MKT2012,Proje Tabanlı Mekatronik Eğitim Çalıştayı, Mayıs 2012, Çankırı-Ilgaz, TÜRKĐYE

Transkript

1 .NET MICRO FRAMEWORK PLATFORMUNDA ZEKĐ DENETĐMLĐ ÇĐZGĐ ĐZLEYEN ROBOT TASARIMI INTELLIGENT CONTROLLED LINE FOLLOWER ROBOT DESIGNING IN THE.NET MICRO FRAMEWORK PLATFORM Öğr. Gör. Ahmet ALBAYRAK, Sinop Üniversitesi Ayancık Meslek Yüksekokulu, Sinop Öğr. Gör. Đsmail MERSĐNKAYA, Sinop Üniversitesi Ayancık Meslek Yüksekokulu, Sinop Kemal MAŞALI, Sinop Üniversitesi Ayancık Meslek Yüksekokulu, Sinop Eslem Erva YILMAZ, Sinop Üniversitesi Ayancık Meslek Yüksekokulu, Sinop Elif TOPATAR, Sinop Üniversitesi Ayancık Meslek Yüksekokulu, Sinop ABSTRACT In this study, intelligent controlled line following is designed and produced. The rules of racing line following prepared in accordance on the road experiments have been made. Intelligent control as a method proportional-integrated-derivative (PID) used. According to information from sensor that produced PID value as pulse width modulation is applied to engines. Fez Panda II development board had been used as control element of the system. There is 32 bit ARM7 processor over development board. Development board a compatible card to.net Micro Framework technology. System software, C# programming language with Visual C# 2010 Express platform developed. ÖZET Bu çalışmada zeki denetimli çizgi izleyen robot tasarlanmış ve geliştirilmiştir. Çizgi izleyen yarış kurallarına uygun hazırlanan yol üzerinde denemeler yapılmıştır. Zeki denetim yöntemi olarak Oransal-integral-türev (PID) kullanılmıştır. PID değeri algılayıcıdan gelen bilgiye göre üretilerek darbe genişlik modülasyonu (PWM) olarak motorlara uygulanmaktadır. Sistemde denetim elemanı olarak Fez Panda II geliştirme kartı kullanılmıştır. Geliştirme kartı üzerinde 32 bit ARM7 işlemci bulunmaktadır. Geliştirme kartı.net Micro Framework teknolojisine uyumlu bir karttır. Sistemin yazılımı, C# programlama dili ile Visual C# 2010 Express platformunda geliştirilmiştir. 1

2 1- GĐRĐŞ ARM(Advanced Risc Machine) işlemciler çip gibi taşınabilir cihazlar, otomasyon sistemleri, robotik ve diğer tüketici elektroniğinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. ARM işlemcileri komutlar için 2 adet 16 Kbyte, 32 yollu önbelleğe sahiptir. Geleneksel mikrodenetleyiciler (PIC) 8 bitlik mimariye sahip olup düşük işlem hızında çalışmaktadırlar. PIC lere nazaran ARM işlemciler daha hızlı işlem yapma ve güç tüketiminin önemli olduğu ortamlarda daha fazla tercih edilmektedirler[1]. Son zamanlarda robotik bilimine duyulan ilgi artan bir şekilde devam etmektedir. Çocukların teknolojiye alışmalarında ve teknoloji ile birlikte öğrenmelerinde robotlar çok iyi birer araç olmaktadır. Çocuklar robotlarla etkileşimli oyunlar sayesinde teknolojiyle erken yaşta tanışmış olmaktadırlar[2]. Birçok insan mobil robotlar geliştirmekte ve özelliklede çizgi izleyen yarışmalarına katılmaktadırlar. Bir çizgi izleyen robot yapmak için programlama, dijital ve analog elektronik, sürücüler ve robotik alanlarında bilgiye sahip olmak gerekmektedir. Çizgi izleyen robotlar çok pratik uygulamalardır. Örneğin lojistik uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Yollar beyaz zemin üzerine çizilen siyah çizgi ile ya da zeminin altında bulunan elektrikli kablolar veya manyetik alanlarla belirlenmektedir. Neredeyse tüm çizgi izleyen robot uygulamaları siyah ya da beyaz çizgiyi arka planı karşıt renk olmak koşuluyla kullanır. Bunun nedeni karşıt iki renk kombinasyonunun daha kolay programlanmasıdır[2]. Microsoft.Net Micro framework ü Smart Personal Object Technology (SPOT) adı altında geliştirmiştir. Microsoft un.net Framework, C# dili ve Visual Studio ile birlikte gömülü sistemlerle uğraşan mühendis ve programcılar için daha fazla seçenek ve tasarımlar sunmaktadır. Window CE (Compact Edition) ve diğer gömülü işletim sistemleri aksine.net Micro Framework düşük güç ve daha düşük maliyet ile ARM7, ARM9 ve Blackfin işlemcilerde kullanılabilir. Micro Framework sadece birkaç yüz kbyte Ram ve Flash/Rom belleğe gereksinim duyar..net Micro Framework programlama için C# dilini sunmaktadır. C# dili kolay öğrenilebilir olması ve C temelli olması sebebiyle programcılar için son yıllarda daha fazla tercih edilmektedir. Gömülü sistemler için uygun mimari olan.net Micro Framework giderek yaygınlaşan bir şekilde kullanılmaktadır. Gömülü sistem geliştirme kartları tasarlayan firmalarda Micro Framework teknolojisine uygun kartlar geliştirmeyi hızlandırmışlardır[2]. PID etkili denetim modern endüstride çok geniş bir kullanım alanı olan, lineer olduğu gibi lineer olmayan tüm sistemler için de uygulanabilen, en çok bilinen ve en yaygın olarak kullanılan denetim metodudur. Üç temel denetim etkisinin üstünlüklerini tek bir birim altında birleştiren bir denetim etkisidir. Integral etkide sistemde ortaya çıkabilecek kalıcı durum hatası sıfırlanırken, türev etkiyle birlikte sistemin kararlılığı ve cevap hızı artmaktadır. Buna göre PID denetim metodu, sistemde sıfır kalıcı durum hatası barındıran, sistemin hızlı ve kararlı cevap vermesini sağlayan P ve PI kontrol etkilerinin üstünlüklerini bir arada barındıran etkin ve en çok tercih edilen denetim uygulamasıdır[3]. Mobil robotların kontrolü temel olarak yolun planlanması, yolun izlenmesi ve robotun dizaynı ile ilgilidir. Yolun izlenmesi, istenilen yolu takip ederek hedefe hızlı varmayı amaçlamaktadır. Geleneksel kontrol metotları PID, uzman sistem, bulanık mantık ve yapay sinir ağları olarak bu amaçla kullanılabilir[2]. 2

3 Đz takibi önemli bir konu olması yanında aynı zamanda gerçek dünyada bir problem olarak görülmektedir. Bu problemi çözmek yolu en yüksek hızda takip etmek ve doğru hedefe ulaşmak için denetim algoritmaları kullanılabilir. Bu çalışmada endüstride çok yaygın bir şekilde kullanılan PID denetleyici ile iz takibi yapılmıştır. 3 tane algılayıcı ile yolun ortasındaki çizgi takip edilmiştir. 2 tane algılayıcı da yolun kenarındaki çizgileri kontrol etmektedir. 2- MATERYAL VE YÖNTEM Bu çalışma için Fez panda II mikro framework destekli ARM işlemcili geliştirme kartı denetim elemanı olarak kullanılmıştır. GHI elektronik firmasının ürettiği geliştirme kartı 72 Mhz çalışma hızında LPC2387 mikrodenetleyicisini barındırmaktadır. 32 bit ARM7 mikrodenetleyici 512 Kb belleğe sahiptir. Dijital girişler haricinde 6 adet donanımsal PWM (Pulse Width Modulation), 6 adet analog giriş ve 2 adet Can (Control Area Network) girişlerine sahiptir. Visual Studio 2010 platformunda C# yazılım diliyle kolaylıkla programlanabilir. Đşlemcinin kendi kaydedicilerine erişim imkânı sunması da daha kapsamlı kod yazımına imkân vermektedir[4]. Yoldaki çizgiyi algılaması için CNY70 kızılötesi algılayıcı kullanılmaktadır. Algılayıcı yolladığı ışığın yansıyıp yansımadığına bakarak renk algılaması yapmaktadır[5]. Algılayıcının çıkışı geliştirme kartının dijital girişlerinden okunmaktadır. Şekil 1 de çizgi izleyen blok diyagramı verilmektedir. Şekil 1. Çizgi Đzleyen Blok Diyagram. Çizgi izleyen tüm enerjisini lityum polimer pillerden almaktadır ma lik iki adet 3 hücreli 11.1 v luk piller kullanılmıştır. Motorlar 12V 1500 RPM redüktörlü küçük motorlardır. PWM ile 3

4 sürülen bu motorlar hızlı hareket ve dönüş için en yaygın kullanılan motorlardandır. LMD18200 motor sürücü entegresi ile çizgi izleyenin motorları sürülmektedir. LMD18200 entegresi 3A lik akıma kadar motorları sürebilmektedir[6]. LMD18200 entegresinin çalışması için gerekli değerler Çizelge 1 de verilmektedir. Çizelge 1. LMD18200 Çalışma Şekli[4]. PWM Yön Fren Motorun Durumu Motor geri doğru döner Motor ile doğru döner. 0 X 0 Motor durur Motor durur Motor durur. 0 X 1 Motor durur. Çizgi izleyen robotun performans uygulaması için yarışmalara uygun şeklinde mikadan bir pist oluşturulmuştur. Oluşturulan pistin uzunluğu 12 metredir. Tasarımı yapılan çizgi izleyen şekil 2 de verilmektedir. Şekil 2. Çizgi Đzleyen Robot. Çizgi izleyen öğrencilerin ilk robot tasarımlarında, yazdıkları kodların ne kadar etkili çalıştığını görmeleri açısından ve yarışma mantığı içerdiği için öğrencilerin motivasyonunu artıran bir uygulama olarak görülebilir. Çizgi izleyenin yolu kısa sürede tamamlaması ve çizgiden sapmaması için geliştirilen algoritmada zamana bağlı olarak algılayıcılar okunmaktadır. Okunan 4

5 bilgiye göre PID değeri üretilmektedir. PID değeri aynı zamanda motorlara yüklenecek olan PWM değeri olmaktadır. Pist üzerinde bulunan dönüşlerde çizginin eğriliğine bağlı olarak PWM değeri azaltılmaktadır. Böylece robotun keskin virajlarda devrilmesinin önüne geçilmiş olmaktadır. Şekil 3 de çizgi izleyen robot için geliştirilen yazılımın akış diyagramı verilmektedir. Şekil 2. Çizgi Đzleyen Akış Diyagramı. PID değeri hesaplanırken oransal sabit (Kp), integral sabiti (Ki) ve türev sabiti (Kd) belirlenmelidir. Yapılan denemeler sonucunda uygun sabit değerler bulunmuştur. Bu değerler şöyledir; Kp = 0,15, Ki = 0,75 ve Kd = 0,45. Bulunan sabit değerler program çalıştığı sürece her t anında PID hesabında kullanılmaktadır. 3- SONUÇ Günümüzde dünyada ve Türkiye de çizgi izleyen robot yarışmaları oldukça yaygınlaşmış durumdadır. Robot uygulamalarında ilk aşamada yapılabilecek kolay ve zevkli bir çalışma olan çizgi izleyen robotlar öğrencilerin motivasyonunu artırmaktadır. Micro Framework destekli C# ortamında yazılan kod ile programcılığın gerçek dünyaya nasıl yansıdığı görülmektedir. Zeki kod yazma ve zeki kontrol uygulamaları bu çalışmada denenmiştir. 5

6 KAYNAKÇA [1] Ayob A. M., Zakaria F. M., 3WD omni-wheeled mobile robot using ARM processor for line following application, Industrial Electronic and Applications, [2] Song B., Zhang Y., Cheng J. ve Wang J., Path Following Control of a Mobile Robot via Line of Sight Method, 2th International Conference on Intelligent Human Machine Systems and Cybernetics, [3] Albayrak A. Uzman Sistem Denetimli Arı Kovanı Tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük Üniversitesi, [4] Fez Panda II Geliştirme Kartı, USBizi/USBizi_User_Manual.pdf, (Erişim Tarihi : ). [5] CNY70 Algılayıcı, (Erişim Tarihi : ). [6] Koçak E., Bayır R., Design and Implementation Oil Wrestling Robot, 5. Uluslararası Đleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), Karabük,