SOMM : Smart Obedient Mobile Machine ÖZET

Transkript

1 SOMM : Smart Obedient Mobile Machine Selçuk Şen, Ozan Akçay Mustafa Özaslan, Mustafa Küçükcicibıyık selcuk_sen@hotmail.com mustafaozaslan@hotmail.com akcay_ozan@hotmail.com muscici1983@hotmail.com ÖZET Bu projede, elektrikli ve üç tekerlekli mekanik bir sistemin dümenleme problemi üzerine çalışılmıştır. Mikrodenetleyicilerle kontrol edilen sistem önündeki engellere veya engebeli zemine rağmen sabit hızla ilerleyebilmektedir. Dönüşler, tekerlek hız kontrolü ile dişli kullanılmaksızın gerçeklenmektedir. Bu şekilde sistem bulunduğu yerde, istenilen açıda ve hızda manevra kabiliyetine sahiptir. Bu projede geliştirilen sistem gelecek çalışmalar için üzerine ilave edilebilecek aparatlara (kamera, mekanik kol gibi) bir platform teşkil etmektedir. Ayrıca elde edilen tasarım deneyimleri sistem küçük değişikliklerle kolayca özürlü veya yaşlı aracına dönüşebilecek durumdadır. 1

2 1.GİRİŞ ROBOT KAVRAMI [1] Bilim ve Teknoloji tarihi incelendiğinde, uzun durağan dönemlerden sonra önemli bilimsel ve/veya teknolojik sıçramalar gözlemlenmekte, bu sıçramalar sonunda toplum yaşamında önemli değişim ve gelişmeler izlenmektedir. Genellikle bu sıçrama olgusu bir veya birkaç bilim adamının adı ile birlikte anılmaktadır. İçinde yaşadığımız çağdaş bilim ve teknoloji sürecinde, tüm insan ve toplum yaşamını değiştirecek önemli bir çok olgu arasında "Robot kavramı ve uygulamaları", insan konforu ve güvenliği ile ilgili temel kavramlarda ve uygulama niteliklerinde ilkesel düzeyde değişimlere yol açacak bilimsel ve teknolojik bir adımdır. Robot teknolojisi, çağımız gelişim süreci içinde gelişen birçok bilimsel ve teknolojik olguların, Robot adını verdiğimiz teknolojik ürünler üzerinde bütünleşmesi ve uygulamasını içerir. 2.MOBİL SİSTEMLER MOBİL ROBOTLAR [2] Birçok uygulamada otonom robotlar sosyal etkileşimde bulunmak zorunda değillerdir. Genellikle robotların otonomluğu bir çeşit hareket serbestisine sahip oldukları ve bir insanın denetimini gerektirmeden hareket edebilmeleri anlamına gelir. Uygulamaların çok geniş yelpazeye yayılmış olması sebebiyle mobil robotların net ve açık bir sınıflandırmasını yapmak oldukça zordur. Örneğin tekerlekli robotlar boyutlarına göre sınıflandırılırken yürüyen robotlar bacak sayılarına göre sınıflandırılmaktadır. Şekilde mobil robotların hareket yöntemlerine göre sınıflandırılması gösterilmektedir. 2

3 Şekil 1: Mobil Robotların Sınıflandırılması Aşağıda, ilginç uygulama alanlarından birkaçı kısaca özetlenmiştir. Temizlik sanayi: Havaalanları, süpermarket, cadde ve sokaklar, fabrika ve benzeri yerlerde yıkama, süpürme, kurulama, ovalama, cilalama, parlatma, vakumlama, kazıma, çöp toplama gibi karmaşık bileşenlerden oluşan oldukça yoğun bir iştir. Üstelik tuvalet temizliği, pencere ve döşeme temizliği gibi daha tatsız işleri de içerebilir. Şekil 2: Ticari Olarak Mevcut Temizleme Robotu (solda), Otonom Elektrik Süpürgesinin Taslağı (sağda) Çimenlerin bakımı (şu anda piyasada satılan sistemler bulunmakta): golf sahası ve otobanların orta ve kenarlarındaki çimlerin biçilmesi. Tehlikeli işler ve enerji kaynakları: bomba ve mayın haritalama, çıkarma veya imha etme, nükleer santral denetimi, buhar jeneratörü, tehlikeli atık saklama tankı, boru hattı ve yüksek gerilim hatlarının denetimi vs. Kurtarma robotları, deprem, sel, büyük yıkımlar gibi afetlerden sonra arama kurtarma görevlerini üstlenebilecek, mobil otonom veya uzaktan güdümlü robotları içeren yeni bir sınıftır. Tıbbi servisler: yemek, su, gazete, ilaç vs. getirmek, laboratuar örnekleri, tıbbi kayıtlar, özel yemekler, yönetici raporları, tehlikeli malzemeler, biyolojik artıklar, eczane otomasyonu. 3

4 Tarım: (1870 de, Amerika Birleşik Devletleri toplam işgücünün %47si gıda üretmek için kullanılıyorken, şimdi %3 den daha azı yiyecek üretiminde çalışıyor) Uygulamalar ekim, zararlıları temizleme, ilaçlama, budama, biçme, hasat ile meyve ve sebzelerin toplanmasını içeriyor. Şekil 3: Bir Engelliye Yardım Eden Mobil Robot 3. SOMM 3.1 Tanıtım Somm, üç tekerlekli ve akıllı bir sistemdir. Mikrokontrolörlü bir yapıya sahiptir. Bu sebeple tamamen bizim kontrolümüzde çalışabildiği gibi programında yapılacak değişikliklerle kendi kendine de hareket edebilir. Sistemimiz üzerine eklenecek mekanik kollarla ve sensörlerle güçlendirildiğinde birçok amaç için kullanılabilir. Bomba imhasından arama kurtarmaya, temizlikten tarım sektörüne kadar birçok sektörde kullanılabilir. 4

5 Şekil 4: SOMM Blok Gösterimi Şekil 5: SOMM Önden Görünüş 5

6 Şekil 6: SOMM En Son Hali 3.2 Mekanik Aksam Aracın hareket mekanizması herhangi bir diferansiyel eleman olmadan çalışmaktadır. Hareketi tamamen yazılan program sağlar. Mikrokontrolör ile yönlendirildiği için hareket yeteneği diğer üç tekerlekli sistemlere göre daha fazladır. Benzer sistemlerde bulunmayan tank manevra kabiliyeti Somm da mevcuttur. Bu hareketini birbirinden bağımsız iki motoru ile sağlar. Arkada ise bağımsız bir sarhoş teker mevcuttur. Bu teker geri gelme durumunda biraz zorluk çıkarsa da aracın ağırlığı ve uygulanan tork nedeniyle fazla dayanamaz ve hemen doğru şekli alır. Araç 60W gücünde iki dc motor tarafından hareket ettirilmektedir. Bu motorların üzerinde motor devri ile orantılı olarak kare dalga üreten encoder mevcuttur. Bu encoder aracın hızının sabit tutulması için gerçeklenen geri beslemeli sistemin en önemli elemanlarındandır. Aracın şekli, kullanılacak tekerlerin, motorların, akülerin ve taşınabilecek yükün ağırlığına göre kararlaştırılmıştır. Üzerine daha sonra robot kollar takılabilmesi için üst tarafı bir platform şeklindedir. Ayrıca aracın köşeleri, ileride üzerine sensörler takılabileceği düşünülerek kırlangıç kuyruğu şeklinde hazırlanmıştır. Aşağıda AUTOCAD programı kullanılarak çizilmiş şekillerini görüyoruz. 6

7 Şekil 7: SOMM Autocad Çizimleri Bu çalışmalar yapılırken aracın ergonomisi, dinamiği ve teknik özellikler göz önüne alındı. Hesaplamalar ona göre yapıldı. HESAPLAMALAR Aracın hızı yaklaşık olarak 5 km/h olarak belirlendi. Buna göre aşağıdaki hesaplamalar yapıldı; Motor devri = 3000 devir/dk Teker çapı = 25 cm 7

8 Aracın 5.65 km/h hıza sahip olabilmesi için dakikada m yol kat etmesi gerekiyordu. Bunu sağlaması için tekerin dakikada 120 devir ile dönmesi gerekir. Bu durumda ; Motor devri / tekerlek devri = 3000 / 120 = 25 dev/dk edildi. elde edilir. Bunu sağlayabilecek dişli sistemi için 25 e 1 dönüşüm yapabilen bir redüktör temin 3.3 Elektriksel ve Elektronik Aksam Aracın elektronik aksamının en önemli parçası güç devresidir. Bu devre tasarlanırken motorların çekeceği akım ve gerekli gerilimler düşünüldü ve en uygun devrenin H-BRIDGE adı verilen devre modeli olduğuna karar verildi. Bu devre için hızlı anahtarlama elemanları gerekiyordu ve bunun için Mosfet kullanıldı. Mosfetler gerilim denetimli akım kaynağı özelliği taşırlar. Yapılan araştırmalar ve deneyler sonucunda devre istediğimiz şekli almıştı. Fakat bu aşamaya gelinceye kadar birçok zorlukla karşılaştık. Bunlar ilerideki bölümlerde anlatılacaktır. Aşağıdaki şekilde H-BRIDGE devresini görüyorsunuz. Şekil 8: H-BRIDGE Devresi 8

9 H-Bridge devresinin en önemli özelliği iki yönde iletime izin vermesidir. Böylece kullanılan motor iki yönde döndürülebilir. Mosfetleri korumak için bu devreye diyotlar da eklenebilir. Kullanılan mosfetlerin katalog bilgileri ışığında sürülmesi gerekir. Besleme gerilimleri ve diğer bilgiler mosfet kullanımı açısından oldukça önemli bilgilerdir. Elbette ki elektronik devrelerin en önemli parçalarından birisi de kullanılan PIC 16F877 mikrokontrolörüdür. Burada 16F877 nin katalog bilgilerinden bahsetmek istemiyoruz. Fakat gerçekten çok kullanışlı ve birçok özelliği bünyesinde bulunduran bu kontrolör biraz karmaşık bir yapıya sahip. Biz bu tez çalışmasında kontrolörün birçok özelliğini kullandık. Mosfetlerin sürülmesi için gereken PWM sinyalleri üreticisi bunların başında gelmektedir. Aşağıda bir PWM sinyali görülmektedir. Şekil 9: PWM Sinyali Örneği Aşağıda bu mikrokontrolörün bir fotoğrafını ve bacak bağlantıları görülüyor. Şekil 10: PIC16F877 Mikrokontrolörü 9

10 Şekil 11: PIC16F877 Bacak Bağlantıları 3.4 Yazılım Çalışmaları Bu tez çalışmasının en önemli basamaklarından birisi yazılım aşamasıdır. Bir makine, sadece donanım olarak çalışmaz. Çünkü yazılım olmadan, donanım ne yapacağını bilemez. Yazılım donanımına ne yapacağını söyleyen bir komutlar dizisidir. Bir yandan diğer çalışmalar sürerken diğer yandan onlara paralel olarak yazılım çalışmaları devam etti. Bu çalışmalar kullanılacak mikrokontrolörün yapısına uygun bir programlama dili seçilmesiyle başladı. Assembly dilinin en uygun dil olduğunu belirleyip buna paralel olarak 10

11 çalışmalara hız verdik. Aracın hareket mekanizmasını tamamen yazılımla kontrol etmek gerektiği için aracın yeteneklerini belirleyerek yazılımla bunları gerçekleştirdik. Yazılım çalışmalarına başlayabilmemiz için bize gereken bazı programlar vardı. İlk iş olarak bu programları edinip kullanımını öğrendik. Program yazabilmek için MPLAB, yazdığımız programları mikrokontrolörlere yükleyebilmek için ise ICPROG programlarını öğrendik. Aşağıda bu programların birer görünümü bulunmaktadır. Şekil 12: IC-PROG Yükleme Programı Şekil 13: MPLAB Assembler Derleyicisi 11

12 Bu programları yüklediğimiz mikrokontrolörleri denememiz gerekiyordu. Bunun için deneme ve yükleme kartları yaptık. Bu kartların devre modellerini internetten ve kitaplardan bulduk. Yazılım çalışmaları bütün tez süreci boyunca devam etti. Çünkü yapılan her deneyden sonra geliştirilmesi veya eklenmesi gereken bölümlerin bulunduğunu fark edildi. Yazılım gerçekten çok önemli bir çalışmaydı. Çünkü aracı kontrolü tamamen onun elindeydi ve kontrolör en ufak bir hatayı bile araca yansıtabilirdi. Bu sebeple en çok üzerinde durduğumuz konuların başında yazılım geliyordu. 3.5 Uzaktan Kontrol Mekanizması SOMM un önemli özelliklerinden birisi de uzaktan kontrol edilebilmesidir. Bu özelliği onun ileriki dönemlerde daha kullanışlı hale getirilmesi için bir temel niteliği taşır. Şu anda RF (radio frequency) modülleri kullanılarak sağlanan uzaktan iletişim, ileride üzerine yapılacak eklemelerle bluetooth vb. sistemlerle de sağlanabilir. Uzaktan kumanda olarak bir dijital joystick kullanılmaktadır. Aracın yön ve hareket bilgileri bu joystick e eklenen bir PIC16F84 mikrokontrolörüne yüklenmiş durumdadır. Joystick in konumuna göre üretilen veriler RF modülleri vasıtasıyla aracın üzerindeki PIC16F877 mikrokontrolörüne gelir ve aracın hareketi sağlanır. Bu haberleşme seri iletişim kapsamına girer. Kullanılan RF modülleri yurt dışından getirtilmiş olup bir adet alıcı ve bir adet vericiden oluşmaktadır. Aşağıda bu modüllerin birer fotoğrafı mevcuttur. Şekil 14: receiver Şekil 145: transmitter 12

13 RF ile iletişim düşünüldüğü gibi kolay olmadı. Çünkü gönderilen verilere kolaylıkla gürültü(noise) karışıyor ve verilerin bozulmasına sebep oluyordu. Bu durumu engellemek için şifreleme yöntemini bulduk. Bu yöntemde verici modül veriyi göndermeden önce bizim tayin ettiğimiz şifreyi gönderiyor. Eğer şifre doğrulanırsa alıcı arkadan gelen veriyi alıyor. Ayrıca ikinci bir kontrol mekanizması daha mevcut. Bunda da şifrenin ardından gönderilen veri alıcı taraftaki kontrolörde saklanıyor. Hemen ardından aynı veri bir kez daha gönderiliyor. Bu sefer gelen veri ile kaydedilen veri karşılaştırılıyor. Eğer veride herhangi bir bozulma yoksa araç o veriyi işleme sokuyor. Sonuç olarak kusursuz bir çalışma mekanizması kurulmuş durumda. Ve bu sistem ileriki dönemlerde joystick yerine bir PC den veri alıp gönderebilir. Bundan sonra artık daha kolay olur. 4. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 4.1 Düz İlerleme Aracın ilk olarak sağlaması gereken hareket şekli düz ilerlemeydi. Bunu sağlamak zannedildiği kadar kolay olmadı. Çünkü aracın iki ayrı motoru olduğu için bunları iki ayrı sürücü devresiyle ve senkronize olarak sürmek oldukça zor bir işti. İki ayrı sürücü devresini iki ayrı kontrolör sürüyordu ve bu kontrolörleri ise bir adet SUPERVISOR denetleyici kontrol ediyordu. Araçların hızları motorlarında bulunan encoder vasıtasıyla ölçülüyor ve ardından kontrolöre gelen bilgi işlenerek istenilen hız sağlanıyordu. Aracın tekerleri aynı anda harekete başlıyor ve aynı anda bırakıyorlar. Çünkü kendilerini denetleyen kontrolör bunu sağlayacak programla yüklüydü ve motorlar da ona itaat etmek zorundaydılar. Fakat bunu sağlamak gerçekten çok zor oldu. Yaşanılan zorluklar ileriki bölümlerde anlatılacağı için şimdi bunlara değinmiyoruz. 4.2 Dönüşler Aracımızın diğer hareketleri ise dönüş hareketleridir. Somm bu konuda gerçekten çok yetenekli bir araç. Çünkü çok farklı dönüş yeteneklerine sahip. Tek bir tekeri merkez olacak şekilde sabit tekeri etrafında dönebilir. İki tekeri farklı hızlarda olacak şekilde açılı dönüşler yapabilir. Ve en önemlisi bir tekeri ile diğer tekerini farklı yönlerde döndürerek tank 13

14 gibi hareket edebilir. Bu manevrası özellikle dar alanlarda çalışma yeteneği kazanmasını sağlamıştır. Bu yeteneklerin hepsi yazılım vasıtasıyla yaratılmıştır. Aracın yetenekleri yazılımla sağlandığı için her zaman gelişime açık olarak kalacaktır. Aşağıda bazı hareketlerin simülasyonunu görüyoruz. Şekil 16: Açılı Dönüş Hareketi Şekil 17: Dik Dönüş Hareketi 4.3 Yük Taşıma Kapasitesi Aracımızın en önemli kullanım amaçlarından olan yük ve eşya taşıma işini yapabilmesi için belirli bir yük taşıma kapasitesi vardır. SOMM un 50 kg a kadar yükü taşıyabilecek bir mekanik donanıma sahiptir. Çelik-saç yapıdaki gövdesi ve bu gövdeyi destekleyen çelik barları ile gerçekten sağlam bir yapıya sahip olan araç herhangi bir esneme olmadan yük taşımaktadır. 14

15 Aracın yük taşıma kapasitesini sınırlayan etkenler ise düşük güçlü motorları ve küçük çaplı arka tekeridir. Bu elemanların iyileştirilmesi ile birlikte bu araç istenilen yükü taşıyabilecek hale getirilebilir. Aracın hızı ve kararlılığı zemin faktörü dahil edildiğinde bile yüklü ve yüksüz durumlarda yaklaşık olarak aynıdır. Bu durum daha önce anlatıldığı gibi geri besleme ile sağlanmıştır. 5. SONUÇLAR Bu çalışmada anlatılan mobil sistem, tasarımından geri beslemesine kadar tamamıyla mevcut sistemlerden farklı olarak düşünülmüştür. Mevcut sistemlerin en önemli eksiklikleri olan manevra kabiliyetindeki kısıtlamalar ve zemin koşulları SOMM için problem oluşturmayacak şekilde tasarım yapılmıştır. Sistemin karmaşıklığını önlemek amacıyla aracın manevra kabiliyeti sınırlı tutulmuş fakat eksik kalan özelliklerin alt yapısı oluşturulmuştur. Tamamen yazılımla eklenebilecek olan bu özellikler kullanıcının tercihine bırakılmıştır. Oluşturulan mobil sistemin mevcutlarından en büyük farkı diferansiyeli olmamasına rağmen sadece elektronik donanımla (PIC16F877) yüksek manevra kabiliyetine sahip olmasıdır. Ayrıca hareketi süresince düşük hızlarda mükemmel bir hız kararlılığına sahiptir. Yüksek hızlara çıkıldıkça kararlılıkta kayma meydana gelebilir. SOMM un oluşturulmasında kullanılan temel araçlar, Assembly Dili, MPLAB programı, PIC16F877 mikrokontrolörü ve güç devresi elemanları (Mosfetler) dır. Kullanılan program lisans gerektirmeden alınabilir. Aracın programları yazılırken Assembly derleyicisi olarak MPLAB kullanılmıştır. Assembly dilinin tercih edilmesinin en önemli nedeni, kullandığımız mikrokontrolöre diğer programlama dillerinden daha fazla hükmedebilmesidir. Yani, bu program ile yapabileceğimiz yazılımların kapasitesi ve yazılım alternatifleri daha fazladır. Sistemin yapımında kullanılan programların lisans gerektirmemesi ve kullanılan mikrokontrolörü her yerde kolayca bulmak mümkün olduğundan istenilen bir anda yazılım tekrar yüklenebilir, yenilenebilir veya bozulan parçalar değiştirilebilir. Somm daha öncede anlatıldığı gibi üzerine yapılacak eklemelerle birçok amaç için kullanılabilir. Sensörlerle ve robot kollarla donatılmış bir Somm un kullanım alanı oldukça genişler. 15

16 Somm bu özelliklerle donatılırken elbette ki birçok zorlukla karşılaşıldı. Bunların hepsi projenin yapımı süresince çözüldü. Ve edinilen deneyimler ileriki dönemler için bizlere çok şeyler kattı. 5.1 Güç Devresi Sorunları Güç devresi tasarımı oldukça zor olmuştu. Çünkü elimizdeki motorların çift yönlü sürülmesi gerekiyordu. Bunun için kullanmamız gereken devre modelini belirledikten sonra devreyi oluşurduk. Fakat devre bizim istediğimiz gibi çalışmıyordu. Hatta çok düşük akımlarda bile kullanılan anahtarlama elemanları yanıyordu. Kullandığımız mosfetler 33 amper akım taşıyabildikleri halde mili amperler seviyesinde bile yanıyorlardı. Bu problemin ne olduğunu önceleri çözemedik fakat daha sonra mosfetleri yanlış darbelerle sürdüğümüzü fark ettik. Aşağıdaki grafiklerde görüldüğü gibi sürülmesi gereken mosfetleri yanlış darbelerle sürdüğümüz için yakmıştık. Bu problemi gidermek için uyguladığımız PWM sinyallerini tam kare dalga haline getirdik ve sonunda her şeyi düzeltmeyi başardık. Mosfetlerin sürülmesinde belirli bir gerilim düzeyinin çok kısa bir sürede aşılması gerektiğini öğrendik. Eğer bunu yapamazsak mosfetin içinde oluşan R ds direnci sebebiyle mosfet küçük akımla bile yanıyordu. Şekil 18: Mosfetlerin Vgs-Id Grafiği 16

17 Ayrıca dikkat edilmesi gereken bir nokta daha var. Mosfetlerin V GS gerilimi kesinlikle 10 V un altına düşmemelidir. Bu durumda da mosfetler sürülemez. Yukarıdaki grafikte görüldüğü gibi 10 V seviyesine gelene kadar mosfetlerde R DS direnci oluşmakta ve bu direnç mosfetlerin yanmasına sebep olmaktadır. Fakat dikkat edilmesi gereken en önemli nokta bu 10 voltluk gerilim ile mosfetlerin besleme gerilimleri kesinlikle bağlantılı olmamalıdır. Bu sebeple toprak bağlantılarına özellikle dikkat etmek gerekir. gerçekten önemli bir sorun olan bu durumu giderebilmek için mosfetlerin gate-source bacaklarına ayrı birer besleme bağladık. Böylece 12 voltluk sabit bir gerilim oluşturduk. 5.2 Dümenleme Sorunları Aracın en önemli sorunlarından birisi de dümenleme problemiydi. Gerçekten bizi çok zorladı. Çünkü elektronik olarak yapılan dümenleme işi en küçük bir sayı farkını bile motorlara yansıtıyordu. Sonuçta da motorlar ilerlemeye başlayınca oluşan farktan ötürü araç düz değil açılı hareket ediyordu. Özellikle kalkışlardaki hız farkı çok küçük olmasına rağmen aracın düz kalkmasını engelliyordu. Sonuçta da araç düz kalkış yapamadığı için sonradan hızını eşitlese bile ilk andaki sapma yolun sonuna kadar sürüyordu. Bu problemin çözümü için aracın elektronik donanımına ek olarak bir mikrokontrolör daha ekledik. Bu mikrokontrolör aracın hız bilgilerini motorların encoderlarından alarak okuyor aradaki fark giderilene kadar hızlı olan motoru durduruyor ve sonuçta tekerlerin aynı hızda gitmesini sağlıyor. Bunu yapmak için ise aracın yöneticisi durumundaki Supervisor mikrokontrolörün ilgili bacaklarına enable uçları vasıtasıyla bilgi gönderiyor ve disable taraftaki motor sürülmüyor. Böylece işbirliği yaparak dört adet kontrolör aracın doğru gitmesini sağlıyorlar. KAYNAKLAR [1] Robotlar: Sosyal Etkileşimli Makineler, Asif Şabanoviç Selim Yannıer, Mühendislik ve Doğa Bilimleri fakültesi, Sabancı Üniversitesi [2] Robotlar: Sosyal Etkileşimli Makineler, Asif Şabanoviç Selim Yannıer, Mühendislik ve Doğa Bilimleri fakültesi, Sabancı Üniversitesi 17