Fırat Üniversitesi-Elazığ LAZER MESAFE SENSÖRÜ İLE YÜZEY TARAMA SİSTEMİ Ali Kemal ŞEKER 1, Mehmet Fatih ÇAĞLAR 1, Fatih Ahmet ŞENEL 2, Volkan Emre UZ 3 1 Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği, Süleyman Demirel Üniversitesi 4l1k3m4l@gmail.com, fatihcaglar@sdu.edu.tr, 2 TARGENİK San. Tic. ve Ltd. Şti., Süleyman Demirel Üniversitesi, Göller Bölgesi Teknokenti, fatihahmet1@gmail.com 3 İnşaat Mühendisliği, Süleyman Demirel Üniversitesi vemreuz@sdu.edu.tr ÖZET Mühendislik projelerindeki fiziksel modeller ve bilgisayar destekli matematiksel modeller, oluşabilecek yeni durumlar hakkında önceden fikir vermesi açısından büyük öneme sahiptirler. Fiziksel modellerin üzerinde birtakım matematiksel algoritmaların uygulanabilmesi için bu modellerden örnekleme ve veri toplama yoluyla sayısal modellere geçiş yapmak da mümkündür. Bu amaçla, lazer mesafe sensörü kullanılarak yol üstyapısındaki tekerlek izi çökmesinin belirlenmesi için mekanik aksam, elektronik donanım ve yazılımdan oluşan bir sistem tasarlanmış ve modellenmesi istenen yüzey profillerinin bilgisayar ortamına aktarılması sağlanmıştır. Disiplinler arası çalışmalar sonucunda gerçeklenen tasarım, Süleyman Demirel Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Ulaştırma Laboratuarındaki deney düzeneği üzerinde test edilmiştir. Sonuçta, gerçeklenen sistem ile toplanan veriler kullanılarak tekerlek izi derinliği ve farklı yüzey profilleri laboratuar şartlarında uygun yol üstyapısı belirlenmesine yönelik hesaplanmış ve modellenmiştir. Anahtar Kelimeler: Lazer mesafe sensörü, yüzey profili, yol üstyapısı, teker izi, veri toplama, mikroişlemci, doğrusal vidalı modül 1. GİRİŞ Literatürdeki çalışmaların çoğu birtakım mesafe sensörleri ve benzer yöntemler kullanılarak karayolu üzerinde gerçekleştirilen ölçümlere dayanmaktadır. 1998-2007 yılları arasında, Finlandiya, Norveç, İsveç, İskoçya ve İzlanda gibi Avrupa kuzey ülkelerinin işbirliğinde birbirini takip eden üç ayrı yol profili belirleme ve geliştirme çalışması yürütülmüştür. Bunlar Roadex I, Roadex II ve Roadex III projeleridir. Bunlara son olarak J. Granlund ve arkadaşları tarafından yürütülen Roadex III projesi eklenmiştir. Günümüzde ise gerçekleme projesi Roadex IV devam etmektedir [1], [2]. Ayrıca 1990 lı yıllardan bu yana yaklaşık 60 ülkede yürütülmüş olan çalışmalar, yol ölçümü veri toplama sistemi (Road Measurement Data Acquisition System, ROMDAS) adı altında listelenmektedir [3]. Bu bağlamda pek çok uluslar arası bilgi paylaşımına yönelik etkinlik düzenlenmiştir. 2002 yılında, bu konularda yapılan bazı çalışmaların derlendiği ve karşılaştırıldığı, C. R. Bennett ve arkadaşları tarafından yazılmış olan Otomatik Tekerlek İzi Ölçümlerinin Uygunlaştırılması adlı bir rapor yayınlanmıştır. Bu raporda, verimli ve etkili ölçümlerin nasıl olması gerektiği ve farklı yöntemlerin tartışıldığı bilgiler ortaya atılmıştır [4]. 2006 yılında bu raporun devamı niteliği taşıyan H. Wang ve arkadaşları tarafından yazılmış olan Otomatik Tekerlek İzi Ölçümlerinin Uygunlaştırılması İkinci Kısım yayınlanmıştır [5]. Esnek yol üstyapısı tabakalar halinde inşa edilirler. En altta sıkıştırılmış doğal taban zemini ve bunun üzerine, yolun sınıfına ve yoldan geçecek trafik hacmine bağlı olarak, seçme malzemelerden inşa edilmiş yol tabakaları serilir. Bu tabakalar en alttan başlayarak; alt temel, temel ve kaplama tabakasıdır. Trafiğinde etkisi ile zaman içerisinde yol yüzeyinde deformasyonlar ve bozulmalar meydana gelebilir. Bu deformasyonlar yol konforunu azalttığı gibi, yol üstyapısının yapısal durumu hakkında da bilgi verici özelliktedir. Tekrarlanan tekerlek yükleri nedeniyle yol üstyapısında esnek ve kalıcı şekil değiştirmeler meydana gelir. Yol üstyapısında tekerlek altında oluşan bu kalıcı şekil değiştirmelere tekerlek izi denir [6]. Geliştirilen lazerli ölçüm sistemi ile laboratuar ortamında modellenen yol üstyapısı profilinden, tekerlek izinin sayısal değerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu sebeple, mekanik aksam, elektronik donanım ve yazılımlar bu ölçüm sisteminin ana parçalarını oluşturmuştur. Öncelikle ölçüm sisteminin ölçeceği büyüklükler ve çözünürlükleri tespit edilmiş, daha sonra sistemi oluşturacak parçaların birbirine uyumlulukları göz önüne alınarak bir sistem tasarlanmıştır. Tasarlanan ölçüm sistemi Ulaştırma Laboratuarında test edilmiş ve başarılı sonuçlar gözlenmiştir. 2. LAZER SENSÖRLÜ ÖLÇÜM SİSTEMİ TASARIMI İnşaat Mühendisliği, Ulaştırma Ana Bilim dalında karayolu projelerinde yer alan yol üstyapısı iyileştirme çalışmaları için fiziksel yol üstyapısı modellerinin bir takım testlerden geçirilmesi ve sonrasında verilerin bilgisayar ortamına aktarılması gereklidir. Bunun için yol profilleri çıkarılmaktadır. Yol profili, yol yüzeyinden hayali bir hat boyunca alınan iki boyutlu kesittir [7]. Profili oluşturmak için farklı sensör tiplerinden bir ya da birkaç tanesini kullanmak mümkündür. Önerilen ölçüm sisteminin blok diyagramı Şekil 1 de 56
görülmektedir. Lazer mesafe sensöründen gelen analog veri toplama kartı içeren cihaz ile sayısallaştırılıp bilgisayara veri olarak kaydedilmektedir. Lazer sensörü yatayda hareket ettiren bir motor sürücü devresi ise mikroişlemci tarafından sürülmektedir. 2.1. Mesafe Sensörleri Şekil 1: Sistemin blok şeması Farklı tip sensörlerde dalga boyu, ölçüm mesafesi ve algılama hızı gibi özellikler farklılık göstermektedir. Çalışmada tercih edilen lazer mesafe sensörü, Baumer marka µm hassasiyetle mesafe ölçebilen, 0,9ms den daha az sürede tepki veren ve kırmızı lazer LED özelliklerine sahiptir. Bu sensörün sistem üzerine montajlı hali Şekil 2 de görülmektedir. 2.1.3. Taramalı lazerler Lazer sensörlerde yakın zamanda kullanıma sunulmuş bir teknolojidir. Sürekli hat biçiminde ölçüm almak için uygundur [4], [5]. 2.1.4. Optik sistemler Lazer hatların yansıtıldığı yüzeylerden kameralar yardımıyla görüntü alınmaktadır. Bu görüntülerden bir takım fotografik teknikler yardımıyla mesafeyi belirlemek mümkün olmaktadır [4], [5]. 2.2. Lazer Sensörden Veri Toplanması Sensör çıkışında üretilen, 0-10V arasında değişen analog (sürekli) gerilim işaretini bilgisayar veri tabanına aktarıp anlamlandırabilmek için bir veri toplama cihazına ihtiyaç vardır. Veri toplama cihazları girişteki analog sinyalden örnekleme yaparak sayısal yolla bilgisayara aktaran cihazlardır. Veri toplama cihazının veri aktarım protokolleri (örneğin RS232, RS485, USB vb.) ve örnekleme hızlarının kullanıldıkları projeye uygun olması istenir. Sensörler kadar veri toplama sistemi da çözünürlükte ve hızda büyük paya sahiptirler. Sensör çıkışının 0-10V aralığında değişmesi nedeniyle, veri toplama kartında bu gerilimi örnekleyebilecek analog girişin olması şarttır. Veri toplama kartının sensörün ürettiği çıkışı yakalayabilmesi için, örnekleme hızının 0,5kS/s ve üzeri olması, çözünürlüğünün 10 bit ve üzeri olması gerekmektedir. Şekil 4 te, önerilen tasarımda kullanılan LabJack marka programlanabilir 4 adet ±10V analog girişli, 10-bit veya 12-bit çözünürlüklü, 50kS/s veya 2,5kS/s kapasiteli ve USB bağlantısını destekleyen veri toplama cihazının üstten resmi görülmektedir. 2.1.1. Ultrasonik Şekil 2: Lazer mesafe sensörü Ekonomik sensörlerdir, fakat çözünürlüğü, algılama mesafesi ve örnekleme hızları düşüktür. ROMDAS ve ARAN gibi ölçüm sistemlerinde kullanılmışlardır [4], [5]. 2.1.2. Nokta lazerler Lazerin tek nokta şeklinde odaklandığı sensör tipidir [4], [5]. Görünür tek nokta şeklindeki lazer ışığı sayesinde kolay konumlandırma yapılır. Yakın mesafelerde yüksek çözünürlükte ölçümler için elverişlidir. 2.3. Mekanik Tasarım Şekil 4: Veri toplama kartı Kullanılan sensörün ölçüm yapılması planlanan eksen boyunca kesintisiz ve kararlı hareketi için özel bir mekanik konveyör sisteme ihtiyaç vardır. Buradan hareketle hem yatay hem de dikey eksende hareket edecek birbirine dik iki hareketli doğrusal rulmanlı ve vidalı konveyör modül tercih edilmiştir. Lazer sensörün bağlandığı yatay modül adım motoru ile saniyede 1mm ilerleyecek şekilde tasarlanmıştır. Adım motorlarının hangi yöne doğru döneceği, devir sayısı, dönüş hızı gibi değerler mikroişlemci veya bilgisayar 57
yardımı ile kontrol edilebilir. Geri beslemeye ihtiyaç duymazlar ve ayrıca motorun hareketlerinde konum hatası yoktur. Sonuç olarak adım motorlarının hızı, dönüş yönü ve konumu her zaman bilinmektedir. Bu avantajları nedeniyle çalışmamızda adım motoru tercih edilmiştir. Adım motorunun hızı ve hareket kodları PIC programlama yardımıyla belirlenmiş ve ilgili elektronik donanım oluşturulmuştur. Mekanik sistemin yapısı Şekil 5 te görülmektedir. Sistemde kullanılan adım motoru için gerekli komutları sağlamak için tasarlanmış olan kontrol kartının fotoğrafı Şekil 6 da görülmektedir. Kontrol kartı ileri-geri ve stop gibi fonksiyonları gerçekleştirmekle birlikte sensörün otomatik durdurulması ve tarama işleminin başlatıldığı bilgisinin veri toplama kartına gönderilmesi işlemlerini gerçekleştirmektedir. 2.4. Ara Yüz Programı Ara yüz yazılımı, C# ile yazılmış ve bir bakıma veri toplama cihazından gelen 0-10V arası gerilim sinyallerini 100µm hassasiyetle mesafe bilgisine dönüştürme işlemi yapmaktadır. Bu maksatla dönüşüm için ölçüm yüksekliği ve derinliği ölçüm başlatılmadan önce girilmektedir. Şekil 7 de bilgisayar yazılımı ara yüzü görülmektedir. Her deneyin ölçüm sonuçlarını, MS Excel formatında, ayrı dosyalarda kaydının tutulmasına olanak sağlamaktadır. Şekil 5: Sistemin mekanik yapısı Şekil 7: Ölçüm değerlendirme ve kayıt yazılımı ara yüzü 2.4.1. Lazer Sensör Kalibrasyonu Lazer mesafe sensörleri genellikle fabrika çıkışında maksimum mesafe için kalibre edilmiş biçimde gelirler. Sensörün desteklediği maksimum çözünürlük 10µm ve dinamik ölçüm mesafesi 40mm dir. Sensörü kalibre etmek için, besleme gerilimi verildikten sonra 5 dakika içerisinde, yüzeyden uygun mesafedeyken kalibrasyon butonuna basılmalıdır. Bu zaman zarfında güç LED inin durumu değişecek ve tekrar normale dönecektir. Sensörün analog gerilim çıkışı minimum mesafede iken 0V, maksimum uzaklıkta iken 10V üretmektedir. Ölçüm aralığı dışına çıkıldığında sensör üzerindeki LED in durumu yeşilden kırmızıya dönecektir. 3. ÖLÇÜM SONUÇLARI Veri toplama cihazı aracılığıyla bilgisayara aktarılan veriler, bilgisayar programı yardımıyla ile anlamlandırılarak MS Excel formatında kaydedilmektedir. Yol üstyapısı değişikleri izleme üzerinde yapılan testlerde, ağırlığı kontrol edilebilen lastik tekerlek üstyapı üzerinden belli sayıda geçmekte ve uygulanan yük neticesinde üstyapıda esnek ve kalıcı şekil değiştirmeler meydana gelmektedir. Geliştirilen lazer ölçüm sistemiyle, tekerleğin belirli geçiş aralıkları için yol yüzeyinden ölçümler alınarak yol yüzeyinin profili çıkartılmış ve geçiş sayısına karşılık gelen kalıcı deformasyon miktarları belirlenmiştir. Üstyapının başlangıç profili çıkarıldıktan sonra, tekerleğin sırasıyla 500, 1000, 2500, 5000, 10000, 20000, 30000 ve 50000 tekrarlı geçişinin ardından ölçümler tekrarlanarak kalıcı deformasyonların takibi yapılmıştır. Bu deneyler sonucunda örnek olarak, Şekil 8-12 de tekerleğin geçiş sayısına bağlı olarak elde edilen bazı yüzey profilleri görülmektedir. Şekil6: Hız ve hareket kontrol kartı 58
d D + D 2 2 3 = D (1) 1 Şekil 8: Teker izi derinliğin tel metodu ile hesaplanması Şekil 8: Başlangıç yüzey profili Şekil 11: 5000 geçişten sonra yüzey profili Şekil 9: 500 geçişten sonra yüzey profili Şekil 12: 20000 geçişten sonra yüzey profili Şekil 10: 1000 geçişten sonra yüzey profili Profilin en yüksek noktaları birleştirilmek kaydıyla en yüksek noktalar ile en düşük nokta arasındaki ortalama yükseklik farkı teker izi derinliğini verir. Şekil 8 de de görüldüğü gibi, doğru sonuç elde etmek için en yüksek noktaları birleştiren doğrunun eğimi sıfır olmalıdır. Eğer eğim sıfır değil ise düzeltme işlemi ile eğimin sıfır olması sağlanır ve 1. eşitlikten hesaplanır [8]. 4. SONUÇLAR ve TARTIŞMA Lazer sensörlü ölçüm esnasında dikeyde 100µm ölçüm hassasiyeti ile yatayda her milimetreden yaklaşık 1 örnek alınarak kayıt işlemi yapılmıştır. Örnek sayısının kesin olarak sabit bir değerde tutulamaması, her ölçümde farklı örnek sayısı elde edilmesine sebep olmuştur. Bunun çözümü olarak her deney için farklı dönüşüm skalası hesaplanmaktadır. MS Excel formatında alınan verilere 2. eşitlikteki işlem uygulanarak, yani yüzeyin milimetrik olarak uzunluğunun örnek sayısına oranı ile yeni bir dönüşüm skalası için oluşturulan katsayı elde edilmektedir. Her alınan örnekten bir diğerine geçilirken, bu sabit değer kadar x ekseninde kaydırma işlemi yapılmaktadır. 59
Neticede en az hatayla örnekler x ekseni üzerine düzgün ve doğrusal dağıtılmıştır. Bu şekilde x eksenini ölçmek için ayrıca bir cihaz kullanma gereksinimi de ortadan kaldırılmıştır. katsayı skala yüzeyin uzunluğu (mm) = örnek sayısı (2) Laboratuar ortamında yapılan yüzey profiline dayalı kalıcı deformasyonların belirlenmesi, yol üstyapısının yapımında kullanılan farklı özelliklerdeki temel malzemesinin kalıcı deformasyona karşı göstermiş oldukları dirençler ve trafik etkisi altındaki performansları tayin edilmeye çalışılmıştır. Çünkü yol üstyapısı yüzeyinde 2,5cm lik bir kalıcı deformasyon meydana geldiğinde üstyapı bozulmuş olarak kabul edilir ve üstyapının yeniden inşaası gerekir. Çalışmalar sonucunda yol konforunun, yol üst yapısının direncinin artırılması ve yol üstyapısı için uygun malzeme gelişimine katkı sağlayacağı öngörülmektedir. Sonuçta hareket ve hız kontrollü mekanik aksam, elektronik donanım ve yazılımdan oluşan bir lazer mesafe sensörlü ölçüm sistemi, yüzey profili çıkarmak ve teker izi derinliği hesaplamak için İnşaat Mühendisliği, Ulaştırma Laboratuarında kullanılmak üzere yol üstyapısı için uygun malzeme belirleme deneylerinde kullanılmak üzere başarı ile gerçeklenmiştir. 5. KAYNAKLAR [1] Roadex Projects Website, www.roadex.org. [2] Northern Periphery Programme Website, www.northernperiphery.net. [3] Road Measurement Data Acquisition System, ROMDAS Website, www.romdas.com. [4] Bennett, C., Wang, H., Harmonising Automated Rut Depth Measurements, Transfund New Zealand Research Report, 2002. [5] Mallela, R., Wang, H., Harmonising Automated Rut Depth Measurements Stage 2: Research Report 277. Land Transport New Zealand, 2006. [6] Teng, P., Characterization of Transverse Profiles, Report, US Department of Transportation, Federal Highway Administration, 2001. [7] Sayers, M., Karamihas, S., The Little Book of Profiling, The Regent of the University of Michigan, 1998. [8] Reigle, J., Vedula, K., Miller, R., Comparison of 3- point and 5-point Rut Depth Data Analysis, Pavement Evaluation Conference, Roanoke, Virginia, 2002. 60