MOBİL ROBOTLAR İÇİN TARAMA PLATFORMUNUN TASARIMI VE UYGULAMASI G. ASLAN 1, İ. KONUKSEVEN 2, A. B. KOKU 3 1 gokhan.aslan@msn.com ODTÜ Makna Mühendslğ Bölümü 06531 Ankara 2 konuk@metu.edu.tr, 3 kbugra@metu.edu.tr ÖZET Navgasyon çn çevre hakkında blg sahb olmak büyük br avantajdır. Doğru tepk vereblmek çn çevre hakkında edlen blg mümkün olduğunca görevlendrme sırasında olmalıdır. Robotlar krl ortamlarda, tehlkeye yerlerde yada tamamen güvenl yerlerde farklı görevler çn kullanılmaktadırlar. Robot kullanımı çn, çevre tarama yetenekler günümüzde oldukça sınırlıdır. Tarama sstemler sınırlamalara bağlı kalarak, ortamı belrl br düzeyde tarar ve uygun yazılım le şekllendrr. Bazı durumlarda, bu tarama kablyet düzgün br reaksyon çn yeterl değldr. Bu makale, htyaçları göz önüne alarak, mobl robotlar çn br tarama platformunun tasarım ve uygulamasını göstermektedr. Bu çalışmada, br lazer mesafe ölçücü le kompakt tasarımlı tarama platformu maksmum görüş açısı le yüksek çözünürlükte hızlı hartalama çn ele alınacaktır. Tasarım le mesafe bulucu z-eksennde döndürülerek brnc boyutu sağlayacak, lazer mesafe bulucu se sstemn knc boyutu çn mesafe ölçümü yapacaktır. Ayrıca, mesafe bulucu lazer ışığını mesafe ölçüm eksen ve dönen z-eksennden farklı olarak başka br eksende döndürmektedr. Bu şeklde, tarama sstem, üç boyutlu br tarama yeteneğne sahp olacaktır. Bu tasarım le, üç boyutlu olarak tarama platformuna, sürekl tarama kablyet sağlanması amaçlanmıştır. Anahtar Termler: Laser mesafe bulucu, üç boyutlu mesafe bulucu, üç boyutlu tarama ABSTRACT It s a great advantage of ganng knowledge about the envronment for navgaton. The envronment should be measured durng the employment as exactly as possble, n order to be able to react correctly. Robots are beng used for dfferent tasks at contamnated envronments, places n danger or completely safe places. For robotc use, scannng capabltes of the envronment are lmted at the present. Adherng to the lmtatons of the scannng systems, the envronment s scanned at a partcular level and charted wth approprate software. In some cases, ths scannng capablty s not enough to react correctly. Takng these needs nto consderaton, ths paper demonstrates the desgn and mplementaton of a scannng platform for moble robotcs. A scannng platform wth a laser rangefnder scanner wll be addressed n a compact desgn wth maxmum feld of vew for quckly mappng and hgh resoluton. Wth ths desgn, the scannng system wll be provded by rotatng laser rangefnder at z-axs n one dmenson. Laser rangefnder wll also measure the dstance as the second dmenson of the system. Also t rotates the laser beam at another axs whch s dfferent from the measurng dstance axs and rotary z-axs. In ths way, the scannng system wll have the threedmensonal scannng ablty. Ths desgn allows the scannng platform, contnuous scannng capablty at three dmensonal. Key Words: Laser Rangefnder, 3D Rangefnder, 3D Scannng 240
1. GİRİŞ Mesafe bulucular 30 yılı aşkın süreyle çeştl uygulamalarda kullanılmaktadırlar. Bu sensörlern günümüzde kompakt olarak tasarlanması br çok uygulamada kullanılmalarına olanak tanımaktadır. Genelde robot uygulamalarında kullanılan mesafe bulucular, kullanıldıkları robotlara üç boyutlu görüş açısı sağlayarak, kendlerne atanan görevler en y şeklde yapmalarını sağlamaktadır. Üç boyutlu görüş açısını kullanan otonom robotlar çn görüşü sağlayan üç boyutlu mesafe ölçümünün yüksek doğruluk ve hassasyette çalışması oldukça önemldr. Bu sebeple kullanılacak mesafe bulucu ve tarama mekanzmasının seçm oldukça krtktr. Mesafe ölçümü çn tcar olarak satılan oldukça fazla sensör vardır. Bu alanda kullanılan sensörlern neredeyse tamamı tme of flght [1] yöntemn kullanarak lgl ölçümü hassas br şeklde yapmaktadır. Bu method le çalışan sensörler mesafey, çeştl dalga boylarında gönderdğ lazer ışığının ger dönme süresnden faydalanarak hesaplamakta ve son kullanıcıya vermektedr. Üç boyutlu mesafe ölçümü yaparak yüksek görüş açısı le uzun mesafe tarama blgs sağlayan tarama platformlarının, fyatlarının yüksek olması yanında çok ağır ve robot uygulamaları çn yavaş olması, bu alanda kullanılmalarını mkansız kılmıştır. Günümüzde k boyutlu olarak mesafe ölçümü yapan sensörlere, tarama eksenlernden farklı olarak ek br dönme eksen daha yaratmak suretyle, üçüncü tarama boyutu kazandırılmakta ve robot uygulamalarında kullanılablmektedrler. Lteratürde oldukça yaygın olarak kullanılan bu yöntemde se tarama platformunda kullanılan mekanzmaların görüş açısını oldukça sınırlandırdığı ayrıca tespt edlmş ve daha yüksek görüş açısı çn uygun tarama mekanızmanısının gelştrlmes bu makalede belrtldğ gb tamamlanmış ve uygulanmıştır. Şekl 1. Araştırma Aracı Marge [2] 180 görüş açısına sahp, k boyutta dernlk vers sağlayan SICK LMS sers mesafe bulucular, robotk platformlarda oldukça yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Tarama eksennden farklı olarak, bu mesafe ölçücülere sağlanan ek br dönme eksen, mekanzmanın zn verdğ ölçüde görüş açısını üçüncü boyutta sağlmaktadır. Bu sensörlern dış ortamda kullanılablyor olması ve uzun menzl bu alanda popüler olmasına sebep olmuştur. 241
Şekl 2. Üç Boyutlu Mesafe Bulucu [3] Lteratürde de yaygın olarak çalışmaları yapılmış olan SICK LMS sers sensörlere farklı eksenlerde sağlanan dönme kablyetler htyaç duyulan görüş açısını daha da yleştrme amaçlıdır. Şekl 3. Sck LMS Sers Üç Boyutlu Ver Bulutu Görüntüsü [3] Dönme eksenler ne kadar değştrlrse değştrlsn, mekanzma tarafından 360 lk tam br dönme kablyet sağlanmadıkça, görüş açısını arttırmak mümkün değldr. SICK LMS sers mesafe bulucuların yanında, son yıllarda, ç ortamlarda oldukça yaygın olarak HOKUYO URG sers mesafe bulucuları kullanılmaktadır. Şekl 4. HOKUYO URG-04LX ve Redpack [4] 242
HOKUYO URG sers mesafe bulucuları SICK LMS sersnden farklı olarak k eksende 240 lk görüş açısı le tarama yapmaktadır. Bunun yanında SICK LMS sersne göre oldukça haff ve boyutlarının küçük oluşu, boyutsal olarak brçok robot platformunda kullanılablrlğn arttırmıştır. Tüm bu avantjlarının yanında, HOKUYO URG-04LX (Şekl 4) mesafe bulucunun dış ortamda kullanıma, güneş ışığının olumsuz etkler sebeb le uygun olmaması ve etkn ölçüm uzaklığının 4000 mm le sınırlı olması uygulama alanını daraltmaktadır. Şekl 5. HOKUYO URG-04LX le Üç Boyutlu Tarama [5,6,7] Üç boyutlu ver bulutunu daha büyük br görüş açısı le elde etmek çn, HOKUYO URG sers mesafe bulucular tarama eksenlernden farklı olarak dğer br eksende döndürülmüş ve bu çalışmalar lteratürde de yer bulmuştur. Bu çalışmalar ncelendğnde, kullanılan dönme mekanmasının belrl br açıya kadar döndürülebldğ ve daha sonra mevcut kablo bağlantıları sebeb le ger döndürülmek zorunda olduğu görülmüştür. Şekl 6.HOKUYO URG-04LX Tarama Alanı [8] 240 lk görüş açısı le k eksende tarama kablyetne sahp HOKUYO UR-04LX sensörü kullanılarak ve tarama eksennden farklı olarak br dönme eksen tanımlanarak üç boyutlu br tarama yapmak mümkün gözükmektedr. 120 lk taranamayan alan se ayrıca üzernde düşünülmes gereken ve tasarım krterlernde yer alması gereken br husustur. 2. SİSTEM TASARIMI Üç boyutlu tarama platformu tasarımımda kullanılacak sensör HOKUYO UR-04LX olarak seçlmştr. Mobl robotların daha çok ç ortamlarda kullanılması ve boyutlarının küçük olması bu seçmde etken rol oynamakla brlkte, HOKUYO nun sahp olduğu 240 lk görüş açısı asıl seçm sebebn oluşturmaktadır. 243
Mesafe bulucunun yerleştrlme eksen, tarama platformu çn oldukça krtktr. Taranamayan 120 lk alan altta kalacak şeklde yerleşm yapılmış ve Şekl 7 de gösterldğ gb sensörün kend tarama eksennden farklı br dönme eksen sağlanarak üç boyutlu tarama kablyet kazandırılmıştır. Şekl 7. Mesafe Bulucunun Yerleştrlmes Tarama platformuna, lteratür çalışmalarına yansıyan tasarımlarda sağlanamayan sürekl dönme kablyet sağlanmış ve buna ek olarak yüksek hızlarda da tarama kablyet verlmştr. Tüm bunlara ek olarak, gelştrlen tasarım, mesafe bulucunun tarama pozsyonunun yüksek hassasyette blnmesne mkan tanımıştır. Gerektğnde taranacak hacmn seçleblmes, gerektğnde se daha yüksek çözünürlükte tarama mkanı sağlaması tarama platformunun ek özellkler arasında yer almaktadır. Şekl 8. Tarama Platformunun CAD Model Tarama platformu yukarıda bahsedlen tasarım krterler göz önüne alınarak CAD ortamında tasarlanarak çzlmştr. Eldek üretm mkanları göz önünde bulundurularak yapılan tasarımda, tüm parçaların (şaft ml harç) lazer kesmde uygun boyutlarda kestrlerek, alıştırma şlemler sonrası kolayca montajının yapılableceğ şeklde br tasarım düşünülmüştür. 244
Yapılan tasarımda slprng ve motora bağlı br enkoder, mesafe bulucunun amaçlanan tarama kablyetn yerne getreblmes çn krtk öneme sahptr. slprng dönme hareket sırasında elektrksel bağlantıları dönen platforma kadar letmekte ve 500 rpm hıza kadar sağlıklı br bçmde çalışablmektedr. Dönme sırasında herhang br kesnt olmadan ve her k yönde de başarı le dönerken elektrksel aktarımı yapablmektedr. Enkoder se platformun 360 lk tek br dönüşü çn 190000 pulse üretmekte ve yüksek hassasyette açısal pozsyon vers sağlayablmektedr. Motor ve elemanları (dşl, enkoder), slprng ve şaft mlnn sağ yanında kalacak şeklde (Şekl 8) yerleştrlp kayış kasnak le sensörün monte edldğ döneblen platforma bağlanmıştır. Bu sayede platform şaft ml kullanılarak doğrudan sürülmemş, kayış kasnak yöntem le yan ve üst taraftan tahrk edlmştr. Bu da tarama platformunun yükseklğnn kayda değer şeklde azalmasına mkan tanımıştır. Kayış kasnak zamanlı tpte seçlmş bu sayede enkoder versnn redüksyon oranı göz önüne alınarak brebr uyuşması sağlanmıştır. Eksenel ve radyal yükler alablmes çn FAG marka 62 sers rulmanlar kullanılarak, düşük sürtünme kuvvetler ve uzun ömür gb tasarım krterlerde göz önünde bulundurulmuştur. Şekl 9. Patlatılmış CAD Model Şekl 9 da patlamış CAD model gösterlen tarama platformunun öneml olduğu düşünülen parçalarının lstes aşağıdak gbdr: 1. Hokuyo URG-04LX mesafe bulucu, 2. Kayış kasnak destek pulu, 3. Rulman, FAG 6206, 4. Kasnak, 60 dş, T5 adım, 5. 6 kanallı slprng, 6. Tarama platformu yan desteğ, 7. Şaft Ml, 8. Rulman yatak pulu, 9. Denge ağırlığı, 10. Mesafe bulucu yerleşm platformu, 245
11. Kasnak, 12 dş, T5 adım, 12. Motor dşls, 13. Fırçalı DC motor, 14. Enkoder, 15. Tarama platformu desteğ, 16. d-sub 15 pn konektör, 17. Rulman, FAG 6201, 18. Tarama platformu desteğ, 19. Rulman yatak pulu. 3. UYGULAMA Mesafe bulucu slprng üzernden htyaç duyduğu elektrksel gücü alırken, topladığı mesafe verlern yne slprng üzernden blgsayara göndermektedr. Motor sürücüsüde aynı güç kaynağından beslenerek motor ve enkodere elektrksel güç sağlamakta aynı zamanda enkoderden gelen pozsyon versn de blgsayara aktarmaktadır. Motor br potansyometre yardımı le sürücü üzernden voltaj modunda sürülmektedr. Tarama platformunun elektrksel bağlantı şeması Şekl 10 da gösterlmştr. Şekl 10. Tarama Platformu Bağlantı Şeması Üç boyutlu tarama platformunun lgl elektrksel bağlantıları yapılmış, CAD ortamında tasarlanan parçalar ürettrlmş ve montajı tasarlandığı gb yapılmıştır (Şekl 11). Şekl 11. Üç Boyutlu Tarama Platformu Platformun en alt destek parçası pleksglas yüzeyne monte edlmş ve bu sayede br robot platformuna montajı smule edlmştr. 246
Şekl 12. Kontrol Ortamı Tarama platformu bağlantılarını, montajını ve çalışan mekank aksamlarını şlevsel olarak doğrulamak amacı le, Şekl 12 de gösterlen 60cmx60cmx60cm lk ±1 toleransı le br kutu üretlmş ve bu kutu üç boyutlu olarak taranarak sonuçlar analz edlmştr. Bu tarama le toplanan üç boyutlu dernlk vers, enkoderden gelen yüksek çözünürlükte pozsyon verler le senkronze olarak alınarak kartezyen kordnat sstemne dönüştürülmüştür. Bu dönüşüm çn kullanılan formülzasyon aşağıdak gbdr: x r.cos.cos (3.1) y r.cos.sn (3.2) z r.sn (3.3) Sembol açıklamaları aşağıda verlmştr: r : Mesafe bulucu tarafından gönderlen dernlk vers (mm), : Mesafe bulucu tarama açısı (radyan), : Tarama platformunun dönme açısı (radyan). Bahs geçen enkoder pozsyon vers ve mesafe bulucu tarafından gönderlen dernlk vers Lnux Ubuntu arayüzü le çalışan blgsayarda ROS (Robotc Operatng System) tabanlı br yazılım le gerçekleştrlmştr. Elde edlen verler denklem (3.1), denklem (3.2) ve denklem (3.3) kullanılarak Matlab da şlenmş ve uygun çzm programında çzdrlmştr. Şekl 13.Kontrol Ortamı ve Çzdrlmş Üç Boyutlu Dernlk Vers 247
Dönüşüm formülüzasyonu le her nokta çn elde edlen x,y ve z değerler kullanılarak kutunun üç boyutlu olarak çzm uygun yazılım programı kullanılarak çzdrlmş ve Şekl 13 de gösterlmştr. Çzdrlen dernlk vers ncelendğnde şekl olarak kontrol ortamıyla oldukça fazla uyuşan br çzm ortaya çıkmışsa da, köşe ve kutu yüzeylernde aynı çzg üzernde olmayan verlern olduğu görülmektedr. Bu durum sonuç bölümünde ayrıca rdelenecektr. Kontrol ortamına ek olarak Orta Doğu Teknk Ünverstes Makna Mühendslğ Bölümü nde yer alan br kordor ayrıca taranmış ve Şekl 14 te gösterlmştr. Şekl 14. Kontrolsüz Ortam Taraması ve Çzm Kontrolsüz ortam taraması ncelendğnde se mesafe bulucunun etk alanı dışında kalan görüş açısı çn herhang br ver gelmedğ ve önü açık br alan olarak çzdrldğ gözükmektedr. Bunun yanında hatalı verlern geldğ de ayrıca tespt edlmştr. 4. SONUÇ İk boyutta 240 görüş açısına sahp br adet laser mesafe bulucu kullanılarak 360 y sürekl dönerek kesntsz tarayablen üç boyutlu tarama platformu tasarlanmış, üretlmş ve şlevsel olarak denenmştr. Kullanılan chazlar le platformun dönme açısı çn 360 /190000 lk br çözünürlük değer ve sensörün kend teknk özellğnden gelen 360 /1024 lük çözünürlük değer se sensörün tarama eksennde ayrıca sağlanmıştır. Kullanılan slprng sayesnde uygun br motor le 500 rpm e kadar çıkablen tasarım oldukça yüksek hızlarda, kısa sürede etkn br taramaya mkan kılmaktadır. Mevcut tarama platformunda, laboratuvarda mevcut bulunan, 450 rpm e kadar çıkablen br fırçalı DC motor kullanılmış, kayış kasnak redüksyon oranı sebeb le bu değer 90 rpm e kadar düşmüştür. Tarama platformunun özgün tasarımı sayesnde kullanılan mesafa bulucunun ve motorun daha y br model le 248
değştrlmes le hem dernlk ölçüm mesafes artırılablmekte hem de dönüş hızı 500 rpm e kadar yükseltleblmektedr. Platformun taban destek plakasının değştrlmes veya modfye edlmes le stenlen her türlü robot platformuna montajı kolayca yapılablecek br sstem tasarlanmıştır. Tamamı alümnyum malzemeden (şaft ml ve cvata-somun harç) üretlmş olup, tarama platformunun tüm ağırlığı 5000 gr dan azdır. Bu değer sadece k boyutta tarama yapablen SICK LMS sers mesafe bulucunun tek başına ağırlığı kadardır. Kontrollü ve kontrolsüz ortam taramalarında elde edlen çzm sonuçlarında görülen hatalar, HOKUYO URG-04LX mesafe bulucunun ±10 mm doğrulukta ölçüm yapablmesnden kaynaklanmakla brlkte, yüzeylerden kaynaklı ekstra yansımalarda gelen vernn doğruluğunu olumsuz yönde etklemektedr. Bunun yanında kullanılan dönüşüm formülünün senkronzasyonunda da farklı yaklaşımların gelştrlmes kontrol ortamı le daha y uyuşacak verlern gelmesne olanak tanıyacaktır. Sonuç olarak, 240 x360 görüş açısına sahp 90 rpm dönüş hızına çıkablen, yüksek çözünürlükte kontrol sağlayablen, gerektğnde özel br tarama alanına uygun yazılım le yönlendrleblen, htyaç halnde daha y mesafe bulucular le mevcut bulucunun değştrlmes yoluyla tarama mkanı sağlayablen üç boyutlu tarama platformu tasarlanmış, üretlmş ve denenmştr. 5. KAYNAKÇA [1] NITZAN, D., Three-dmensonal vson structure for robot applcatons, IEEE Transactons on Pattern Analyss and Machne Intellgence PAMI-10, pp. 291-309, May 1988. [2] JOHN F. Ready. Industral Applcatons of Lasers, Academc Press, New York, 1997. [3] CHRISTIAN B., OLIVER W., BERNARDO W.., Usng 3D Laser Range Data for SLAM n Outdoor Envronments, Intl. Conference on Intellgent Robots and Systems Las Vegas, Nevada, October 2003 [4] RAYMOND S., NAWID J., M. WALEED K., CLAUDE S., A Low - Cost, Compact, Lghtweght 3D Range Sensor, School of Computer Scence & Engneerng The Unversty of New South Wales Sydney, Australa, 2006 [5] TATSURO U., HIROHIKO K., TETSUO T., AKIHISA O., SHIN ICH Y., Vsual Informaton Assst System Usng 3D SOKUIKI Sensor for Blnd People, Intelgent Robot Laboratory, Unversty of Tsukuba,2006 [6] ANDREW ALAN C., Development of an Obstacle Detecton System for Human Supervsory Control of a UAV n Urban Envronments, Department. of Mechancal Engneerng, Vrgna Tech, December 4, 2007 [7] ANDRES E. MORA V.S, KENZUKE M., DAISUKE E., ERIC R., KEIJI N.I, KAZUYA Y., Development of a Networked Robotc System for Dsaster Mtgaton, Department of Aerospace Engneerng Tohoku Unversty, Senda, Japan, 2006 [8] Hokuyo, http://www.hokuyo-aut.jp/ndex.html, Son Erşm Tarh: 01.06.2012 [9] ROS (Robotc Operatng System), http://www.ros.org/wk/, Son Erşm Tarh: 01.06.2012 249