KAMERA YARDIMI İLE GEZGİN ROBOTUN ÇİZGİ TAKİBİ UYGULAMASI Osman Parlaktuna 1, Metin Özkan 2 and Ahmet Yazıcı 3 1 Osmangazi Universitesi, Elektrik-Elektronik Müh.Böl., Meşelik, Eskişehir. email: oparlak@ogu.edu.tr 2 Osmangazi Universitesi, Elektrik-Elektronik Müh.Böl., Meşelik, Eskişehir. email: meozkan@ogu.edu.tr 3 Osmangazi Universitesi, Elektrik-Elektronik Müh.Böl., Meşelik, Eskişehir. email: ayazici@ogu.edu.tr Özet Bu çalışmada, gezgin robot uygulamalarının geliştirilmesinde kullanılmak amacıyla, Z80 mikroişlemci tabanlı bir platformun tasarımı gerçeklenmiştir. Dört tekerlekli olan gezgin platform adım motorları ile hareket ettirilmektedir. Bu platform üzerine konulan bir kamera ile çizgi takibi uygulaması yapılmıştır. 1 Giriş Günümüzde, geniş uygulama alanlarına sahip olmaları nedeniyle, gezgin robotlar üzerine yapılan çalışmalar artarak yaygınlaşmaktadır. Gezgin robotlar, nükleer atık toplama, yıkılan enkaz altında canlı araştırması yapma, Mars ta araştırma yapma gibi çok değişik uygulamalarda kullanılmaktadır (Takahiso M. & Shoichi H.2002, Fumitoshi M. 2002). Burada, kontrolü için Z80 işlemcinin kullanıldığı bir gezgin robotun yapısı verilmektedir. Oluşturulan bu yapı üzerinde, kamera yardımı ile çizgi takibi uygulaması gerçekleştirilmektedir. Çizgi takibi, otomatik güdümlü araçlarda (AGV) kullanılan tekniklerden biridir. Özellikle, fabrika otomasyonunda önemli bir yer tutmaktadır. Çizgi takibi için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bu yöntemlerin, ortamın durumuna göre artı ve eksileri vardır. Tsumura T. (1986) tarafından önerilen manyetik metal tozlu boyama yolu ile güdümleme tekniği, aracın üzerinde bulunduğu manyetik alan hisseden algılayıcıları vasıtasıyla, boyalı çizgiyi izlemesi üzerine kurulmaktadır. Ancak, bu yöntem yoğun manyetik alanın bulunduğu ortamlarda ve özellikle metal döküm fabrikalarında başarısız olabilir. Kleeman L. & Russell R. (1993) tarafından, termal işaretçi güdümlü çizgi izleme yöntemi önerilmiştir. Robot üzerinde bulunan piroelektrik algılayıcıların termal izleri algılayacak şekilde geliştirilmesi ve kuartz halojen lamba ile ısıtılan yolun izlenmesi üzerine Bu çalışma, Osmangazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyonu tarafından desteklenmiştir (Proje no : 200315030).
kurulmuş bir tekniktir. Bu teknikde, çevrede ısı yayan cisimlerin bulunması durumunda hatalı sonuçlar verecektir. Ayrıca, yansıtıcı bant güdümlü teknikde kullanılan tekniklerden biridir. Bu yöntemde, yansıtıcı özellikteki bant izlenecek yola çekilir. Robotun üzerindeki fotoelektrik algılayıcıların yardımı ile bandı izlenmesi gerçekleşir. Ancak, bu teknikte bant yüzeyinin temiz tutulması gerekir. Aksi halde, bant fonksiyonunu gerçekleştiremez. Bu çalışmada, öncelikle Z80 tabanlı gezgin robot platformunun donanımı anlatılmakta, daha sonra platform üzerindeki kameranın özellikleri ve bu kamera kullanılarak gerçekleştirilen çizgi takibi uygulaması anlatılacaktır. Son olarak yapılan çalışmaların sonucu verilmektedir. 2 Donanım Geliştirilen gezgin robot platformunun fotoğrafı Şekil l'de görülmektedir. Sistem iki kısımdan oluşmaktadır. Bunlar, hareket sistemleri, güç dağıtım ünitesi, mikrokontrolör ünitesi, kızılötesi algılayıcılar ve kullanıcı arabirimi için tuş takımından oluşan robot tabanı ile aksesuar olarak kameradan oluşmaktadır. Ayrıca, uygulamaya yönelik olarak elektronik pusula ve telsiz haberleşme kartı gibi aksesuarlar ile desteklenmektedir. 2.1 Robot Tabanı Şekil l. Robot platformunun fotoğrafı Platform, uzaktan kumandalı ve dört tekerlekli bir oyuncak arabadan sökülen tekerlekler aracılığıyla hareket ettirilmektedir. Ön tekerlekler bir adım motoru ile sağa-sola döndürülmekte, arka tekerlekler de bir başka adım motoru ile hareket ettirilmektedir. Ön ve arka tekerleklerden gerekli çekişi alabilmek için dişli sistemleri tasarlanmıştır. Ön tekerleklerin hareket sınırı ±45 'dir. Robotun üzerinde ROBOTEL Ltd. Şirketi tarafından geliştirilen 3 adet kart kullanılmıştır. Bu kartlar Z80 rnikroişlemci kartı, adım motor sürücü kartı ve tuştakımı gösterge kartıdır. Resimleri, Şekil 2'de verilmektedir. Motorlara güç 12 voltluk şarj edilebilir pil bloğundan sağlanmaktadır. Platformun üzerindeki bazı kartları ve algılayıcıları sürmek için gerekli olan 5V, 12 voltluk pil bloğundan bir DC-DC çevirici devresi aracılığıyla elde edilmektedir. Robotun, çevresindeki nesneleri ve engelleri algılayabilmesi için ön tarafına 45 'lik açılar ile 5 adet kızılötesi mesafe algılayıcısı yerleştirilmiştir. Kızılötesi algılayıcıları paralel port üzerinden Z80 mikroişlemcisine bağlamak ve algılayıcıların beslemelerinin dağıtımı için bir arabirim kartı tasarlanmıştır. Ayrıca, Z80 işlemci kartı, adım motorların kontrolünü yönetmektedir.
Şekil 2. Soldan sağa sırasıyla: tuş takımı kartı, adım motor sürücü kartı ve z80 mikroişlemci kartı 2.2 Kamera Bu platformda, özellikle robotik uygulamalarında kullanılmak üzere geliştirilen CMUcam kamerası kullanılmıştır (Rowe A.&Rosenberg C.2001). Kameranın genel görünümü Şekil 3'de görülmektedir. Kamera iki kısımdan oluşmaktadır. Bunlar, CMOS kamera ve kameraya entegre edilmiş SX-28 mikroişlemcili görüntü kartıdır (http://www.cs.cmu.edu/~cmucam). Kamera ile görüntü kartı vasıtasıyla seri haberleşme sağlanabilmektedir. Kamera iki şekilde kullanılabilmektedir. Yakalanan görüntünün piksel değerlerini seri olarak iletilebilmesinin yanında; parlak renkteki nesnelere kilitlenip, nesnenin ağırlık merkezinin görüntü üzerindeki konumu ve nesnenin sahip olduğu piksel sayısı gibi bilgileri sağlayabilmektedir. Kamera ekranı 80x143 piksel boyutundadır ve seri port haberleşmesi 115,200/38,400/19,200 veya 9,600 baud hızında yapılabilmektedir. Kameraya güç verildiğinde, ortam ışığını ayarlamak için otomatik olarak 6 saniyeye ihtiyaç duyar. Ortamdaki güçlü değişiklikler, örneğin ışıkların açılıp kapanması gibi, benzer bir ayarlama zamanına neden olur. Eğer kamera dışarıda kullanılıyorsa, güneşin güçlü kızılötesi(ir) ışınları yayması, hatta oldukça bulutlu günlerde, muhtemelen çevredeki ışık şiddetini düşürmek için nötr yoğunlukta 3 kamera filtresi ya da bir kızılötesi(lr) filtresi kullanmak gereklidir. Görüş alanı kameraya takılan lenslere bağlıdır. Şekil 3. CMUcam genel görüntüsü
3 Uygulama Çizgi takibi uygulaması için, kamera görüntüsü Şekil 4'te gösterilen 5 ana bölgeye ayrılmıştır. Robotun izlemesi istenen yol, renkli elektrik bandının düz beyaz renkteki zemine kavisli bîr formda yapıştırılması ile oluşturulmuştur. Kamera robot üzerine çizgiyi görebileceği bir eğiklikte yerleştirilmiştir. Kameranın kilitlenilen renkteki görüntünün ağırlık merkezini vermesinden faydalanılarak, robotun çizgiyi izlemesini sağlayan yöntem aşağıda açıklanmaktadır. Şekil 4. CMUcam ekran bölgeleri Yazılan program temel olarak, görüntüdeki çizginin ağırlık noktasını 3.bölgede tutma esasına dayanır. Çizginin görüntüdeki ağırlık noktasının yatay bileşendeki değerinin(mx), hangi bölgede olduğuna bağlı olarak 5 farklı robot yönlendirilmesi tanımlanmıştır. Mx<5 (l.bölge): Yolda sola doğru keskin viraj olduğu anlamına gelir. Tekerleklerin dönüş açısı virajı almaya yetmeyeceğinden manevra yapılarak virajı daha rahat dönmesi sağlanır. Bu manevra işlemi 6 adımda gerçekleştirilir. Direksiyonu sağa çevir Geri gel Direksiyonu sola çevir 5<Mx<38 (2.bölge):Yolda sola doğru manevrasız alınabilecek bir viraj olduğu anlamına gelir. Robotun sola dönmesi sağlanır. Bu işlem 3 adımda gerçekleştirilir. Direksiyonu düzelt Direksiyonu sola çevir
Sola dönme işlemi gerçekleştiğinde bu işlem bir yazmaçta tutulur ve eğer bir sonraki Mx değeri de aynı aralıkta ise ilk iki işlem atlanarak ileri gitmeye devam edilir. Bu sayede ilk iki işlem sırasında geçen zaman kazanılmış olup robotun dönüş açısı korunmuş olur. 38<Mx<42 (3.bölge): Yol düzdür. Robotun direksiyonu ortalayarak düz gitmesi sağlanır. Bu işlem 2 adımda gerçekleştirilir. Direksiyonu düzelt 42<Mx<75 (4.bölge): Yolda sağa doğru manevrasız alınabilecek bir viraj olduğu anlamına gelir. Robotun sağa dönmesi sağlanır. Bu işlem 3 adımda gerçekleştirilir. Direksiyonu düzelt Direksiyonu sağa çevir Sağa dönme işlemi gerçekleştiğinde bu işlem bir yazmaçta tutulur ve eğer bir sonraki Mx değeri de aynı aralıkta ise ilk iki işlem atlanarak ileri gitmeye devam edilir. Bu sayede ilk iki işlem sırasında geçen zaman kazanılmış olup robotun dönüş açısı korunmuş olur. 75<Mx (5.bölge): Yolda sağa doğru keskin viraj olduğu anlamına gelir. Tekerleklerin dönüş açısı virajı almaya yetmeyeceğinden manevra yapılarak virajı daha rahat dönmesi sağlanır. Bu manevra işlemi 6 adımda gerçekleştirilir. Direksiyonu sola çevir Geri gel Direksiyonu sağa çevir Programın akış şeması Şekil 5 de görülmektedir. 4 Sonuçlar ve Öneriler Burada yapılan çalışmada, geliştirilen gezgin robot platformunun yapısı anlatılmış ve platform kullanılarak yapılan kamera yardımı ile çizgi takibi uygulamasının gerçekleştirme yöntemi tanımlanmıştır. Çizgi takibinde kamera kullanımının bazı dezavantajları vardır. Çizginin toz ile kaplanması ya da ortamın ışık seviyesinin düşük olması durumlarında bu yöntemin başarılı olması beklenemez. Ancak, diğer çizgi takibi teknikleri ile birlikte kullanılarak (algılayıcı fizyonu), o tekniklerin yetersiz kaldığı durumlarda devreye girebilir. Böylece, ortam değişikliklerine karşı daha gürbüz bir sistem elde edilebilir. Buradaki, uygulamada bandın görüntüsünün sadece ağırlık merkezi dikkate alınmıştır. Eğer kamera görüntüsü dikey olarak da parçalara bölünür ve çizginin kavis eğilimi değerlendirmeye alınırsa, aracın dönüş kısıtlarına rağmen, manevrasız daha düzgün hareket etmesi sağlanabilir.
Şekil 5. Program akış şeması Kaynakça Takahiso M. & Shoichi H. (2002), Development of a Robot System for Nuclear Emergency Preparedness, Advanced Robotics, Volume 16, No.6, pp.477. Fumitoshi M. (2002), A Mobîle Robot for Collecting Disaster Information and A Snake Robot for Searching, Advanced Robotics, Volume 16, No.6, pp.517. Rowe A., Rosenberg C. & Nourbakhsh I (2001), A Simple Low Cost Embedded Color Vision System, Technical Sketch Session of CVPR 2001. Tsumura, T. (1986), Survey of Automated Guided Vehicle in Japanese Factory, Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Aytomation, San Francisco, C A, Apr. 7-10, pp. 1329-1334. Kleeman L. & Russell R. (l993), Thermal Path Following Robot Vehicle: Sensor Design and Motion Control, Proceedings of the 1993 leee/rsj International Conference on Intelligent Robotics and Systems, Yokohama, Japan, July 26-30, pp. 1319-1323.