PROTOTYPE ROBOT DESIGN TO CATCH HARMFUL LIVING THINGS AS SAME AS RAT

Transkript

1 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Mayıs 2009, Karabük, Türkiye FAR V BNZRİ ZARARLI AŞRLRİN TOPLANMASI İÇİN PROTOTİP ROBOT TASARIMI PROTOTYP ROBOT DSIGN TO CATC ARMFUL LIVING TINGS AS SAM AS RAT mel KOÇAK a,* ve Raif BAYIR b a* Karabük Ünivesitesi Teknik ğitim Fakültesi, lektronik ve Bilgisayar ğitimi Bölümü, Karabük, TR, -posta: ekocak@karabuk.edu.tr b Karabük Ünivesitesi Teknik ğitim Fakültesi, lektronik ve Bilgisayar ğitimi Bölümü, Karabük, TR, -posta: rbayir@karabuk.edu.tr Özet Bu çalışmada fare ve benzeri zararlı haşerelerin yakalanması ve yakalanan haşerelerin güvenli bir şekilde taşınması için prototip robot tasarlanmıştır. Gerçekleştirilen robot önüne yerleştirilen ısıya duyarlı algılayıcılar ile zararlı haşereleri tespit etmektedir. Tespit edilen canlılar periskop sistemi ve yemleme sistemi sayesinde robotun içerisinde bulunan hazneye hapsedilir. Yakalanan canlılar hiçbir şekilde zarar görmeden bir ortamdan başka bir ortama taşınmaktadır. İki motor ile hareket eden robotun denetim mekanizmasında bir mikro denetleyici kullanılmıştır. Bu robota gerekli mekanik eklemeler yapılarak robotun tarım alanlarında ve gıda depolarında rahatlıkla kullanılabilir. Anahtar kelimeler: Mikrodenetleyiciler, PIR lar, Mobil robot, Fare yakalayan robot Abstract In this study a prototype robot is designed to catch harmful living things as rat and carry them confidently. armful living things are detected by sensors which are sensitive to heat are laid out in front of the designed robot. Detected living things are immured to the box which is deployed into robot by force of periscope and feeding system. The immured things are carried from one place to another safely. Robot moves with two motors. A microcontroller is used in moving system. The robot can be used in agricultural areas and aliment sectors with adding necessary mechanical tools. Keywords: Microcontrollers, PIR Sensors, Mobile robot, Rat catching robot 1. Giriş İnsanlara çok zarar veren ve bazen büyük maddi kayıplara neden olan fare ve benzeri zararlı hayvanlardan korunmak ve yakalamak için birçok yöntem geliştirilmiştir. Bunlar arasında zehirleme, fare kapanı kullanma, kedilerin farelere olan düşmanlığını kullanma gibi yöntemler sayılabilir. Bu yöntemler ile başarı sağlanılmış olabilir ama doğal dengeye de zarar vermektedir. Bu çalışmada insanlar için zararlı olan canlıların yakalanıp bir yerden başka bir yere taşınması için mobil robot tasarımı yapılmış ve gerçekleştirilmiştir. 2. Fare Yakalayan Robot Tasarımı Fare yakalayan robot ile zararlı olan canlıların yakalanıp bir ortamdan başka bir ortama taşınması için örnek bir çalışma amaçlanmaktadır. Gerçekleştirilen bu robot ile Canlıya taşıma esnasında hiçbir şekilde zarar verilmediğinden doğal dengeye de herhangi bir zarar verilmemiş olur. Çalışmalarda denek hayvanı olarak fare kullanılmıştır. Fare gibi hızlı bir canlıyı yakalamak zordur. Robotun hareketleri canlıyı ürkütmeyecek kadar yavaş ve sessiz olmalıdır. Ayrıca robot herhangi bir şekilde canlıyı kendisine çekmelidir. Sistemde canlıyı robota çekmek için periskop ve yemleme sistemi kullanılmıştır. Yemleme ve Periskop Sistemi ve Algılama Kısmı Sol PIR Orta PIR Sağ PIR Sol Optik Sağ Optik Robot Denetim Kısmı 2x16 LCD MİKRODNTLYİCİ (PIC16f877) Robot araket Kısmı Sol Motor LMD18201 Motor Sürücü Devresi Sağ Motor Şekil 1. Fare yakalayan robot blok diyagramı Robotun blok diyagramı Şekil 1 de verilmektedir. Robotun elektronik kısmı üç adet canlı algılama devresi, 2 adet cisimden yansımalı algılayıcı, işlemci katı devresi ve motor sürücü devresinden oluşmaktadır. Robot algılayıcılardan aldığı verileri yorumlayarak LCD ve motor sürücü katı devresine çıkış göndermektedir. Robotun mekanik kısmı ise canlıyı hapsetmek için tasarlanmış bir hazne ile bu haznenin içine yerleştirilmiş olan periskop sistemi ve içe açılır dışa açılmaz kapaktan oluşmaktadır Robotta Kullanılan lar lar fiziksel ortam elektrik/elektronik cihazları birbirine bağlayan bir köprü görevi görürler. Bu cihazlar işlem sürecinde kontrol, koruma ve görüntüleme gibi çok geniş bir kullanım alanına sahiptirler [1]. lardan alınan verilerin kullanabilmesi için her tip algılayıcının IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 Koçak,. ve Bayır, R. uygun bir ara birimle robotun kontrol kartına bağlanması gerekir [2]. Fare Yakalayan Robot uygulamasında canlıyı algılamak için PIR (Passive Infrared sensor) algılayıcılardan amamatsu firmasının üretmiş olduğu P4488 elemanı ve robotun çarpmasını önlemek amacıyla cisimden yansımalı algılayıcı kullanılmıştır. Şekil 2 de bir PIR algılayıcı resmi verilmektedir. özellikler algılama oranını etkiler. Büyük olan bir cisim küçük olandan ve yansıtıcı beyaz bir cisim mat siyah bir cisimden daha fazla ışık yansıtır. Dolayısıyla algılama mesafesi cismin boyutlarına ve rengine bağlıdır [7] Sistemde Kullanılan areket Motorları ve Motor Sürücü Sistemin hareket mekanizması için dişli sitemli doğru akım motoru seçilmiştir. Doğru akım motoru elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren elektrik makineleridir. Robotun hareket mekanizmasının çalışabilmesi için mikrodenetleyici devresinden gelen verilerin motorlara aktarılması gerekmektedir. Bu aktarım motor sürücü katı vasıtasıyla olur. Motor sürücü katını tasarlarken kullanılacak olan motorun özelliklerinin ve robotun amacının göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Şekil 2. P4488 PIR PIR diğer bir deyişle hareket algılayıcıları diye adlandırılan algılayıcılar bir insanın veya bir alevin ısısını algılayabilirler. İnsanlar veya sıcakkanlı hayvanlar bu tip algılayıcılar tarafından algılanabilen kızılötesi ışık üretirler. üzerine düşen ışınlar, algılayıcı ve ona bağlı devre ile canlı var/yok şeklinde yorumlanır [3-4]. Şekil 3 te PIR algılayıcısına ait devrenin blok diyagramı verilmektedir. Geliştirilen robotta motor sürücü entegresi olarak National firmasının üretmiş olduğu LMD18201 kullanılmıştır. ntegre üzerindeki pinler ile farklı kademelerde hız kontrolü, motorun yönünü değiştirebilen ileri geri fonksiyonu, motoru durdurmak için fren fonksiyonu sağlanabilmektedir. Ayrıca üzerinden geçen akıma göre akım ayarı yapılabilmektedir. Bu sayede yüksek akım geçen yerlerde kullanılabilir olması bir avantajdır. FRSNL LNS ISI NRJİSİ IR FİLTR +V YÜKSLTÇ KARŞILAŞTIRICI ÇIKIŞ PIR Şekil 3. PIR blok diyagramı PIR algılayıcının önüne fresnel lens takılarak algılama mesafesi 30m ye kadar çıkartılabilir. Adını frensel lensin mucidi Augustine Fresnel den almıştır. Lens silindirik değil çokgen şeklindedir. İnsan veya canlı hareket ettiğinde algılayıcı üzerine düşen ışık çokgen yapıdan dolayı kesilir tekrar gelir. Buradan hareketli bir canlı olduğu anlaşılır [5,6]. Robotun duvar, eşya gibi cansız bir varlık algıladığında bu cismi algılayıp çarpmasını engellemek için iki adet cisimden yansımalı algılayıcı kullanılmıştır. Bu algılayıcılar robotun ön kısmına sağlı sollu olarak yerleştirilmiştir. Cisimden yansımalı algılayıcılarda bir verici ve alıcı aynı kılıf içine yerleştirilmektedir. cisimden yansıyan ışınla çalışır [9]. Cisimden yansımalı algılayıcının sadece monte edilecek bir algılayıcı olması, ortamın aydınlık derecesine göre algılama mesafesinin ayarlanabilir olması gibi avantajları vardır. Cisimden yansımalı algılayıcının bazı dezavantajları da vardır. Cismin algılanması büyük oranda cisim yüzeyinin özelliklerine bağlıdır. Pürüzsüzlük, yansıtıcılık, renk gibi Şekil 4. LMD18201 pinleri Şekil 4 te verilen motor sürücü entegresinde 11 adet pin mevcuttur. Bu pinlerden en önemlileri Yön, Fren, DGM giriş pinleridir. Yön pini motorun yönünü belirlemede kullanılır. Bu pine, mantıksal 1 verildiğinde motor ileri yönde hareket etmekte, mantıksal 0 verildiğinde ise motor geri yönde hareket etmektedir. Fren pini motoru durdurmak için kullanılır. Motorun hareketini sağlamak için bu pine mantıksal 0 verilmesi gerekir. Mantıksal 1 verilmesi durumunda motor duracaktır. Bu pinlerin dışında OUT1 ve OUT2 pinleri motor çıkışları için kullanılır. Motorla bağlantı bu pinlerle sağlanmaktadır. Doğru akım motoru hız kontrolünün gerçekleştirilebilmesi için görev saykılı ayarlanabilen Darbe Genişlik Modülasyonu ( DGM ) sinyaline, motoru sürebilmek için bir sürücü devresine ihtiyaç vardır. Bu işlemler PIC16F877 mikrodenetleyicisi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Mikrodenetleyici kullanılması, devre için gerekecek birçok devre elemanının elemine edilmesini sağlamakta ve sistemin kontrolünün daha kolay bir biçimde gerçekleştirilmesini sağlamaktadır. Sekil 5 te dişli sistemli doğru akım motorunu LMD18201 entegresi ile yön devre ile yön, hız ve açık/kapalı kontrolü

3 Koçak,. ve Bayır, R. blok seması verilmiştir. LMD18201 entegre devresi 3 ampere kadar çalışabilir. LMD18201 entegre devrenin içerisinde hazır -köprü devresi mevcuttur. ise robotun ne tarafında olduğu yazılır Mekanik Sistemin Tasarımı Robotun mekanik kısmı iki adet doğru akım motoru, canlıları hapseden bir hazne, canlıları şaşırtma amaçlı kullanılmış periskop sistemi, motorlara takılmış iki adet tekerlek ve bir adet sarhoş tekerlekten oluşur. Şekil 6 da robotun üstten çekilmiş fotoğrafı verilmektedir. Mikrodenetleyici Katı Şekil 5. LMD18201 Doğru akım motorunun entegre ile hız, yön, açık/kapalı kontrolünün blok şeması Sensör Katı Fare DGM metodu ile görev saykılının genişliğini kontrol ederek doğru akım motorunun hızını kontrol etmektedir. Bu motor sürücü devresi iki adet motor sürücü entegresi ile oluşturulmuştur. Motorun sağ ve sol tarafını kontrol etmek için kullanılmışlardır. Robotun motorları 12 V luk DC bir gerilim ile çalışmaktadır. Bu nedenle devrede giriş olarak belirlenen noktaya 12V bağlanmaktadır. Motorlar daha yüksek gerilimle çalıştırılmak istenirse kutuplu kondansatörlerin gerilimine bağlı olarak değeri sabit olacak şekilde değiştirilmesi gerekir Sistemin Denetimi İşlemci katı devresinde Mikrochip firmasının üretmiş olduğu PIC16F877 mikrodenetleyicisi kullanılmaktadır. Yaygın olarak kullanılan bir mikrodenetletici olması, fiyatının ucuz olması, mantıksal işlemlerde performansının yüksek olması, verilere ve belleğe hızlı bir şekilde erişimin sağlanması, yüksek frekanslarda çalışabilmesi gibi nedenlerden dolayı tercih edilmiştir.pic16f877 azaltılmış komut setine sahiptir, RISC mimarisine sahiptir. İşlem hızı 20 Mhz dir. Veriyolu 8 bittir.14 kaynaktan kesme yapılabilir. 8 Kword e kadar artan flash belleği 1 milyon kez programlanabilir.368 Byte a kadar artan veri belleği (RAM), 256 Byte a kadar artan PROM veri belleği vardır. Yığın derinliği 8 bittir. Doğrudan, dolaylı ve göreceli adresleme yapabilir [8]. Devreye üç adet PIR iki adet dijital olmak üzere beş adet analog giriş yapılmaktadır. Devre iki adet doğru akım motoru için tasarlanmış olan motor sürücü devresine ve LCD ye veri göndermektedir. lar mikrodenetleyicinin A portuna, LCD D portuna, motor sürücü katı C portuna bağlanmıştır. Mikrodenetleyicinin RC1 ve RC2 pinleri DGM çıkış verir ve motor hız kontrolü için kullanılmaktadır. RC1 pini sağ, RC2 pini sol motor sürücüsüne bağlanmaktadır, RC0 sol motorun, RC4 sağ motorun fren pinidir. RC3 sol motorun, RC5 sağ motorun yön pinidir. Mikrodenetleyicinin C portundan alınan veriler motor sürücü devresindeki LMD18201 entegresine yollanmaktadır. B portuna bağlanan ledler yazılım sayesinde yakılıp söndürülerek hangi algılayıcının gördüğü anlaşılır. LCD de robotun önünde canlı olup olmadığı var Şekil 6. Robotun üstten görünüşü Motor Sürücü Katı DA Motorlar robotik uygulamalarında ve endüstriyel alanda sıklıkla kullanılmaktadırlar. Ucuz ve küçüktürler. Kullanımı kolay olduğu için tercih edilmektedir. Robotun tekerlekleri 7 cm çapında polyemit malzemeden yapılmıştır. Tekerlekler motorlara sıkı geçme metodu ile monte edilmiştir. Tekerleklerin zeminde kaymasını önlemek için dış yüzeylerine lastik geçirilmiştir. Canlının hapsedileceği kısım 20cm x 20cm mika bir kutudan oluşmaktadır. Kutunun ön kısmına canlıyı şaşırtma amaçlı 45 derecelik açıyla 2 adet ayna yerleştirilmiştir. Böylece canlının içerideki yemi görmesi sağlanmaktadır. Canlı yemi görüp robota yaklaşmakta ve içeri girdiğinde içeri açılır dışarı açılmaz kapak sayesinde dışarıya çıkamamaktadır. İçeriye hapsedilen canlılar kutunun üstündeki kapak açılarak dışarıya çıkartılır. aznenin içinde herhangi bir elektriksel eleman mevcut değildir ve canlıya hiçbir şekilde zarar verilmez. Canlı yakalanarak bir yerden başka bir yere taşınır. Sistemde üç adet 7,2V şarjlı pil kullanılmaktadır. Bunlardan bir tanesi işlemci katını beslemekte diğer ikisi seri bağlanıp 14,4V gerilim elde edilmekte ve bu gerilimle motorlar ve algılayıcılar beslenmektedir Robotun yazılımı Robotun yazılımı Proton ID programında Pic Basic dilinde gerçekleştirilmiştir. Robotun yazılımı Şekil 7 de verilen akış diyagramına göre yapılmıştır. Start butonuna basıldığında robot yavaş yavaş dönerek etrafında canlı aramaya başlar. Canlı algıladığında canlı ile karşı karşıya gelmeye çalışır. Sağ PIR algılayıcı canlı algılamışsa sağa, sol PIR algılayıcı canlı algılamışsa sola döner. Orta PIR algılayıcı canlı algılamışsa ileri yönde gider. Sağ optik algılayıcı cisim algılarsa geri gelip sola sol optik algılayıcı cisim algılarsa geri gelip sağa döner. İki optik algılayıcı da cisim algılarsa geri gelip sola döner. Bu şekilde cisme çarpılmamış olur. Stop butonuna basıldığında robotun çalışması durdurulur.

4 Koçak,. ve Bayır, R. BAŞLA Çizelge 1. Motor hız kontrolü için gerekli DGM nin görev saykılı değerleri START BUTONUNA BASILDI MI? A PORTUNU OKU YÖN Sağ Tekerlek Durumu Sol Tekerlek Durumu Yön DGM Yön DGM İleri İleri 150 İleri 150 Geri Geri 150 Geri 150 Sağ Geri 50 İleri 150 Sol İleri 150 Geri 50 SAĞ PIR SNSÖR 500 ms BKL SAĞA DÖN SOL PIR SNSÖR 500 ms BKL FAR MİKRODNTLYİCİ KATI ORTA PIR SNSÖR 500 ms BKL İLRİ GİT MOTOR SÜRÜCÜ KATI ALGILAYICI BAĞLANTILARI SOL OPTİK SNSÖR SAĞ OPTİK SNSÖR GRİ GL ON/OFF BUTONU GRİ GL SAĞA DÖN Şekil 8. Sağa dönüş SOL PIR SNSÖR GRİ GL DUR BUTONUNA BASILDI MI? Şekil 9 da kapalı alanda test çalışmaları sonucundaki robotun canlıyı takip hareketine bir örnek verilmektedir. Robot R1 yönünde hareket etmekte iken A noktasına ulaştığında sol PIR algılayıcısı ile canlıyı algılar ve 45 derecelik açıyla ona doğru dönme hareketi yapar. Robot bu doğrultuda hareket ederken fare de F1 konumundan F2 konumuna geçmektedir. B noktasında bu hareketi algılayan robot tekrar dönme hareketi yaparak canlıya doğru yönelir ve onu yakalar. BİTİR Şekil 7. Fare yakalayan robot yazılımının akış diyagramı 3. Robotun Test dilmesi Robotun testi 1,5m 2 lik kapalı bir alanda gerçekleştirilmektedir. Robot sağa döndürülmek istendiğinde sol motora gönderilen DGM değeri sağ motora gönderilen DGM değerinden büyüktür ve sol motor ileri yönde sağ motor geri yönde döndürülür. Robot sola döndürülmek istediğinde sağ motora gönderilen DGM değeri sol motora gönderilen DGM değerinden büyüktür ve sol motor geri yönde döndürülürken sağ motor ileri yönde döndürülür. Robot ileriye doğru hareket ettirilmek istendiğinde tekerlekler ileri yönde ve aynı hızda döndürülür. Robot geriye hareket ettirilmek istendiğinde tekerlekler geri yönde ve aynı hızda döndürülür. Robotun yönünü tayin etmede kullanılan yön durumları ve DGM değerleri Çizelge 1 de verilmiştir. Buradaki DGM görev saykılının değeri 8 bitliktir ve arası değer alabilir. Şekil 8 de robotun sağa dönüş hareketi verilmektedir. Şekil 9. Robotun fareyi yakalama şekli

5 Koçak,. ve Bayır, R. 4. Sonuç ve Öneriler Prototip yapıda olan bu robot ile insanlar için tehlikeli olan sıcakkanlı hayvanların yakalanması ve yakalanan hayvanların güvenli bir şekilde taşınması sağlanmaktadır. Robotun mekanik yapısında değişiklikler yapılırsa robot tarım sektöründe zararlı hayvanların toplanmasında ve gıda sektöründe kullanılan depolarda gıda maddelerine zarar vermeden zararlı canlıların yakalanmasında rahatlıkla kullanılabilir. Kaynaklar [1] eri-nelerdir/. [2] [3] cilar.html. [4] Yüzbaşıoğlu, Ç., Kızılberisi lardan elde edilen sinyallerle Yüzey Özelliklerinin Bağımsız Olarak Kestirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Bilkent Üniversitesi lektrik ve lektronik Mühendisliği, [5] [6] Aytaç, T., Kızılberisi larla edef Ayırt tme ve Konum Kestirim Yöntemlerinin Karşılaştırmalı İncelenmesi, Doktora Tezi, Bilkent Üniversitesi lektrik ve lektronik Mühendisliği, [7] [8] /30292c.pdf. [9]