TRAKTÖR RÖMORK SİSTEMLERİNDE PARALEL VE DİK PARK UYGULAMALARI. Hasan İhsan Turhan, Murat Günay, Osman Parlaktuna

Transkript

1 Fırat Üniversitesi-Elazığ TRAKTÖR RÖMORK SİSTEMLERİNDE PARALEL VE DİK PARK UYGULAMALARI Hasan İhsan Turhan, Murat Günay, Osman Parlaktuna Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Eskişehir Osmangazi Üniversitesi ÖZET Bu çalışmada, römorklu bir taşıtın paralel ve dik olarak park edebilmesi için gerekli donanım ve algoritmalar hazırlanarak, bu taşıtın tamamen otonom olarak paralel ve dik park manevralarını gerçekleştirmesi sağlanmıştır. Römorklu taşıt için kullanılan - araba için pozisyonu değiştirme, römork için de yönelimini değiştirme - Kısıtlı Manevra yöntemi detaylarıyla sunulmuştur. Bu yöntem, otomatik taşıtlarda ve sürücü desteğine ihtiyaç duyulmaksızın kullanılabilir. Bu metodun pratikte uygulaması Pioneer P3DX gezgin robotu ve bu robot için tasarlanmış römork sistemi ile gerçeklenmiştir. Pioneer P3DX gezgin robotu ve bu robot için tasarlanmış römork sisteminin özellikleri ve geliştirilen park algoritmaları detaylarıyla sunulmuştur. bilgiler sisteme geri beslenerek park manevraları daha rahat ve daha kararlı bir biçimde gerçekleştirilebilmektedir. Aracın bulunduğu ortama ve geometrik konumuna göre paralel, dik ve açılı park olmak üzere üç çeşit park etme metodu bulunmaktadır [1]. Bu çalışmada kapalı döngü bir traktör-römork sisteminde paralel ve dik park manevraları, bu manevraları gerçekleştirebilmek için gerekli elektronik ve mekanik donanım ve bu manevraları otonom olarak gerçekleştirecek park algoritmaları üzerinde durulmuştur. Bu bildiri şu bölümlerden oluşmaktadır: Bölüm 2 traktörrömork sisteminin detaylarını içermektedir. Bölüm 3 te paralel ve dik park için geliştirilen algoritmalar ve kullanılan metotlar yer almaktadır. Bölüm 4 te deneysel sonuçlar sunulmuştur. Bölüm 5 sonuç bölümüdür. Anahtar Kelimeler: Paralel park, dik park, otonom park, doğrudan hareket metodu, römork. 1. GİRİŞ Gün geçtikçe araç sahibi olma oranı artmakta ve otomotiv üreticileri piyasada rekabet edebilmek için pek çok yeni özelliğe sahip araçlar üretmektedir. Önceleri tamamen insan kontrollü olan bu araçlar teknoloji ilerledikçe yerlerini akıllı ve otonom olarak hareket edebilen araçlara bırakmaktadır [7]. Fabrika ortamında üretim bandında otonom hareket eden endüstriyel robotlar ve kendi kendine park edebilen otomobiller bunun en güzel örnekleridir. Ancak bu sistemlerde sadece bir araç kontrol edilmektedir. Bu yüzden iki farklı araçtan oluşan traktör römork sistemlerinde veya tırlarda bu metotlar uygulanamamaktadır. Bir traktör-römork sisteminde traktör hareketlerinin yanı sıra römorkun hareketleri de göz önünde bulundurulmalıdır. Bu da römork bağlı bir aracın manevra kabiliyetini römorksuz araçlara göre daha kısıtlı hale getirir. Daha önce traktör-römork sistemleri ile yapılan park çalışmalarında, römorktan herhangi bir geri besleme alınmayan park algoritmaları uygulanmıştır. Geri besleme alınmaması demek sistemin kontrol edilememesi anlamına gelmektedir. Bu açığı kapatmak için park manevraları, çok karmaşık ve çözümü uzun süren denklem sistemlerinin çözülmesi sonucunda hesaplanmaktadır. Bu da ağır bir işlem yükü getirmekle birlikte sistemin güvenilirliğini düşürmektedir. Sunulan bu çalışmada geliştirilen yeni römork sistemi ile önceki çalışmalara alternatif bir yöntem ortaya konulmaktadır. Römorkun üzerinde bulunan ultrasonik mesafe algılayıcılardan alınan mesafe bilgisi ve doğrusal değişken dirençten alınan yönelim bilgisi kullanılarak traktör-römork sistemi kapalı döngü bir sistem haline gelmekte ve bu elemanlardan alınan Şekil 1 - Pioneer P3DX ve Römork Sistemi 2. TRAKTÖR-RÖMORK SİSTEMİ Kullanılan traktör-römork sistemi aşağıdaki başlıklar altında açıklanmıştır Sistemin Açıklaması Bu çalışmada iki tekerli bir römorku çekmek için Mobile Robots Inc. tarafından araştırmalarda kullanılmak üzere üretilmiş Pioneer P3DX robotu kullanılmıştır. Robot üzerinde Pentium III işlemcili bir bilgisayar,16 adet ultrasonik mesafe algılayıcı, bir adet lazer mesafe algılayıcı ve bir adet kamera bulunmaktadır. Robotun kontrolü için nesne tabanlı C++ ortamımda kullanılmak üzere geliştirilmiş ARIA kütüphanesi kullanılmaktadır. Bu kütüphane robotun üzerinde bulunan unsurları kontrol eden komutları içermektedir [4]. 243

2 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 Bu robot için geliştirilen yeni römork sisteminde 4 adet ultrasonik mesafe algılayıcı ve bir adet doğrusal değişken direnç kullanılmıştır. Bu algılayıcıları sürmek ve elde edilen bilgileri seri port aracılığıyla robota aktarmak için PIC serisi 16F877A mikro kontrolcü ve HIN232 seri port entegresi kullanılmıştır. Bu römork sisteminde ultrasonik mesafe algılayıcılar, römorkun ortamda bulunan engellere mesafesini ölçmek için, doğrusal değişken direnç ise römorkun robota göre açısını ölçmek için kullanılmıştır [9] Kullanılan Elemanların Karakteristikleri Ultrasonik mesafe algılayıcı olarak analog tetiklemeli SRF04, doğrusal değişken direnç olarak da Schneider Electric tarafından üretilmiş SZ1RV1202 model 2.2 kohm değerinde bir potansiyometre kullanılmıştır. Yapılan denemeler sonucunda elde edilen karakteristik özellikler aşağıda sunulmuştur [8]. Şekil 4 - Traktör-Römork Sisteminin Şematik Gösterimi (1) Şekil 2 - SRF04 Ultrasonik Mesafe Algılayıcı ( ) robotun kartezyen koordinatlardaki pozisyonuna, robotun y eksenine göre saat yönündeki yönelme açısına, ise robot ile römork arasındaki oryantosyon açısına karşılık gelmektedir. Sistemin iki girdisi vardır: robotun doğrusal hızı ve robotun açısal hızı Tekerlerdeki kaymanın ihmal edildiği durumlarda bu modelleme, hem iki tekerli hem de dört tekerli robotlar için kullanılabilir [3]. Traktör-römork sisteminde asıl amaç traktörden ziyade römorkun pozisyonunun ve traktöre göre yöneliminin kontrol edilmesidir. Bu yüzden, sistemin modellemesi, robotun değişkenlerinden çok römorkun değişkenlerine göre yapılır [3]. Römork için durum değişkenleri aşağıdaki gibidir. (2) Şekil 3 - Potansiyometrenin Doğrusal Karakteristiği 2.3. Sistemin Matematiksel Modellemesi Bu çalışmada kullanılan robotun dinamikleri üç durum değişkeni ile modellenebilir. Bunlar; yatay ve düşey koordinatlar ile robotun yönelme açısıdır. Traktör-römork sisteminde ise bu değişkenlere ek olarak robot ile römork arasındaki yönelim açısı da dahil edilir [2]. ( römorkun kartezyen koordinatlardaki pozisyonuna, römorkun y eksenine göre saat yönündeki yönelme açısına, römorkun doğrusal hızına karşılık gelmektedir. (2) de kullanılan denklemleri (1) deki denklemlere uyarladığımızda römorkun modellemesi aşağıdaki gibi olur. (3) 244

3 Fırat Üniversitesi-Elazığ 3. TRAKTÖR RÖMORK SİSTEMİ İÇİN PARK ALGORİTMALARI Bu bölümde, gezgin sistemler için hareket planlama, hareket planlamada kullanılan doğudan hareket metodu ve bu çalışmada kullanılan metot ve algoritmalar yer almaktadır Gezgin Robotlar İçin Hareket Planlaması Hareket planlaması, başlangıç pozisyonundan başka bir pozisyonuna geçerken, uygun ve sürekli bir hareket üretilmesi ile ilgilenir. Hareket planlama algoritmaları mobil robotlar için, başlangıç ve hedef pozisyonlarını giriş olarak alır ve bunlara uygun kontrol girdilerini( hız, yönelim vb.) çıktı olarak verir. Kapalı döngü sistemlerde bu tür kontrol girdileri geri besleme ile rahatlıkla elde edilebileceğinden, hareket planlaması daha çok açık döngü sistemlerde tercih edilir.[5]. Bu çalışmada kullanılan sistemler gibi sınırlı serbestlik derecesine sahip, yani her eksende istediği gibi hareket edemeyen, sistemlerde kısıtlı sistemler denir ve hareket planlaması buna göre yapılır. Buradan hareketle, mobil sisteme istenilen pozisyonu aldırabilmek için çeşitli dairesel yörüngeler izlenir [5] Doğrudan Hareket Metodu ile Park Algoritmaları Bu bölümde, doğrudan hareket metodu referans alınarak ve geliştirilen traktör römork sisteminin sağladığı yeni özellikler kullanılarak oluşturulmuş paralel ve dik park algoritmaları sunulmuştur Paralel Park Algoritmaları Doğrudan hareket metodu ile paralel park iki aşamadan oluşur. İlk aşama, park manevralarına başlayabilmek için traktör römork sisteminin uygun bir dairesel yörünge izleyerek uygun pozisyona getirilmesidir. Bu manevra neticesinde traktör tekrar başlangıç pozisyonuna geldiğinde römork traktöre göre park için en uygun açı ile konumlandırılmış olur. Römorkun şekildeki konumda kalabilmesi için, yani robot ile arasındaki yönelim açısının pozitif olabilmesi için traktörrömork sisteminin ilk hareketini saat yönünün tersine yapıp, son hareketini saat yönünde yaparak traktörün başlangıç pozisyonuna geri dönmesi gerekir [1]. Şekil 6 - Römorkun Yönelimini Değiştirmek İçin İzlenen Dairesel Yörünge İkinci aşamada ise traktör Şekil-7 deki yolu izleyerek dikey eksende yer değiştirme hareketi yapar. Bu hareket sonucunda traktör römork sistemi yatay eksene paralel konuma gelerek parkı tamamlamış olur. Sistemin yatay eksendeki yer değiştirme miktarı (3) de sunulan matematiksel denklemler ile hesaplanır. Şekil 7 - Dikey Eksende Yer Değiştirme Şekil 5 - Yönelim Manevrası Burada R a ve R b izlenen dairesel yörüngelerin yarıçaplarıdır. α f ise yapılan manevra sonucunda römorkun başlangıç pozisyonu ile son pozisyonu arasındaki açıdır ve yönelim açısına eşittir [6]. Daha önce doğrudan hareket metodu kullanılarak yapılan park çalışmalarında, traktör römork sisteminin hızı, manevralar boyunca döneceği açı ve gitmesi gereken mesafe miktarı (3) de sunulan denklemlere ek olarak daha pek çok hesaplamalar sonucu bulunmaktadır. Ayrıca traktör römork sisteminin hareket ederken park alanındaki engellere çarpmaması için de hesaplamalar yapılmaktadır. Bütün bu hesaplamalar sonucunda traktör kendine izlemesi gereken bir rota çıkarmaktadır. Sistem hareket ederken engellerden sakınmasını ya da römorkun istenen açıya gelip gelmediğini kontrol eden herhangi bir mekanizma mevcut değildir, yani sistem açık döngü bir sistemdir. 245

4 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 Sunulan bu çalışmada ise bütün bu durumları kontrol eden ve sisteme geri besleyen bir römork sistemi geliştirilmiştir. Bunun sayesinde traktör römork sistemi gitmesi gereken mesafeyi, engellerden sakınma hareketini, traktör ile römork arasındaki yönelim açısının doğruluğunu hesaplamalara gerek kalmadan, üzerindeki algılayıcılar vasıtasıyla algılayabilmektedir Dik Park Algoritmaları Doğrudan hareket metodu ile dik park da paralel park gibi iki aşamadan meydana gelmektedir. Bu aşamalar bir önceki bölümde sunulmakla birlikte birtakım farklılıklar göstermektedir. İlk aşamanın sonunda traktör ile römork arasındaki açı 90 0 ye geldiğinde dikey eksende yer değiştirme hareketine başlanmaktadır. İkinci aşama ise traktör ile römork arasındaki 0 0 olduktan sonra sistem gitmesi gereken mesafeyi hesaplamalara gerek kalmadan, üzerindeki algılayıcılar vasıtasıyla algılayarak parkı tamamlamaktadır Traktör Römork Sisteminde Kullanılan Park Algoritması Bu çalışmada kullanılan park algoritması akış şeması biçiminde Şekil 8 de gösterilmektedir [9]. Burada park alanının tespiti traktör robot üzerinde bulunan ultrasonik mesafe algılayıcılar ile yapılmaktadır. Daha sonra robot bu park alanının genişliğine göre park edip edemeyeceğine, ya da park edebilecekse ne şekilde park edeceğine karar vermektedir. Hem paralel hem de dik park algoritmalarının ilk durumu olan park alanının ortalanması, robotun tekerlerinde bulunan enkoderler ile yapılmaktadır. Robot ile römork arasındaki yönelim açısı, römork üzerinde bulunan doğrusal değişken direnç ile algılanmakta ve kontrol edilmektedir. Sistem hareket halinde iken park alanındaki engellerden sakınmak için römork üzerinde bulunan ultrasonik mesafe algılayıcılar kullanılmıştır. Traktör römork sistemi park alanına girdikten sonra gitmesi gereken mesafeyi hesaplamamaktadır. Bunun yerine üzerinde bulunan ultrasonik mesafe algılayıcıları kullanarak önce park alanının sonuna kadar gitmekte ve daha sonra park alanını ortalayarak parkı bitirmektedir. Şekil 8 Akış Şeması 246

5 Fırat Üniversitesi-Elazığ 4. DENEYSEL SONUÇLAR Bu bölüme kadar açıklanan metotlar oluşturulan algoritmalar, Pioneer P3DX gezgin robotu ve bu robot için geliştirilen römork sistemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada kullanılan; paralel park alanının boyutları 244 cm. 122 cm., dik park alanının boyutları ise 122 cm. 122 cm., traktör robotun boyu 63cm., eni 38,5 cm., römorkun boyu 41,5cm., eni 47,5 cm., robottan eklem noktasına kadar olan bağlantı elemanının boyu 21cm., römorktan eklem noktasına kadar olan bağlantı elemanının boyu 7.5cm dir. f) de manevrayı bitirmiştir. g) de yönelim açısının 0 0 olması için manevraya başlanmış ve h) de park tamamlanmıştır. Aşağıda sırasıyla verilen resimlerde paralel park algoritmasının uygulanması aşama aşama gösterilmiştir. A) B) Aşağıda sırasıyla verilen resimlerde dik park algoritmasının uygulaması aşama aşama gösterilmiştir. C) D) a) b) E) F) c) d) G) H) e) f) I) J) g) h) a) ve b) de robot park alanını tespit etmiş ve mesafe 1 m. ile 2m. arasında olduğu için dik parka karar vermiştir. c) de park alanı ortalandıktan sonra d) de uygun açıya dönmüştür. e) de yönelim açısının 90 0 olması için manevraya başlanmış A) da robot park alanını tespit etmiş ve mesafe 1m. den küçük olduğu için park edemeyeceğine karar vererek uygun bir park alanı aramaya devam etmiştir. B) ve C) de robot park alanını tespit etmiş ve mesafe 2m. den büyük olduğu için paralel parka karar vermiştir. D) de park alanı ortalandıktan sonra E) de uygun açıya dönmüş ve yönelim açısının bu açıyla aynı olması için manevraya başlayarak, F) de manevrayı bitirmiştir. G), H) ve I) de dikey eksende yer değiştirme manevraları uygulanmış, J) de de park alanı ortalanarak park tamamlanmıştır. 247

6 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu SONUÇLAR Römorklu araçların otonom parkı ile ilgili yapılan bu çalışmada; doğrudan hareket metodu ile paralel ve dik park yöntemleri teorik olarak ele alınmış, geliştirilen römork sistemi ile de uygulamaya geçirilmiştir. Sonuçlar göstermektedir ki römork için uygun yönelim açısı sağlandığında traktör römork sistemi bütün halinde paralel ve dik park uygulamalarını gerçekleştirebilmektedir. Römork üzerine eklenilen çeşitli algılayıcılar sayesinde, yönelim açısı ve mesafe bilgisi gibi durum değişkenleri sisteme geri beslenerek, bir nevi kapalı döngü bir sistem elde edilmekte ve sistem üzerinde daha etkin bir kontrol sağlanabilmektedir. 6. KAYNAKLAR [1] F. Cuesta, F. Gomez-Bravo, and A.Ollero, Parking Maneuvers of Industrial-Like Electrical Vehicles With and Without Trailer, IEEE Transactions On Industrial Electronics, vol. 51, no. 2, [2] F. Lamiraux, S. Sekhavat, and J. Laumond, Motion planning and control for hilare pulling a trailer, IEEE Transactions On Robotics and Automotion, vol. 15, no. 4, pp , [3] D. Hodo, J. Hung, D. Bevly, and S.Millhouse, Effects of sensor placement and errors on path following control of a mobile robot-trailer system, American Control Conference [4] A. WithBrook, Controlling the Pioneer P3-DX robots at CSiT, University of Notthingam, April [5] M. Hess, Motion coordination and control in systems of nonholonomic autonomous vehicles, University of Wuerzburg, July [6] N. Gürler, F. Cevher, A. Yufka, and O. Parlaktuna, Direct-Motion Parallel Parking for a Vehicle with and without a Trailer, lnternational.symposium on lnnovations in Intelligent Systems and Applications, June [7] Ç. Altıntaşı, M. Biberoğlu, A. Yufka, O. Parlaktuna, Direct-motion diagonal and perpendicular parking for a vehicle with and without a trailer, Gediz University International Symposium on Computing in Science & Engineering, June [8] M. Günay, S.Tahaoğlu, C. Ünverdi, Design and Implementation of a Trailer System for Pioneer 3-DX Robots, Bitirme projesi, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Ocak [9] H. Turhan, Improving the Trailer System and Applying the Parking Algorithms with Pioneer P3DX Robots, Bitirme projesi, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Haziran