UZAKTAN MAYIN TARAMA VE TANIMLAMA SİSTEM ÖN TASARIMI

Transkript

1 UZAKTAN MAYIN TARAMA VE TANIMLAMA SİSTEM ÖN TASARIMI Anıl Ufuk TOBB ETU, 06520, Ankara Onur Baki ERTİN, etu.edu.tr TOBB ETU, 06520, Ankara Övünç ELBİR, TOBB ETU, 06520, Ankara ÖZET Savunma sistemlerinde kullanılan insansız projelerde uzaktan erişim ve uzaktan görselleştirme araçlarının kullanımı gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Bu bağlamda, geçmişte kullanılan uygulamaların yeniden değerlendirilmesi popüler uygulamalardan biridir. Bu bildiride, Gelibolu Savaşı'da kullanılan "Nusret Mayın Gemisi" den esinlenilmiş ve bu sistemin çağımızın yeniliklerine ayak uyduracak şekilde yeni bir benzetimi ve tasarımı yapılmıştır. Çalışmada mayınlı arazi olarak adlandırılan bir deney alanının uzaktan görüntüsü bir kez alınmış, tasarlanan mayın tarama robotunun otonom olarak mayın olabilme ihtimali olan cisimlere yaklaşarak mayın olup olmadıklarını tespit edebilen bir sistem ortaya konulmuştur. Bu bildiri belirtilen sistemin ön tasarımını ve tasarım ile ilgili benzetim sonuçlarını içermektedir. ANAHTAR KELİMELER: Mayın Tarama, İnsansız Kara Aracı, Navigasyon, Engelden kaçınma ABSTRACT The use of remote access and remote visualization tools in unmanned projects of today s defence systems has been gathering considerable momentum over the past decade or so. In this context, re-assessment of the applications which were used in the past is one of the popular practices. In this paper, Nusret Minelayer, a ship used at the Battle of Gallipoli, is taken as an example, from which an updated simulation and a new design are created. The Project is based on the examination of remotelycaptured image of a minefield and an unmanned minesweeper which approaches to suspect objects and perceives whether those are mines. 9

2 This paper covers a preliminary design of this system and simulation results of the project. KEY WORDS: Mine Scaning, Unmanned Ground Vehicle, Navigation, Obstacle avoidance insansız araçlarla gerçekleştirilebilmesi için ise birçok çalışma yapılmaktadır. Bu bildiride ise, insansız bir kara aracının mayınlı bir arazideki hareketlerinin taklidi için küçük bir uygulama yapılmıştır. 1. GİRİŞ İnsansız araçlar her geçen gün daha da önem kazanmakta, askeri ve sivil bir çok uygulama ile günlük hayatımızın içinde yer almaktadırlar [1,2]. Bu sistemlerin geliştirilmesi ve tasarımı yüksek maliyete sahiptir buna rağmen yapılan projelerde sonuçların istenen düzeyde olmaması maalesef sık karşılaşılan bir durumdur [3,4]. Bu tür bir sıkıntı oluşmasını önlemek için de sistemlerin küçük ön tasarımlarının gerçekleştirilerek, sistemin ileriki kurulumu için tasarımcılara fikir vermesi sıkça başvurulan yöntemlerdendir. Bunun yanında kullanılacak sistem için önceden tasarlanmış sistemlerden fikir alınması ve bu fikir üzerinden yeni sistem tasarımı da bu süreç içerisinde yer alan konulardandır [5]. Mayın tarama sistemleri için ise yukarıda bahsedilen konuların ikisi arasında bir bütünleşme söz konusudur. Mayının patlayıcı bir sistem olmasından dolayı uzaktan tesbit edilerek yok edilmesi konusunda çeşitli çalışmalar yapılmaktadır [5]. Bu çalışmaların bir kısmı da plastik kaplı mayınlar yüzünden görüntü işleme teknikleri ile yapılmaktadır [6]. Bu işlemin 2. SİSTEM KISITLARI Uygulamada adı geçen sistemin ön tasarımı için farklı kısıtlara sabit bir düzen oluşturulmuştur. 1x1 metre boyutlarındaki platfrom üzerinde 5 adet obje olacaktır. Bu objelerden bir kısmı sahte, bir kısmı gerçek mayını temsil edecek. Sahte mayınlar plastik ve iç kısmı beyaz iken gerçek mayınlar ise demirden olacaktır ve aradaki farklılıkları gidermek için objelerin üst tarafları siyah olacaktır. Platform üzerinde bir adet kamera bulunacak ve bu kameradan görüntü alınacaktır. Platformda bulunan bir robot ile, objelerin gerçek veya sahte mayın olup olmadıkları anlaşılacaktır. Projenin ana hatları bu olmakla beraber, daha detaya girildiğinde ise, Kameradan sadece bir defa görüntü alınacak ve bu sayede platformdaki objelerin ve araçların yerleri tesbit edilecek. Elde edilen görüntülere göre, mayınların ve robotun konumu bulunacak ve robotun her bir mayına gitmesi sağlanacak. 10

3 Mayının gerçek veya sahte olup olmadığı anlaşıldıktan sonra, bunun bilgisi tekrar bilgisayara iletilecek ve ekran üzerinde işaretlenecek. Robot platformun sağ alt köşesinden başlayarak, en son platformun sol üst köşesine gidecek. Robotun gezinmesi sırasında hiç bir mayına çarpılmayacak. Cihaz üzerinde en fazla bir adet sensör kullanılacak. Bu sistem kurallarında oluşturulan platfrom ve insansız kara aracı Şekil 1'de gösterilmiştir. 3) Mikroişlemci 4) Haberleşme Devresi 5) Sensörler 3.1) Ana Gövde Sistemin tasarlanması için çeşitli hazır robot sistemlerinin tasarlanması ile uğraşılmış ve en sonunda, daha basit olarak özgün bir gövde üzerine sistemin oturtulmasına karar verilmiştir. Bu sayede sistemin daha hafif ve daha dayanıklı olması sağlanmışken, uygun motorlar bulunması ile de sistemin bütünleştirilmesi sırasında fazladan bir tasarım aşaması uygulanmamıştır. 3.2) Motorlar Motor devresi olarak iki adet Mitsumi M42SP-7 marka step motor kullanılmıştır. Bu sayede, sistemde bir encoder kullanılmadan, adım sayısı ile saha üzerinde yönelim sağlanmıştır. Şekil 1 Mayınlı arazi platformu ve tasarlanan insansız kara aracı 3. ROBOT TASARIMI Robot üzerinde kullanılan malzemeler birkaç gruba ayrılabilirler. Bunlar; 3.3) Mikroişlemci Mikroişlemci seçimi olarak ise Arduino Mega kullanılmıştır. Bu işlemcilerin tercih sebebi, açık kaynak olmaları, hızla programlanabilmeleri ve kullanım açısından ve çıkış giriş aygıtları açısından kolaylık sağlamalarıdır. 1) Ana Gövde 2) Motorlar 11

4 3.4) Haberleşme Devreleri Haberleşme devresi olarak öncelikle bluetooth devresi kullanılması planlanılsa da, gelecekteki çalışmalarda da kullanılamak üzere Xbee modülü ile iletişim kurulmasına karar verilmiştir. sensör girişleri ayrıca yapılmış ve sistemin önüne konulacak şekilde tasarlanmıştır. Robotun önünde bulunan sensörler Şekil 3'de gösterilmiştir. 3.5) Sensörler İnsansız kara aracı üzerinde bulunacak olan sensörler için iki farklı sensörler konusunda karar verilmesi gerekmiştir. Sistem üzerinde sadece bir adet sensör bulunması kısıtı ve maliyetin en düşüğe indirilmesine yönelik çalışmalar sonucunda, sistemin yönünü tayine etmeye yarayan bir manyetik sensör kullanılması yerine, step motorun dönüş sayısı ile yön bulunmasına karar verilmiştir. Metal algılanması için de öncelikle manyetik bir sensör üzerinde durulsa da, sistemin ön tasarımı kısmındaki düşük maliyet konusu dikkate alınarak, sadece üç adet CNY70 ile 2 infrared LED kullanılmasına karar verilmiştir. Bu şekilde, üstten görünüşleri aynı olan mayınların, iç yüzeylerine bakılarak gerçekten mayın olup olmadıklarına karar verilmiştir. Şekil 2 Robot üzerindeki tüm bağlantılar için hazırlanan kart tasarımı (ARES programı ile çizilmiştir) Kurulan sistem için hazırlanan baskı devre Şekil 2 de bulunmaktadır. Bu devre, ARES programı ile çizilerek, sistem bileşenlerinin robot üzerine oturtulmasını sağlamaktadır. Şekil 2'deki robot üzerindeki bağlantılardan görülebileceği üzere, robot üzerindeki manyetik Şekil 3 Robotun önden görünüşü ve manyetik sensörler 12

5 4. GÖRÜNTÜ İŞLEME Görüntü işleme Visual Basic tarafından yapılmıştır. Bu yapılırken de görüntü platfrom üzerinden bir kamera ile çekilerek, bilgisayara aktarılmıştır. Buna göre bu sistem için Şekil 4 deki akış diyagramı hazırlanmış ve uygulanmıştır. Sistemde kullanılan görüntü için 320x240 piksellik fotoğraf karesi kullanılmaktadır. Görüntüde öncelikle bir gürültü filtresi uygulanmış, uygulanan filtre görüntüsü sonucunda paltformun sınırları ve ekran dışında kalan görüntüler silinmiştir. Ekranda bulunan mayınların yerleri ve insansız kara aracının konumu belirlendikten sonra, sistemin çizeceği rota hesaplanarak, kullanıcıya da gösterilerek, kablosuz veri aktarım yoluyla insansız kara aracına aktarılmaktadır. Bu andan itibaren, görüntü işleme ile bağlantı kesilmekte ve platform gezinimi boyunca bir daha fotoğraf çekilmemektedir. Şekil 4 Visual Basic tabanlı görüntü işleme yazılımı akış diyagramı Çekilen bir fotoğraf sonucu elde edilen ekran çıktısı Şekil 5 te gösterilmektedir. Bu görüntüye göre, ekran üzerinde Şekil 5.a ile gösterilen kısımda cihazın yol alması gereken rota kullanıcıya gösterilirken, platform üzerindeki mayınların yerleri kırmızı noktalarla Şekil 5.b de gösterilmektedir. Şekil 5 Görüntü İşleme Ekranı (a) İzlenmesi gereken yol (b) mayınların konumları 13

6 5. ROBOT KISMI Robot üzerindeki kontrolü sağlayan Arduino kartı, C++ tabanlı bir programlama dili ile kodlanmaktadır. Komutlar Arduino'ya bilgisayarda çalışan yazılımdan bir komut dizisi şeklinde seri port üzerinden gönderilir. Arduino üzerine gömülü kod, bu veri dizisinin sırasıyla okunup cihazın ileri geri, sağa sola hareket etmesi, sensor verisinin okunup belleğe yazılması ve toplanan sensör verilerini bilgisayara gönderilmesi görevlerini gerçekleştirecek şekilde tasarlanmıştır. Gömülü yazılımın bu düzene göre hazırlanmış olan akış diyagramı Şekil 6 da gösterilmiştir. Şekil 6 daki algoritmaya göre robotun tüm platformu gezmesi planlanmıştır. Buna göre, Şekil 6 Robot için kullanılan akış diyagramı 14

7 mayın sayısının belli olması sebebi ile sistemin tüm platform çevresini gezmesi planlamıştır. Bunu yaparken de, her bir kenara yakın mayının koordinatlarına göre sistemin mayına gitmesi tasarlanmış ve mayının önünde durarak, bu mayının gerçek veya sahte mayın olup olmadığı anlaşılması istenmiştir. Bu işlemden sonra cihaz, takip ettiği kenarın en yakın kısmına gelerek, tekrar yoluna devam etmesi amaçlanmıştır. Bu süreç içinde de insansız kara aracının, beşinci ve son mayın için kullanacabileceği tüm aralıklar hesaplanarak, en büyük aralık değerinden cihazın geçmesi için hesap yapılmıştır. Cihazın son mayını tespit edereka ardından bitiş konuma geri gelmesi planlanmıştır. Bunun yanında, robota ait üstten görünüş Şekil 7 de, yandan görünüş Şekil 8 de görülebilir. Şekil 7 Robot Üstten Görünüş Şekil 8 Robot Yandan Görünüş 6. SONUÇLAR Bu bildiride, insansız bir kara mayın tarama aracının ön tasarımı ve işleyişi kısaca anlatılmıştır. Buna göre, arazinin (platformun) yukarıdan çekilen bir fotoğrafı ile, yüzey üzerindeki mayınların tespiti yapılmaktadır. Araca gönderilen komutlar ile mayınların yerleri ve onlara nasıl ulaşılacağı ile ilgili veri aktarımı yapılmaktadır. Bu mayınlar, robot ile tek tek incelenerek gerçekten mayın olup olmadıklarına bakılmakta ve durumları belleğe kayıt edilmektedir. Araç, platform üzerindeki tüm mayınları gezdikten sonra belirtilen varış noktasına gelmekte ve kablosuz veri transferi yoluyla kullanıcıya mayınların gerçek ya da sahte olup olmadıklarını bildirmektedir. Sistem tasarımı yapıldıktan sonra, belirtilen kısıtlardan dolayı en kısa sürede cihazın belirlenen mayınlara hiç çarpmadan tümünü gezerek, bunların gerçek olup ya da olmadıkları 15

8 ile ilgili bilgiyi %90 üzerinde bir doğrulukla kullanıcıya ilettiği görülmüştür. İleriki çalışmalarda, sistem için verilen kısıtların genişletilmesi ve daha fazla sensör kullanımı ile bu oranın daha da yükseleceği tahmin edilmektedir. KAYNAKÇA [1] C. Akif, P. Nurdan, C. Mehmet, S.Tahir, (2008), BOMBA İMHA VE MAYIN TARAMA ROBOTU, OUS Teknik Eğitim Faküteleri VII. öğrenci Sempozyumu,. [2] Gros B, ve Bruschini C.,(1996), Sensor technologies for the detection of antipersonnel mines a survey of current research and system developments, (ISMCR 96), Brussels [3] K.Langer, (1996), A Guide To Sensor Design For Land Mine Detection, Detection of abandoned land mines Conference Publication IEEE, No.431, pp [4] O.Kalender, (2008), Geçmişten Günümüze Mayın Belirleme Çalışmaları ve Manyetik Anomali Yöntemi ile Kara Mayınlarının Belirlenmesi, Politeknik Dergisi, Cilt 11, Sayı:1 Sayfa:1-8, [5] Siegel, R. (2002) Land mine detection, Instrumentation & Measurement Magazine, IEEE, Issue: 4, pp [6] Paik, J., Lee, C. P., Abidi, M. A., (2002), Image Processing-Based Mine Detection Techniques: A Review Subsurface Sensing Technologies and Applications, Volume 3, Issue 3, pp