HEDEF ĐZLEYEN PC TABANLI HAREKETLĐ ROBOT TARGET FOLLOWING PC BASED MOBILE ROBOT L. Özlem KARACA, Taner AKKAN, Hakan ÇELĐK, Tolga OLCAY, Necbettin ÇOLAK, Ertuğrul Özkan, Ali Mert YAMAN, Emre BOZAN Dokuz Eylül Üniversitesi Đzmir Meslek Yüksekokulu Mekatronik Programı, ĐZMĐR ÖZET Günümüzde mekatronik alanında savunma sanayi teknolojisi ile ilgili robotik uygulamaların sayısı gittikçe artmaktadır. Bu alanda önemli bir yer tutan araştırma robotları insanların gidemeyeceği uzay araştırmaları başta olmak üzere aynı zamanda endüstriyel üretim ve medikal sektörde de kullanılmaktadırlar. Bu projenin asıl amaçlarından biri, savunma sanayi için bir mobil robot ilk örneğini gerçekleştirmektir. Bu çalışmada, bir mobil robotu hareket ettirme işlevine ek olarak görüntü işleyip robotu etrafındaki cisimlerle ilgili bilgilendirme ve belirlenen hedefleri algılama işlemi yapılmıştır. Robot uzaktan bir PC ile kablosuz ağ üzerinden kontrol edilmektedir. Gerçeklenen araştırma robotu sağlam mekanik tasarımı, özgün elektronik tasarımı ve yazılımı ile geliştirilmeye açık bir platformdur. Anahtar Kelimeler: Hareketli Robot, Görüntü Đşleme, Kablosuz Haberleşme ABSTRACT Nowadays, robotic applications related to defense industry technology in mechatronics field increase more and more. Mobile search robots in this area can be used in space exploration that human can t go as well as in industrial production and medical sector. One of the main aims of this project is to develop mobile robot prototype for defense industry. In this study, informing the robot with surrounding objects using image processing and sensing the defined targets were done in addition to moving the mobile robot. Robot is controlled by remotely by a PC via wireless network. Realized research robot is an open platform for developing with robust mechanical design, novel electronics design and the software. Keywords: Mobile Robot, Image Processing, Wireless Communication. 1. GĐRĐŞ Görüntü işleyebilen ve çevresindeki değişimleri algılayabilen araştırma robotları günümüzde oldukça önemli kullanım alanları bulmaktadır. Bu tür robotlar engebeli arazilerde araştırma robotu olarak kullanılabileceği gibi savunma sanayine yönelik izleme etkinliklerinde de kullanılabilmektedir. Çalışmada öncelikle sağlam mekaniğe sahip paletli bir araştırma robotu tasarlanmış, motor sürmek ve uzaklık algılayıcıları değerlendirebilmek için mikrodenetleyici tabanlı bir elektronik sistem tasarlanmıştır. Uzaktan kablosuz ağ yardımıyla yönetebilmek ve görüntü işleme gibi karmaşık işlevleri yerine getirebilmek üzere robotun üzerine bir PC sistemi yerleştirilmiştir. PC üzerinde kablosuz ağ yardımıyla başka bir taşınabilir bilgisayardan yönetebilen bir kontrol yazılımı ile hedefe yönelmeyi sağlayan MATLAB tabanlı bir yazılım koşturmaktadır. Araştırma robotunun sistem diyagramı Şekil 1 de gösterilmektedir. 1
2. Materyal ve Metot 2.1. Mekanik Sistem Şekil 1. Araştırma robotunun sistem diyagramı Robotun şasesi üzerine ada şeklinde isimlendirilen kamera ve lazerin konumlandırıldığı bir döner platform yerleştirilmiştir. Adayı döndüren servo motor haricinde üzerinde iki tane daha servo motor mevcuttur. Bu servo motorlarında biri kamerayı kontrol eder diğeri ise lazeri kontrol etmekle görevlidir. Kameranın açısal serbestliği 68 derece olup lazerinki ise 130 derecedir. Lazerin en doğru pozisyonda konumlandırılabilmesi için adanın üzerine monte edilmiş plastik çubuktan yardım alınır. Son olarak bir yüksek çubuk platformu üzerinde ultrasonik algılayıcı bulunmaktadır. 180 derece dönebilen bir servo üzerinde ultrasonik sistem tüm açıları tarayabilmektedir. Robotun şase, ada ve çubuk platformunun Solidworks çizimi Şekil 2 de görünmektedir. Şekil 2. Robotun Şase,ada ve çubuk platform tasarımlarının Solidworks çizimleri Sekiz adet trigger dişlisi ve iki adet trigger kayışı ile bir paletli yapıyı süren iki adet redüktörlü DC motor şaseyi hareketlendirmektedir. Dört adet Mini DC servo motor ise kamera, lazer, ultrasonik ve adanın açılı hareket edebilmelerini ve bu hareketlerle hedef takibini sağlamak amacıyla kullanılmıştır. 2
2.2. Elektronik Sistem Araştırma robotu üzerinde güçlü bir PC platformu yer almaktadır. Burada operatörün robotu yönetmesi ve robotun hedef resmi bulabilmesi için Intel D510M0 Atom Mini-ITX Ana kart [1] kullanılmıştır. PC üzerinde 80 GB boyutlu bir Hard disk vardır. 12V DC-DC çevirici ana kartı beslemektedir. Anakart üzerinde ayrıca bir kablosuz haberleşme kartı ve anten bulunmaktadır. Robotun bilgisayarı ile DC motorlar, ultrasonik devre ve servo motorlar arasında köprüyü sağlamak için PIC 16F877 [2] mikrodenetleyicisi kullanılmıştır. Bir 555 zamanlayıcı robotun üzerinde ışıklandırmayı sağlamaktadır. Ultrasonik algılayıcı devresi engelleri bulmak için konumlandırılmıştır. Mini bir web kamerası hedef algılamak için PC ye bağlanmıştır. Lazer devresi hedefi işaretlemek için mikrodenetleyici ile sürülmektedir. DC motorlar güçlü olduğundan sürücü devre olarak röleli bir sistem kullanılmıştır. 2.3. Yöntem PC ve devrelerin aç-kapa anahtarları açma durumuna getirilir. Radar kulesi 180 derece açı ile ileri geri dairesel bir hareket yaparak etraftaki duvar, hedef, canlı vb. nesneleri arar. Bir cisme rastlayana kadar bu işlem sürekli olarak tekrarlanır, robotta kendisi belirlenen veya belirlenmeyen bölgede gezinerek taramaya zemin hazırlar. Bi nesne algılandığında robot adasını nesne yönüne gerekiyorsa komple kendini nesne yönüne çevirir. Bu durumda robot ultrasonik devresi ile sabitlenmiş uzaklıkta durur, kamera aşağı yukarı yaparak hedef resmi arar. Bu arama işlemi için PC devreye girer açık olan MATLAB programında gelen görüntü çerçevelere bölünerek hafızasındaki hedef resim ile karşılaştırılır. Eğer hedef resim kamera görüş açısında yani robotun yönelip baktığı yönde ise MATLAB gerekli kodları üretir, seri port üzerinden PIC mikrodenetleyicisine aktarır PIC işlemcide lazer servo motoru lazeri hedefi işaretlemesi için gerekli hareketi yaptırır tamamladığında lazer yanarak işaretleme işlemi yani genel olarak istenen hedef bul ve işaretle işlemi gerçekleştirilir. Eğer hedef bulunduktan sonra harekete geçerse yine MATLAB ve PIC aracılığı ile hedef takibi an ve an gerçekleştirilir. Bu aşamadan sonra hedef kaybolunca robot ilerleyerek arama-tarama işlemine devam eder. Fakat bu kamera ile taranan bölgede ki nesne veya nesneler hedef resim değilse(örn: duvar) robot ilerleyerek arama/tarama işlemine devam eder. 3. DENEYSEL ÇALIŞMA Tüm sistemin Solidworks çizimi ve PhotoRender ile işlenmiş son hali Şekil 3 te gösterilmiştir. Şekil 3. Robotun Solidworks çizimi ve PhotoRender ile işlenmiş görünümü 3
Öncelikle netbook yardımıyla robotun üzerindeki yazılımın kontrolünü uzak kontrole almak için uzak masaüstü programı kullanılmıştır. Sunucu programı Robot üzerindeki PC ye kurulmuştur. Netbook üzerinde ise müşteri programı yer almaktadır. Sistemin uzaktan kontrolü ve görüntü işleme için iki farklı yazılım geliştirilmiştir. C# dilinde yazılan ilk yazılım sadece robotun tüm kontrollerini ele almakta ama görüntü işleme yapmamaktadır. Şekil 4 te bu yazılımın ana ekranı görünmektedir. Şekil 4. C# dilinde geliştirilmiş yazılımın ana ekranı Đkinci yazılım hem kontrolü hem de görüntü işleme işlevini görmektedir. MATLAB grafik ara yüzü (GUI) tabanlı bir yazılım yazılmıştır. Hedef resminin şekli ve MATLAB ara yüz yazılımının ana ekranı Şekil 5 te verilmiştir. Şekil 5. Hedef resminin şekli ve MATLAB Ara yüz yazılımının ana ekranı Robotu kontrol etmek için PC den komutlar seri kanal yardımıyla yine robot üstündeki PIC mikrodenetleyicisine aktarılmaktadır. Görüntü işleme yazılımı ise öncelikle web kamerasının bir resim yakalaması işlemini tetikler. Yakalanan resim RGB formatından gri tonlama haline dönüştürülür. Resim sadece siyah ve beyaz renk formatında bir resme eşik değeri yardımıyla geçirilir. Resmin negatifi alınır. 30 pikselden küçük boyuttaki resim bileşenleri temizlenir. Bölgeler birbirinden ayrıştırılır. Yuvarlaklık indeksine göre hedef resmi tanınmaya çalışılır. 4
Araştırma robotunun tamamlanmış halinin fotoğrafı Şekil 6 da gösterilmiştir. 4. SONUÇLAR Şekil 6. Araştırma robotunun tamamlanmış halinin fotoğrafı Sağlam güçlü paletli bir mobil robot sistemi başarıyla yapılmıştır. Sistemin kendi üzerinde güçlü bir PC yapısı barındırması özellikle işlemci gücü isteyen görüntü işleme yazılımlarına olanak tanımaktadır. Örnek olarak yapılan hedef işareti tanıma sistemi robotu otomatik olarak hedef işaretine yöneltmekte ve robot hedefi lazeriyle işaretleyebilmektedir. 360 derece ultrasonik tarayıcı ünite çevresinin uzaklık haritasını çıkarmamızda ve robotun engelleri tanımasında kolaylık sağlamaktadır. Sistem üzerine sonradan eklenebilecek bir robot kolu araştırma robotunun çevresindeki nesnelerle etkileşimde bulunmasını sağlayacaktır. Sistemin şu andaki en büyük dezavantajı ağırlığıdır. Ağırlık dolayısıyla batarya ömrü kısıtlanmaktadır. Ayrıca PC normal bir mikrodenetleyicili kontrolcüye göre daha fazla güç tüketmektedir. Đlerideki çalışmalarda robotun ağırlığının azaltılmasına çalışılacaktır. Ayrıca ARM işlemcili Linux işletim sistemi tabanlı daha hafif bir mobil PC yapısı işlemci gücünden ödün verilmesine karşı hem ağırlık hem de batarya ömründe iyileştirme yapmamızı sağlayabilecektir. KAYNAKÇA [1] http://www.intel.com/content/www/us/en/motherboards/desktop-motherboards/desktopboard-di510mo.html, Erişim Tarihi : Mart 2012. [2] http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/30292c.pdf, Erişim Tarihi: Mart 2011 5