistem hızı konusunda yetersiz kaldığı gözlemlenmiģtir. Yani istenilen konuma istenilen hızda gelinememiģ bu da hedefi kaçırmasına neden olmuģtur. ÇalıĢmada motor güçlerinin iyi seçilmesi önemlidir. Eğer yeterli güçte motor seçimi yapılmazsa motor miline binen yükten dolayı çalıģma esnasında adım hataları oluģacak ve istenilen konum yakalanamayacaktır. Bundan dolayı böyle bir sistemin daha hızlı bir tepki vermesi için servo motorların