i T.C. SELÇUK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ BOMBA ĠMHA ROBOTLARI ĠÇĠN UZAKTAN KONTROLLÜ BĠR ATEġLEME SĠSTEMĠNĠN TASARIMI VE GERÇEKLEġTĠRĠLMESĠ Ali ÜNLÜTÜRK YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Ocak-2012 KONYA Her Hakkı Saklıdır
ii
iii
iv ÖZET YÜKSEK LĠSANS TEZĠ BOMBA ĠMHA ROBOTLARI ĠÇĠN UZAKTAN KONTROLLÜ BĠR ATEġLEME SĠSTEMĠNĠN TASARIMI VE GERÇEKLEġTĠRĠLMESĠ Ali ÜNLÜTÜRK Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı DanıĢman: Yrd. Doç. Dr. Ömer Aydoğdu 2012, 82 Sayfa Jüri Yrd. Doç. Dr. Ömer AYDOĞDU Yrd. Doç. Dr. Nihat YILMAZ Yrd. Doç. Dr. Muciz ÖZCAN Bu çalıģmada, güvenlik birimlerince kullanılmak üzere patlayıcı içeren Ģüpheli paketlere müdahale edebilecek uzaktan kontrollü bir mobil robot ve ateģleme sisteminin tasarımı gerçekleģtirilmiģtir. Mobil robot üzerine monte edilen kamera sistemi ile operatör paneline görüntü aktarımı gerçekleģtirilebilmekte ve operatör paneli üzerinden robot ve ateģleme kontrolü yapılabilmektedir. Sistemde ilk olarak ateģleme kolunu, kamera sistemini ve ARM (Acorn RISC Machine) tabanlı kontrol kartlarını taģıyan taģıyıcı bir mobil robot tasarlanmıģtır. Daha sonra mobil robot üzerine ateģleme kolu, kontrol ve görüntüleme sistemlerinin montajı yapılmıģtır. Sistemin kontrolünde ARM tabanlı mini2440 gömülü sistem geliģtirme kartı kullanılmıģtır. ARM tabanlı geliģtirme kartı, C++ ortamında yazılan kontrol kodunun, Arm_linux_gcc derleyicisi ile derlendikten sonra FTP (Dosya Aktarım Protokolü) olarak cihaza yüklenmesi ile programlanmıģtır. Mobil robot üzerindeki kameradan görüntünün alınabilmesi ve mobil robot ve ateģleme kolunun denetimi için, bilgisayar üzerinde C++ tabanlı Qt Creator ortamında görsel operatör arayüzü geliģtirilmiģtir. Mobil robot ve operatör bilgisayarının haberleģmesinde, robot kontrol iģlemlerinde UDP (Kullanıcı Veri Protokolü), görüntü aktarım iģlemlerinde ise IP (Ġnternet Protokol) tabanlı kablosuz haberleģme protokolleri kullanılmıģtır. ġüpheli paketlere müdahale amacıyla, mobil taģıyıcı üzerine bomba imha uzmanlarının sıkça kullanmıģ olduğu AK-ER (Bomba Ġmha Silahı) monte edilmiģtir. ÇalıĢma ile bu silahın uzaktan kontrolü sağlanarak Ģüpheli paketlere müdahalede karģılaģılan insan kayıplarının en aza indirgenmesi amaçlanmıģtır. Mobil robot ve ateģleme kolunun uzaktan kontrolü baģarıyla gerçekleģtirilmiģ ve mobil robotun etkinliğiyle ilgili uygulama sonuçları araģtırma sonuçları bölümünde verilmiģtir. Anahtar Kelimeler: Gömülü sistem, ARM Mini2440, UDP ve IP kablosuz haberleģme, Mobil robot, Qt Creator arayüzü.
v ABSTRACT MS THESIS DESIGN AND REALIZATION OF REMOTE CONTROLLED A FIRING SYSTEM FOR BOMB DISPOSAL ROBOTS Ali ÜNLÜTÜRK THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCE OF SELÇUK UNIVERSITY THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE IN ELECTRICAL & ELECTRONICS ENGINEERING Advisor: Asist. Prof. Dr. Ömer AYDOĞDU 2012, 82 Pages Jury Asist. Prof. Dr. Ömer AYDOĞDU Asist. Prof. Dr. Nihat YILMAZ Asist. Prof. Dr. Muciz ÖZCAN In this study, the design of a mobile robot and ignition system with remote control which enables security units to intervening in suspicious packages containing explosive material has been realized. The image transfer to the operator panel can be realised with monitor system installed on the mobile robot and the robot and ignition control can be performed via operator panel. In the system, firstly, a mobile robot which carries ignition lever, monitor system and ARM (Acorn RISC Machine) control boards have been designed. Than the installation of ignition lever control and monitoring systems have been made on mobile robot. An ARM based mini2440 embedded system development board has been used for system control. This ARM based development board has been programmed by transferring control code written in C++ environment and compiled with Arm_linux_gcc compiler to the corresponding device using FTP (File Transfer Protocol). C++ based, Qt Creator visual operator interface has been created on a computer in order to gets video from the camera on the mobile robot and to control the mobile robot and ignition lever. For the communication between the mobile robot and operator computer, UDP (User Datagram Protocol) based wireless communication protocol is used for data transmission between mobile robot and operator computer while IP (Ġnternet Protocol) based protocols are employed for image transfer. AK-ER (Bomb Disposal weapon) frequently used by bomb disposal experts in order to handle suspicious packages has been installation mobile robot. In this study, it has been aimed to minimize the hazard to humans by providing remote control of this weapon. The remote control of the mobile robot and ignition lever has been successfully realized and the experimental results on the efficiency of the mobile robot has been given in the research results section. Keywords: Embedded systems, ARM Mini2440, UDP and IP wireless communication, Mobile robot, Qt Creator interface.
vi ÖNSÖZ Yüksek lisans tezi çalıģmalarım süresince her zaman bilgi ve tecrübeleriyle bana yön veren, danıģmam hocam Yrd. Doç. Dr. Ömer AYDOĞDU ya sonsuz teģekkürlerimi sunarım. YapmıĢ olduğum proje süresince yardımlarını esirgemeyen çalıģma arkadaģlarım Ufuk GÜNER, Sadettin KARA ve üzerimde büyük emekleri olan ve her zaman bana destek olan saygıdeğer anneme ve babama teģekkürlerimi sunarım. Ali ÜNLÜTÜRK KONYA, 2012
vii ĠÇĠNDEKĠLER ÖZET... iv ABSTRACT...v ÖNSÖZ... vi ĠÇĠNDEKĠLER... vii KISALTMALAR... ix 1. GĠRĠġ VE KAYNAK ARAġTIRMASI...1 1.1. GiriĢ...1 1.3. Kaynak AraĢtırması...5 1.3. Tez Organizasyonu...9 2. MATERYAL VE YÖNTEM... 11 2.1. Gömülü Sistemler... 11 2.2. Gömülü Sistemler ve Linux... 12 2.3. ARM Tabanlı ĠĢlemciler... 13 2.4. ARM Mini2440 GeliĢtirme Kartı ve Teknik Özellikleri... 14 2.4.1. SDRAM Bellek Sistemi... 16 2.4.2. FLASH Bellek Sistemi... 17 2.4.2.1. NOR Flash Bellek Sistemi... 17 2.4.2.2. NAND Flash Bellek Sistemi... 19 2.4.3. Güç Kaynağı Sistemi Birimi... 20 2.4.4. Donanım Reseti... 22 2.4.5. Kullanıcı Ledleri... 22 2.4.6. Kullanıcı Butonları... 22 2.4.7. Anolog/Dijital GiriĢ Birimi... 23 2.4.8. PWM Kontrol Ses Birimi... 24 2.4.9. Seri Port Yapısı... 24 2.4.10. LCD Birimi... 26 2.4.11. EEPROM Yapısı... 27 2.4.12. Network Birimi... 27 2.4.13. Ses Birimi... 28 2.4.14. JTAG Birimi... 29 2.4.15. GPIO Birimi... 30 2.4.16. CMOS Kamera Arayüzü... 31 2.4.17. Sistem Veri Yolu Birimi... 32 2.5. Kablosuz Ağlar... 33
viii 3. MOBĠL ROBOT VE ATEġLEME SĠSTEMĠ TASARIMI... 35 3.1. Operatör Arayüzü... 36 3.2. Mobil Robot Yapısı... 39 3.3. Mobil Robot Kontrol Sistemi... 41 3.4. Mobil Robot AteĢleme Sistemi ve Yapısı... 45 3.4.1. Silah Sisteminin Kapsül Yapısı... 46 3.4.2. Mobil Robot Silah Sistemi... 47 3.5. Mobil Robot Görüntü Sistemi ve Yapısı... 48 3.6. Mobil Robot Kablosuz HaberleĢme Sistemi... 49 3.7. Mobil Robot Sürücü, AteĢleme ve Besleme Sistemleri... 50 3.7.1. Adım Motoru Sürücü Sistemi... 51 3.7.2. DC Motor Sürücü Sistemi... 54 3.7.3. AK-ER AteĢleme Sistemi... 56 3.7.4. Batarya ve Beslemeler... 57 4. ARAġTIRMA BULGULARI VE TARTIġMA... 60 4.1. Mobil Robot Üzerindeki AteĢleme Sisteminin Hareket Kabiliyeti Sonuçları... 60 4.2. Mobil Robot Üzerindeki Kameranın Görüntü Alma Kabiliyeti Sonuçları... 61 4.3. Mobil Robotun ġüpheli Pakete Müdahalede BaĢarısının Sonuçları... 62 4.4. TartıĢma... 63 5. SONUÇ VE ÖNERĠLER... 64 5.1. Sonuçlar... 64 5.2. Öneriler... 64 KAYNAKLAR... 66 EKLER... 68 ÖZGEÇMĠġ... 82
ix KISALTMALAR A/D AK-ER AR-GE ARM ATM CMOS CPU DC DVD EEPROM FTP GPIO GPS GPRS GPRs GSM HiperLAN HTTP IEEE IP ISO JIRA JPEG JTAG LAN LCD LED LMDS LVTTL MKE OSI Analog/Dijital Bomba Ġmha Silahı AraĢtırma GeliĢtirme Acorn RISC Machine Otomatik Vezne Makinesi BütünleĢik Metal Oksit Yarıiletken Merkezi ĠĢlem Birimi Doğru Akım Dijital Video Disk Elektriksel Olarak Ġçeriği Silinip Yeniden Programlanabilen Salt Okunur Bellek Dosya Aktarım Protokolü Genel Amaçlı GiriĢ ÇıkıĢ Küresel Konumlama Sistemi Genel Radyo Paket Servisi Genel Amaçlı Kaydedici Mobil ĠletiĢim Ġçin Küresel Sistem Yüksek Performanslı Radyo Yerel Alan Ağı Hipermetin Aktarma ĠletiĢim Kuralı Elektrik Elektronik Mühendisleri Enstitüsü Ġnternet Protokol Uluslararası Standardizasyon Organizasyonu Japonya endüstriyel robotlar birliği BirleĢik Fotoğraf Uzmanları Grubu Ortak Test Eylem Grubu Yerel Alan Ağı Sıvı Kristal Görüntü Birimi IĢık Yayan Diyod Yerel Çoklu Dağıtım Sistemi DüĢük Voltaj Transistör-Transistör Lojik Makine Kimya Enstitüsü Açık Sistemler ArabağlaĢımı
x RF RGB RootFS PDA PPP PETN PWM RIA RISC RUR SD SDRAM TCP TTL UART UDP USB WĠ-FĠ WĠMAX WLAN Radyo Frekansı Kırmızı, YeĢil, Mavi Kök Dosya Sistemi Dijital Özel Sekreter Noktadan Noktaya Protokol Pentaerythritol tetranitrate Darbe GeniĢlik Modülasyonu Amerika Robot Enstitüsü ĠndirgenmiĢ Komut Takımı Bilgisayarı Rossum un Evrensel Robotu Güvenli Sayısal EĢ Zamanlı Dinamik Rasgele EriĢimli Bellek ĠletiĢim Kontrol Protokolü Transistör-Transistör Lojik Evrensel Asenkron Alıcı Verici Kullanıcı Datagram Protokolü Evrensel Seri Veriyolu Kablosuz Bağlantı Ayarı Kablosuz GeniĢbant Ġnternet EriĢimi Kablosuz Yerel Alan Ağı
1 1. GĠRĠġ VE KAYNAK ARAġTIRMASI 1.1. GiriĢ Robotiğin tarihi hayal dünyasını gerçeğe dönüģtüren bir ilham kaynağı olarak ele alınır. Bundan dolayı; sinematik yaratıcılık, bilimsel beceri ve giriģimci vizyonu ile birlikte robotiğin zengin bir geçmiģi vardır (Stone, 2005). Robotlar, ilk defa Çek oyun yazarı K.Capec tarafından bir oyunda dile getirilmiģtir (Nabiyev, 2010; Siciliano ve ark., 2009; Angelo, 2007; Spong ve ark., 2006; Fuller, 1999; Nehmzow, 1999). Robot kelime olarak slav dilinde iģçi veya köle anlamına gelmektedir (Angelo, 2007; Siciliano ve ark., 2009). Capek in 1920 de yazdığı RUR (Rossum un Evrensel Robotu) adlı bu oyunda, fabrika iģçilerinin yerini alan ve insanların egemenliğine son vererek ülkeyi yönetmeyi amaçlayan bir robotun öyküsü anlatılmıģtır (Wolovich, 1987). 1940 ların baģlarında, Isaac Asimov ve John Campbell insan talimatlarını ve komutlarını takip eden akıllı robot fikrini ortaya atmıģlardır (Wolovich, 1987). Bu davranıģları inceleyen bilim dalını ise Robotik olarak adlandırmıģlardır (Albayrak, 1997). Asimov robot konularını iģleyen bir dizi kısa hikâye yazmıģtır. 1950 yılında yayınlanan I, Robot eseri birbiriyle bağlantılı olan 9 tane kısa hikâyenin birleģtirilmesiyle oluģturulmuģtur. Asimov bu kısa hikâyelerinde robotlarla ilgili üç kanun ortaya koymuģtur (Stone, 2005). Bunlar; Kanun 1: Robot hiçbir zaman insana zarar vermemeli ve insanın zarar göreceği hallerde ise hareketsiz kalmalıdır. Kanun 2: Birinci kanunu çiğnememek Ģartıyla, insana her zaman itaat etmelidir. Kanun 3: Birinci ve ikinci kanunu çiğnememek Ģartıyla robot, kendini de korumalıdır (Siciliano ve ark., 2009; Stone, 2005; Albayrak, 1997; Wolovich, 1987). Oregon Teknoloji Enstitüsünde imalat mühendisliği teknolojisinde profesör olan Gerald Norman, Skoles tarafından formüle edilmiģ bir yasa kabul edilen kanunu robotiğin 4. kanunu olarak önermiģtir. Kanun 4: Robot insanın yer aldığı bir iģte yer alabilmelidir ama o kiģiyi iģsiz bırakmamalıdır (Fuller, 1999). Bu kanunlarla oluģturulan kuralların tutumu göz önüne alındığında, robot tasarımının özellikleri, o zamandan beri mühendisler ve teknik uzmanlar tarafından endüstriyel ürün tasarımında dikkate alınarak günümüze kadar ulaģmıģtır (Siciliano ve ark., 2009). Fakat bu kuralların otomatik bir Ģekilde uygulanmayacağı Fuller in (1999)
2 çalıģmasında öne sürdüğü gibi askeri robotların doğası gereği bu yasalara uygun olarak tasarlanamayacağı gerçeğidir. Robot denildiğinde Schıllıng (1990) çalıģmasında da belirttiği gibi okuyucunun zihninde çeģitli manalar taģımaktadır. RIA a (Amerikan Robot Enstitüsü) göre robot; programlanmıģ hareketleri yerine getirebilmesi için hareketli materyalleri, parçaları ve özel araçları üzerinde barındıran, değiģik türdeki iģlerin yerine getirilebilmesi için programlanabilme özelliğine sahip çok amaçlı bir manipülatördür (Spong ve ark., 2006; Wolovich, 1987; Nehmzow, 1999). Ġngiliz Robot Birliğine göre robot; belirli imalat iģlemlerinin yapılması için parça, takım ve alet ya da özel imalat aygıtlarının programlanmıģ değiģik hareketlerle taģınması, yerinin değiģtirilmesi veya kullanılması için tasarlanmıģ, programlanabilir bir aygıttır (Albayrak, 1997). JIRA (Japonya Endüstriyel Robotlar Birliği) robotları 6 sınıfa ayırmıģtır. Sınıf 1: Elle ĠĢleme Aygıtı: Kullanıcı tarafından tahrik edilip harekete geçirilen birkaç serbestlik dereceli aygıtlardır. Sınıf 2: Sabit Dizili Robot: Bir görevin ardıģık adımlarını önceden belirlenmiģ değiģmeyen bir yönteme göre yapan ve gerçekleģtirilen bu görevin değiģtirilebilmesi zor olan bir aygıttır. Sınıf 3: DeğiĢken Dizili Robotlar: Cihazın kullanımı 2. Sınıftaki gibidir fakat icra edilen görevin aģamaları rahatlıkla değiģtirilebilir. Sınıf 4: Yeniden Oynatmalı Robot: Kullanıcı eli ile robotu istenilen yörüngede yönlendirirken robot adımları sonradan yapmak üzere kaydeder. Daha sonra robot aynı hareketleri kaydedilmiģ bilgiye göre tekrarlar. Sınıf 5: Sayısal Denetimli Robotlar: Kullanıcı robotu manüel olarak kontrol etmek yerine hareket programı uygulayarak kontrol etmiģ olur. Sınıf 6: Zeki Robotlar: Çevresini anlamak için gerekli donanımlara sahip ve istenilen görevleri yapabilmek için görevin bulunduğu çevredeki koģullardaki değiģikliklere etkin bir Ģekilde uyum sağlayabilen ve görevi baģarıyla tamamlayabilen robottur (Nehmzow, 1999). Fransız Robot Birliği ise Ģu sınıflandırmayı yapmaktadır; Tip A: Telerobotik için elle kumandalı iģleme aygıtları Tip B: Önceden belirlenmiģ çevrimleri olan otomatik iģleme aygıtları Tip C: Programlanabilen, servo denetimli, sürekli ya da noktadan noktaya yörüngeleri olan robotlar.
3 Tip D: Tip C gibi ancak çevresinden bilgi edinme yeteneğine sahip olanlar (Akın, 2006). ISO (Uluslararası Standardizasyon Organizasyonu) ise 8373 de robotu Ģöyle tanımlıyor; Otomatik olarak kontrol edilebilen, yeniden programlanabilen, üç veya daha fazla eksenli çok amaçlı manipülatörlerdir (Stone, 2005). Birçok geliģmiģ ülkede, sosyal baskı neticesinde hükümetler çalıģanların güvenliğinin sağlanabilmesi için yeterli Ģekilde önlem almaktadır (Örneğin, Amerika BirleĢik Devletleri iģ sağlığı güvenliği kanunu 1971). Üretim Ģirketleri ve diğer endüstri kuruluģlarında ekonomik gerekçelere dayanarak tehlikeli olarak kabul edilen iģlerde robotlar insan emeğinin yerini önemli ölçüde almıģlardır. Böylece endüstriyel robotlar boya püskürtme iģlemleri, döküm, kaynak ve toksit maddelerinin taģınmasında kullanılmıģ ve diğer pek çok iģte de baģarılı bir Ģekilde görev yapmasıyla beraber iģçilerden daha uygun Ģartlarda kullanılabileceği kanıtlanmıģtır (Angelo, 2007). SanayileĢmiĢ ülkelerin önem verdiği alanların baģında bilim ve teknoloji gelir. Bu ülkeler, dünyadaki egemenliklerini gerek siyasi yönden gerekse ekonomik ve askeri yönden perçinlemek için bilim ve teknolojik geliģmelere büyük miktarlarda paralar harcamaktadırlar (Mendi, 1992). Türkiye de 1976 yılında bomba uzmanları faaliyet göstermeye baģlamıģlardır. Bomba uzmanları; o yıllarda dünyada sadece birkaç ülke tarafından yeni yeni kullanılmaya baģlayan Su Topu adı verilen bomba imha aletini, 1978 yılında Ġngiltere de katıldıkları kursta sınırlı imkânlarla gördükten sonra, ülkemizde de yerli imkânlarla milli bir bomba aletinin yapımını sağlamak üzere çalıģmalara baģlamıģlardır. MKE (Makine Kimya Enstitüsü) ile yapılan bu çalıģmaların sonucunda, Ģüpheli paket ve bomba olaylarında son derece etkili olarak kullanılacak bomba imha aletinin üretiminin gerçekleģmesi sağlanmıģtır. Proje sonunda bomba imha aletinin üretilmesinde büyük emekleri olan ve ülkemizde bomba imha biriminin kurulmasında ilk adımları atan bomba uzmanı BaĢkomiser Güner AKDENĠZ ile Macide ERDENER ĠN soyadlarının ilk iki harfleri kullanılarak AK-ER in yapımı gerçekleģtirilmiģtir. AK-ER silahının yapısı Ģekil 1.1 de görülmektedir.
4 ġekil 1.1. Türkiye de kullanılan ilk AK-ER taģıyıcının yapısı 1978 yılında Ġngiltere ve Türkiye arasında yapılan eğitim iģbirliği çerçevesinde gerçekleģtirilen kurs sonrasında ülkemize iki adet Wheelbarrow marka bomba imha robotu hibe edilmiģtir. Uzun yıllar bomba olaylarında bu robotlar aktif olarak kullanılmıģtır. ġekil 1.2 de bu robotların yapısı görülmektedir. ġekil 1.2. Wheelbarrow marka bomba imha robotu Uzaktan komutalı veya bubi tuzaklı olması muhtemel Ģüpheli paket ve bombalara, uzman personelin yaklaģması yerine, bomba uzmanının kullanacağı AK-ER gibi silahları uzaktan kontrol edebilecek değiģik platformların kullanılması gerekmektedir. Bu amaçla yapılmıģ değiģik robot örnekleri Ģekil 1.3 te ele alınmıģtır. ġekil 1.3. Su topu taģıyan değiģik robot örnekleri
5 Yurt dıģında AK-ER taģıyan bu robot sistemleri Remote Dısruptor Weapon Carrier (uzaktan kumandalı su topu silahı taģıyıcısı), olarak sınıflandırılmaktadır. GeliĢmiĢ ülkelerde değiģik Ģekillerde tasarlanmıģ bomba imha robotları etkin olarak kullanılmaktadır. Türkiye de ise Ģekil 1.4 te görüldüğü gibi çok fonksiyonlu yapıda olan değiģik bomba imha robotları kullanılmaktadır. ġekil 1.4. Aktif olarak kullanılan değiģik bomba imha robotları Bu tezde internet tabanlı robot kontrol sistemi ele alınmıģ ve bu doğrultuda Ģüpheli paketlerin imhasında doğrudan kullanılabilecek bir mobil robot sistemi tasarlanmıģtır. Ayrıca sistemimizin birçok farklı uygulamalara uyarlanabilecek Ģekilde olması göz önüne alınmıģtır. 1.3. Kaynak AraĢtırması Robotiğin ön plana çıkmasıyla insan gücünün kullanımı gün geçtikçe azalmakta ve robotlar hayatımızın vazgeçilmezleri arasında yerini almaktadır. Terör olaylarının artmasıyla beraber ülkelerin robot konusuna bakıģı önemli ölçüde değiģmiģtir. Bunun neticesinde ülkelerin güvenliğinin artırılması ve insan kaybının en aza indirgenmesi amacıyla robotlara büyük miktarda bütçeler ayrılmakta ve robotlar konusunda yapılan araģtırma ve geliģtirme çalıģmalarının yansımaları hayatımıza büyük ölçüde yön vermektedir. Bu doğrultuda tasarlamıģ olduğumuz robot kolu ve ateģleme sisteminin gerçekleģtirilmesiyle beraber Ģüpheli paketlerin imhasında ve aynı zamanda tehlikeli sayılabilecek operasyonlarda aktif olarak robotlar kullanılabilecektir. Böylece insan kaybının önüne geçilmiģ olacaktır. Literatüre her geçen gün bu konularla ilgili yeni çalıģmalar eklenmektedir. Kaynak araģtırması olarak çeģitli makale, kitap ve tezlerden istifade edilmiģ olup, kısaca içerik ve özetleri aģağıdaki gibidir.
6 Wolovich (1987); kaynak kitapta robotlar kronolojik bir perspektifte ele alınmıģtır ve bu doğrultuda ayrıntılı olarak bilgilere yer verilmiģtir. Robotik tasarım ve incelemeleriyle ilgili konular detaylı olarak iģlenmiģtir. Schıllıng (1990); kaynak kitapta temel robotik ve kontrol konusu ele alınmıģtır. Otomasyon ve robot konusu incelenerek robotlar sınıflandırılmıģ ve detaylı olarak bilgi verilmiģtir. Mendi (1992); doktora tezinde sanayi robotları ve robotların genel anatomik yapısı hakkında genel bilgiler verilmiģtir. Sanayide robot kullanma durumunun tespiti yapılmaya çalıģılmıģ ve robot kolunun dinamik model hesaplarının basitleģtirilmesiyle ilgili örnek bir çalıģma yapılmıģtır. Albayrak (1997); yüksek lisans tezinde bilgisayar destekli kontrol yöntemi ile üç boyutlu uzayda hareket edebilen, üç serbestlik dereceli robot kol tasarımı ve simülasyonu gerçekleģtirilmiģtir. Fuller (1999); kaynak kitapta robotiğe geniģ bir bakıģ açısıyla yaklaģılarak robot terminolojisi hakkında bilgi verilmiģtir. Robotiğin tarihi, robotu oluģturan parçalar, robot kıskacı, robot sensörleri, robotların kullanım alanları, robot bakımı, robot güvenliği, robotik ve yapay zekâ ve robotların geleceği ile ilgili ayrıntılı konular ele alınmıģtır. Nehmzow (1999); kaynak kitapta otonom ve mobil robot tasarımları ele alınmıģtır. Robotik cihaz ve ekipmanlar ile yerleģik güç kaynağı, yerleģik hesaba dayalı kaynak sensörleri ve otomatik kontrol öğeleri gibi konular incelenerek robotlarda öğrenme, navigasyon ve simülasyon alanlarını kapsayan 12 ayrıntılı olay çalıģması anlatılmıģtır. Lombardo (2001); kaynak kitapta gömülü Linux konusuna ayrıntılı bir Ģekilde bakılmıģ, bu doğrultuda okuyucuya gömülü Linux uygulamaları ve donanım seçenekleriyle ilgili ayrıntılı bilgiler verilmiģtir. Heath (2003); kaynak kitapta ARM iģlemciler ve diğer donanım geliģmeleri ele alınmıģtır. Aynı zamanda gömülü Linux uygulamalarına değinilerek okuyucuya bir bakıģ açısı kazandırılmıģtır. Topaloğlu ve Gürgünoğlu (2003); kaynak kitapta mikroiģlemciler ve mikrodenetleyiciler ile ilgili genel bilgilere yer verilmiģtir. Bilgisayar mimarisi ele alınarak mikroiģlemcilerin özellikleri ayrıntılı olarak iģlenmiģtir. Özel olarak 6800, 8051 ve PIC16F84 iģlemciler iģlenmiģ ve uygulamalı olarak örneklere yer verilmiģtir.
7 Stone (2005); kaynak kitapta robotiğin tarihi ile ilgili genel bilgilere yer verilmiģtir. Robot kelimesinin ilk olarak nerede kullanıldığı ile ilgili bilgiler ayrıntılı olarak iģlenmiģ ve endüstriyel robotların doğuģu, hayatımıza giriģi, robotların kullanıldığı alanlarla ilgili konular ele alınmıģtır. Akın (2006); kaynak makalede robotbilim ile ilgili bir konuyu ele alınmıģtır. Makalede robotun tanımı yapılarak değiģik ülkelerin robot sınıflandırması ele alınmıģ ve robot bilimin tarihçesi kısaca verilmiģtir. Ayrıca bu makalede robot çeģitleri ve robotbilimin uğraģı alanları ile ilgili detaylı bilgilere yer verilmiģtir. Karaca (2006); yüksek lisans tezinde Linux ile çalıģtırılan gömülü sistem ve kullanıcı arasında doğrudan iki yönlü iletiģim sağlayarak, kullanıcıya gezici sistemde meydana gelen derlenmiģ GPS (Küresel Konumlama Sistemi) verilerini izleyebilme ve eklenen kamera fonksiyonunu gerçek zamanlı olarak tetikleyebilme yeteneği kazandırılmıģtır. GPRS (Genel Radyo Paket Servisi) bağlantısı ile dünya çapında izlenebilen ikili sunucu yapısında olan gömülü sistemin kullanıcı arayüzü tasarlanmıģtır. Bu çalıģmanın sonucunda internet tabanlı, PPP (Noktadan Noktaya Protokol) bağlantısı ile iki yönlü iletiģim yapabilen ve iģletim maliyeti düģük, esnek bir kullanım alanına sahip olan uzaktan eriģim veya uzaktan kontrol sisteminin omurgası oluģturulmuģtur. Ning ve Yong (2006); kaynak makalede karmaģık mekatronik bir sistem için MAS tabanlı kontrol sistem tasarımı ele alınmıģtır. PBJ-2 adlı uzaktan yönetilebilen yeni bir mobil robot geliģtirmiģler ve bu sistemde ARM7 mikrodenetleyicisini kullanarak geliģtirmiģ oldukları algoritmanın etkinliğini test etmiģlerdir. Okyay (2006); yüksek lisans tezinde gömülü sistemlerle gerçekleģtirilen bir denetim mekanizması tasarlanmıģtır. GerçekleĢtirilen bu tasarımın yazılımı farklı cihazlarda da kullanılabilmesi için esnek olarak tasarlanmıģ ve bu yazılım kalorifer sisteminin otomatik denetlenmesinde kullanılmıģtır. Özbilen (2006); kaynak kitapta kablosuz ağlar konusunda detaylı olarak bilgiler verilmiģtir. Okuyucuya güvenli ve etkin bir 802.11 ağı oluģturabilecek veya mevcut ağdaki eksiklikleri fark ettirebilecek bir noktaya getirebilme amaçlanmıģtır. Spong, Hutchinson ve Vidyasagar (2006); kaynak kitapta robotlar konusu ele alınmıģtır. Mekanik olarak robotların çok sayıdaki fiziksel özellikleri matematiksel modelleri göz önünde bulundurulmadan değerlendirilmiģtir. Robotik manipülatörler güç kaynağı, kinematik yapıları, kontrol yöntemleri ve uygulama alanlarına göre sınıflandırılarak bunlarla ilgili ayrıntılı bilgilere yer verilmiģtir.
8 Angelo (2007); kaynak kitapta robot teknoloji ve sistemlerinin tarihi ile ilgili bilgilere yer verilmiģtir. Uzay araģtırmalarında görev yapan, hayat kurtaran ve eğlence amaçlı robotlar ele alınarak robot teknolojisiyle ilgili önemli geliģmeler kronolojik bir sıra halinde ayrıntılı olarak incelenmiģtir. Tozan (2007); yüksek lisans tezinde insanların giremediği bölgelere girerek bölgeyi araģtırıp, elde etmiģ olduğu görsel ve dijital verileri bilgisayara aktaran bir mobil robot tasarımı gerçekleģtirilmiģtir. Tasarlanan robotun araģtırma ve kurtarma görevlerinde kullanılabilmesi amaçlanmıģ olup bu doğrultuda değiģik algoritmaların robota adapte edilebilmesi sağlanmıģtır. Negus (2007); kaynak kitapta Linux iģletim sistemini ele almıģtır. Kitapta Linux kurulumuna yer verilmiģ ve değiģik isimlerdeki Linux iģletim sistemlerinin çalıģtırılması incelenmiģtir. Linux ta programlama konusu hakkında ayrıntılı olarak bilgiler yer almakta ve ayrıca Linux ile ilgili değiģik uygulama örneklerine kitapta yer verilmiģtir. Çölkesen ve Örencik (2008); kaynak kitapta bilgisayar haberleģmesi ve ağ teknolojileri konusunda detaylı olarak bilgi verilmiģtir. Sayısal iletiģim, OSI (Açık Sistemler ArabağlaĢımı) baģvuru modeli, ağ katmanı ve birçok ağ teknolojisiyle ilgili temel konular hakkında ayrıntılı olarak bilgi verilmiģtir. Çölkesen (2009); kaynak kitapta bilgisayar ağları ve internet mühendisliği ile ilgili temel konular ayrıntılı olarak ayrıntılı olarak ele alınmıģtır. Kitapta; bilgisayar ağlarının sınıflandırılması ve temel kavramlar, OSI baģvuru modeli, ağ bağlantı cihazları ve görevleri, yerel alan ve kentsel alan ağları, kablosuz ağlar, geniģ alan ağları, internet mühendisliği ve TCP (Ġletim Kontrol Protokolü)/IP protokol kümesi, IP adresleme mekanizması ve bilgisayar ağları ile ilgili birçok konuya ıģık tutulmuģtur. Çömlekçiler (2009); yüksek lisans tezinde Microsoft Robotics Studio yazılım geliģtirme ortamıyla desteklenen, ARM7 tabanlı gömülü bilgisayar sistemi içeren LEGO Mindstorms NXT robot platformu kullanılmıģtır ve bu robot sistemi üzerinde yazılım geliģtirilmiģtir. EriĢti (2009); yüksek lisans tezinde güncel görüntü iģleme teknikleri kullanılarak bilgisayarla görmenin önemli alanlarından biri olan yer belirleme uygulaması farklı yüzeyler üzerinde test edilmiģtir. ÇalıĢma gerçek zamanda optik akıģ yöntemiyle hareket miktarının tespit edilmesi esasına dayanmaktadır. Sezgin (2009); kaynak kitapta veri iletiminde kullanılan koaksiyel kablolar, dolanmıģ çift kablolar ve fiber optik kablolar anlatılmıģtır. Ayrıca diğer bir veri iletim ortamı olan kablosuz bağlantı ortamlarına da kısaca değinilmiģtir.
9 Siciliano, Sciavicco, Villoni ve Oriola (2009); kaynak kitapta robotikle ilgili genel bilgilere yer verilmiģtir ve robotların mekanik yapıları incelenmiģtir. Mobil robotların hareket kabiliyetlerine değinilerek endüstriyel robotlar, hizmet robotları, ileri robotik, robot modelleme ve kontrol konularıyla ilgili detaylı bilgilere değinilmiģtir. Kurtoğlu (2010); yüksek lisans tezinde insansız denizaltı araçları için gömülü bir kamera çözümü geliģtirmiģtir. GeliĢtirdiği bu çözüm donanım tasarımını, yazılım geliģtirme platformu, yazılım tasarımı ve örnek uygulamaları içermektedir. Nabiyev (2010); kaynak kitapta Yapay Zekâ ile ilgili temel nitelikli bilgilere yer verilmiģtir. Zeki davranıģların bilgisayarda modellenmesi konusunda açıklayıcı konular ele alınmıģ ve konular ele alınmadan önce olayın gerçeğinin doğadaki akıģı incelenerek okuyucuya bir bakıģ açısı kazandırılmıģtır. Yapay sinir ağları, karınca kolonisi sistemi, genetik algoritmalar, bilgilerin modellenmesi çeģitleri, problem çözme teknikleri gibi temelini gerçek yaģamdan alan pek çok konu kitapta ayrıntılı olarak iģlenmiģtir. 1.3. Tez Organizasyonu Bu çalıģma 5 ana bölümden oluģmaktadır. 1. Bölüm GiriĢ ve Kaynak AraĢtırması bölümü olup öncelikle tezin konusu ile ilgili genel bir değerlendirme yapılmıģtır. Yapılan literatür taraması kaynak araģtırması adı altında verilmiģtir. 2. Bölüm Materyal ve Yöntem bölümü olup, öncelikli olarak tasarladığımız mobil robotla doğrudan bağlantılı olan gömülü sistemlere değinilmiģ ve gömülü sistemlerin Linux ile bağlantısı ele alınmıģtır. Yapılan çalıģmada temel eleman olarak kullanılan mini2440 geliģtirme kartının üzerinde bulunan ARM tabalı iģlemcilerle ilgili bilgi verilerek geliģtirme kartının bütün teknik özellikleri ele alınmıģtır. Daha sonra kablosuz haberleģme konusuna yer verilmiģtir. 3. Bölüm Sistem Donanımı bölümü olup, projemizde yapmıģ olduğumuz mobil robot sisteminde kullanılan temel elektronik sürme devreleri, batarya ve entegre beslemeleri, AK-ER silahı ateģleme devresi, eriģim noktası cihazı ve WLAN (Kablosuz Yerel Alan Ağı) USB (Evrensel Seri Veriyolu) yapıları ele alınmıģtır. Ayrıca projede kullanılan ateģleme kol yapısı, AK-ER silahı, webcam kamera, mobil robot kontrol yapısının
10 çalıģması, Qt Creator operatör arayüzü ve sistem yazılımları hakkında detaylı bilgilere yer verilmiģtir. 4. Bölüm AraĢtırma Bulguları ve TartıĢma bölümü olup, elde edilen bütün uygulama sonuçlarını içermektedir. Uygulama sonuçları ayrı ayrı yorumlanmıģ olup; sebepleri, geçerlilikleri ve uygulanabilirlikleri bu bölümde tartıģılmıģtır. 5. Bölüm Sonuçlar ve Öneriler bölümü olup, elde edilen sonuçların genel bir değerlendirilmesi özet olarak yapılmıģ ve bomba imha uzmanlarının kullanabileceği robotların özellikleri dikkate alınarak araģtırmacılara tavsiyelerde bulunulmuģtur.
11 2. MATERYAL VE YÖNTEM 2.1. Gömülü Sistemler Farkında olmadan çoğu kimse dolaylı olarak, genel amaçlı cihaz olarak tasarlanan ve içerisinde gömülü sistem mikroiģlemciye sahip cihazları etkin olarak kullanmaktadır (Heath, 2003). Günlük hayatta kullandığımız banka ATM leri (Otomatik Vezne Makinesi), cep telefonları, bilgisayar yazıcıları, fotokopi makineleri, disket sürücüleri, klima, termostat, hesap makineleri, mikrodalga fırınlar, çamaģır makinesi, televizyon setleri, DVD (Dijital Video Disk) oynatıcı/kaydedici gibi ev elektroniği ürünleri, tıbbi ekipmanlar, PDA (Dijital Özel Sekreter) ve Java destekli geliģmiģ cep telefonları, taģınabilir bilgisayarlar ve daha sayamadığımız birçok uygulama bunlara örnek olarak gösterilebilir (Çömlekçiler, 2009). Gömülü sistemler kiģisel bilgisayarlar gibi genel amaçlı kullanımlar için uygun değildir. KiĢisel bir bilgisayarla gömülü sistemle yapılabilecek iģler yapılabilmesine rağmen kaynakların verimsiz kullanımına yol açacağından dolayı tercih edilmemektedir. Bundan dolayıdır ki gömülü sistemler genellikle özel uygulamalar için kullanılmakta ve bu kullanımıma uygun olarak tasarlanmaktadır. Bir gömülü sistem, genel itibarıyla daha büyük bir sistemin parçası olarak ele alınır. Bir genel-amaçlı bilgisayar birden fazla gömülü sistemden oluģur. Örneğin klavye, fare, modem, video kartı, hard disk ve ses kartının her biri bir gömülü sistemdir (Okyay, 2006). Gömülü sistem olarak tanımlanan bu donanımlar, üzerlerinde kendi iģlemcileri bulunan, değiģik yöntemlerle programlanabilen, tek bir uygulamaya yönelik tasarlanmıģ akıllı ve az güç harcayan, güvenli ve istikrarlı iģlem ve kontrol yapılarıdır (Kurtoğlu, 2010). Ġstikrarlı olması, boyutlarının küçük olması, az güç harcaması ve bir çok uygulamada bilgisayarlara üstünlük sağlamaya baģlaması sebebiyle gömülü sistem uygulamalarının kullanımı gittikçe yaygınlaģmakta ve üretici firmalarda geliģtirdikleri gömülü sistem kartlarıyla bu ilerlemeye önemli derecede katkı sağlamaktadırlar.
12 2.2. Gömülü Sistemler ve Linux Özel gömülü iģletim sistemlerinin devamlı ilerlemesi birçok gömülü iģletim sistemiyle uğraģan kurumsal Ģirketlerde oldukça heyecana neden olmuģtur. Bu heyecanın birçok nedeni vardır çünkü cep telefonları, DVD oynatıcılar, video oyunları, dijital kameralar, ağ anahtarlarında ve kablosuz ağ donanımlarında gömülü sistem sıklıkla kullanılmaktadır. Gömülü sistemlerde kullanılmak üzere geliģtirilmiģ pek çok ticari ve ticari olmayan iģletim sistemi bulunmaktadır fakat geniģ bir yelpazede yer alan gömülü bilgisayar uygulamalarında genellikle Linux iģletim sistemi tercih edilmektedir (Lombardo, 2001). Linux iģletim sisteminin tercih edilmesinin nedenlerinden bazıları Ģunlardır; Çoklu görev yapısını destekleyen bir iģletim sistemidir Üst düzey bir iletiģim kütüphanesi vardır YerleĢik ağ yapısı desteğine sahiptir Kolay bir Ģekilde video ve ses giriģ-çıkıģ kabiliyeti vardır Aygıt sürücüsü ve tam bir destek çağrı seti vardır. Gömülü sistem uygulaması tasarlanmak istendiği zaman en önemli hususlardan biri Linux sürümünün boyutudur. Gömülü sistem kartlarının tasarımı fiziksel açıdan normal bilgisayarlara göre daha küçük olmasının yanında genellikle sahip oldukları hafıza yönüyle de daha küçük boyuta sahiptirler. Bu nedenle gömülü Linux un genel amaçlı uygulamalarda kullanılan Linux tan daha verimli çalıģması gerekmektedir (Karaca, 2006). Gömülü sistemler için Linux kullanımının, sadece alt katmandaki çekirdeğin sağlamlığı açısından değil, üzerinde çalıģılan ve yeni geliģtirilmekte olan uygulamaların çokluğu yönünden de ciddi getirileri vardır. Kaynak kodunun açık olmasından dolayı özelleģtirmelere çok müsait binlerce programa her geçen gün artarak yenileri eklenmektedir. Üstelik bu programlar da tüm dünyada çok sayıda kiģi tarafından kullanıldığından karģılaģılacak hatalar tespit edilerek düzeltilmekte ve geliģtirilmektedir. Böylece birçok yeni fikir ortak bir platformda değerlendirilerek ortaya çok güzel uygulamalar çıkmaktadır. Gömülü sistem Linux uygulamaları hayatımıza daha çok girmekte ve birçok alanda insanlığa hizmet etmektedir.
13 2.3. ARM Tabanlı ĠĢlemciler ARM 1983 ve 1985 tarihleri arasında Ġngiltere de (Cambridge) Acorn Bilgisayar ġirketi tarafından geliģtirilmiģtir. ARM mimarisi oldukça küçük olarak ĢekillendirilmiĢ ve yüksek performans sağlayacak Ģekilde tasarlanmıģtır. ARM iģlemcilerdeki mimari basitlik küçük fonksiyonların yerine getirilmesini sağlamaktadır. Basit fonksiyonların yerine getirmesinden dolayı da cihaz çok az güç tüketmektedir (Anonymous, 1996). ARM iģleciler RISC (ĠndirgenmiĢ Komut Takımı Bilgisayarı) ilkeleri temel alınarak tasarlanmıģtır. RISC kavramı 1980 lerde Stanford ve Berkeley Üniversitelerindeki iģlemci araģtırma programında ortaya çıkmıģtır. RISC mimarisi üç temel prensibe dayanır; 1. Bütün Komutlar tek bir çevrimde çalıģtırılmalıdır. Performans eģitliğinin gerekli kısmı bütün komutların tek bir çevrim içerisinde çalıģtırılmasıyla olur. Bu olayın gerçekleģebilmesi için bazı özelliklerin var olması gerekir. Komut kodu harici veri yoluna eģit ya da daha küçük sabit bir geniģlikte olmalı ve ayrıca ilave edilmek istenen operandlar desteklenmelidir. Aynı zamanda komut kodu çözümü gecikmeleri engellemek için dikey ve basit olmalıdır. ĠĢ-kodu veri geniģliğinden büyük olursa veya ek iģlenenlerin geri getirilmesi gerekirse birçok bellek çevrimi gerekir buda çalıģma zamanını artırır. 2. Belleğe sadece load ve store komutlarıyla ulaģılabilir. Eğer bir komut belleği doğrudan kendi amaçları çerçevesinde belleği yönlendirirse onu çalıģtırmak için birçok saykıl geçer. Komut alınıp getirilerek bellek gözden geçirilir. RISC iģlemcisiyle, belleğe yerleģmiģ veri bir kaydediciye yüklenir. Kaydedici gözden geçirildikten sonra içeriği ana belleğe yazılır. Bu seri en az 3 komutla yürütülür. Kaydedici tabanlı iģlem gerçekleģtirilmesinde performansın istenilen seviyede tutulabilmesi için GPRs (Genel Amaçlı Kaydediciye) ihtiyaç vardır 3. Mikrokod kullanmadan bütün icra birimleri donanımdan çalıģtırılmalıdır. Mikrokod kullanılırsa dizi ve benzeri verileri yüklemek için çok sayıda çevrime ihtiyaç duyulur. Bu yüzden tek-çevrimli icra birimlerinin yürütülmesinde tercih edilmezler (Topaloğlu ve Görgünoğlu, 2003). RISC mimarisinde daha basit komutlar kullanıldığı için tümdevre karmaģıklığı azalmıģtır. Ancak komutların kısa olmasından ötürü de bir görevin tanımlanabilmesi için daha fazla komuta gereksinim duyulmaktadır.
14 Günümüz RISC mikroiģlemcilerinde genel olarak Berkeley ve Standford modeli görülmektedir. Bu ikisi arasındaki temel fark kaydedici kümeleri ve bunların kullanımıyla ilgilidir. RISC mikroiģlemciler az sayıda komut türüne sahiptir. Bu komut türleri basit iģlemleri yerine getirebilir ve tek bir çevrimde her Ģeyi yürütebilir. Derleyici veya karmaģık iģlemli program sentezi birkaç basit komut tarafından birleģtirilebilir. 2.4. ARM Mini2440 GeliĢtirme Kartı ve Teknik Özellikleri Oldukça verimli ve uygun fiyata sahip olan Mini2440, ARM tabanlı iģlemciye sahip bir geliģtirme kartıdır. Bu geliģtirme kartı oldukça basit ve yüksek performansa sahiptir. Üzerinde S3C2440 Samsung mikroiģlemci vardır. Sistem iģleyiģinin kararlılığını sağlamak için reset düğmesi, görüntü alabilmek için CMOS (Bütünleyici Metal Oksit Yarıiletken) kamera desteği, LCD (Sıvı Kristal Görüntü Birimi) konnektör bağlantısı, GPIO (Genel Amaçlı GiriĢ ÇıkıĢ) birimi, Anolog/Dijital dönüģtürücü yapısı, TTL (Transistör-Transistör Lojik) seviyesinde çıkıģlar, SD (Güvenli Sayısal) hafıza kartı yuvası, RS232 seri port çıkıģı, RJ45 giriģi, PWM (Darbe GeniĢlik Modülasyonu) buzzer, mikrofon konnektörü, USB giriģi, JTAG (Ortak Test Eylem Grubu) konnektörü, mikrofon ve ses çıkıģı, NOR/NAND anahtar sistemi, sistem veri yolu birimi, kullanıcı anahtar ve konnektör yapısıyla birlikte kullanıcı ledleri mevcuttur. Detaylı olarak geliģtirme kartının genel görünümü Ģekil 2.1 de ve özellikleri ise tablo 2.1 de gösterilmiģtir. ġekil 2.1. Mini2440 geliģtirme kartının genel görünümü
15 Tablo 2.1. Mini2440 geliģtirme kartı donanım özellikleri DONANIM BĠRĠMLERĠ MERKEZĠ ĠġLEM BĠRĠMĠ SDRAM FLASH BELLEK SĠSTEMĠ SĠSTEM SAAT KAYNAĞI GERÇEK ZAMAN KAYNAĞI GĠRĠġ/ÇIKIġ ARAYÜZÜ SĠSTEM VERĠ YOLU ĠġLETĠM SĠSTEMĠ DESTEĞĠ DĠĞER SĠSTEM ÖZELLĠKLERĠ BOYUT ÖZELLĠKLER Samsung S3C2440A iģlemcisi vardır. Min: 400 Mhz ve max: 533 Mhz çalıģma hızına sahiptir. YerleĢik 64MB SDRAM (EĢ Zamanlı Dinamik Rasgele EriĢimli Bellek) e sahiptir, 32-bit data yolu vardır, SDRAM saat frekansı ise 100 Mhz den daha büyüktür. YerleĢik 64MB NAND flash ve 2MB NOR flash yapısı mevcuttur. 12Mhz pasif kristali vardır. Lityum batarya desteklemesi ile gerçek zaman saati vardır. 2mm geniģliğinde 34 pinli GPIO birimi vardır. 2mm geniģliğinde 40 pinli sistem veri yolu arayüzü birimi vardır. Linux 2.6.29 ve Windows CE.NET 5.0 iģletim sistemi desteği mevcuttur. 100Mbps Fast Ethernet RJ45 birimi vardır, 3 tane seri portu vardır, 1 tane ana ve 1 tanede yedek USB çıkıģı vardır. 1 tane SD card giriģ yuvası, 1 kanallı ses çıkıģ birimi, 2.0 mm aralıklı 10 pinli JTAG birimi, 4 tane kullanıcı ledi, 6 tane kullanıcı butonu, 1 buzzer PWM kontrolü, 1 tane ayarlanabilen dirençli analog/dijital testi için anaolog dijital konvertör, 2.0 mm aralıklı 20 pinli kamera konnektörü, yerleģik gerçek zaman saati, ıģıklı göstergesiyle beraber on/off anahtarlı güç arabirimi (5V) mevcuttur. 100 mm x100 mm boyutundadır.
16 2.4.1. SDRAM Bellek Sistemi Mini 2440 da iki tane 32 Mbyte lık olmak üzere toplam 64 Mbyte harici SDRAM vardır. Büyük bellek yoğunluğu ve yüksek bant geniģliği gerektiren baģlıca bellek uygulamaları için oldukça idealdir. Yüksek bant geniģliği sağlamak için ardıģık veri yolları vardır. Tüm giriģ ve çıkıģ voltaj seviyeleri LVTTL (DüĢük Voltaj Transistör-Transistör Lojik) ile uyumludur. ArdıĢık okuma ve yazma çevrimi sayısı tek bir kontrol komutu ile baģlatılabilir. Veri bloğu okuma ve yazma çevrimi veri bloğu sonlandırma komutu ile sonlandırılır veya kesilir ve her döngü yeni veri bloğu okuma ve yazma komutuyla değiģtirilir. ġekil 2.2 ve tablo 2.2 de SDRAM in genel yapısı görülmektedir. ġekil 2.2. HY57V561620 SDRAM in genel yapısı
17 Tablo 2.2. SDRAM bellek yapısında bacak bağlantılarının tanımlanması PĠN PĠN ĠSMĠ TANIMLAMA CLK CKE CS BA0, BA1 A0 - A12 RAS, CAS, WE UDQM, LDQM Saat Sinyali Saat Sinyali kontrolü Yonga kontrolü Adres grubu Adres Hattı Satır adres tetiklemesi, Sütun adres tetiklemesi, Yazma kontrolü Veri GiriĢ/ÇıkıĢ Mask Sistemin saat giriģidir. Diğer bütün giriģler saat sinyalinin yükselen kenarında SDRAM e kaydedilir. Dâhili saat sinyali kontrolüdür. Bu etkinleģtirilmediği zaman SDRAM deki veri akıģı duracak veya SDRAM kendini yenileyecektir. Beklenen bütün giriģleri (CLK, CKE, UDQM, LDQM) etkinleģtirir veya etkisizleģtirir Seçilen grup RAS aktif olduğu esnada aktif hale gelir ve CAS aktif hale geldiğinde ise okuma/yazma iģlemi gerçekleģir. Adres bilgilerinin gönderilip alındığı veri iletim yoludur. RAS, CAS ve WE nin çalıģmasını tanımlar. Okuma modunda çıkıģ arabellek ve yazma modunda çıkıģ maskesi kontrolleri DQ0 DQ15 Veri GiriĢ/ÇıkıĢ Hattı ÇoğullanmıĢ veri giriģ/çıkıģ bağlantı bacağı VDD/VSS Besleme Gerilimi/Toprak Dahili devler ve giriģ tampon devreleri için güç kaynağı VDDQ/VSSQ Data ÇıkıĢ Gücü/Toprak ÇıkıĢ tampon devreleri için güç kaynağı NC Bağlantı Hattı Yok Herhangi bağlantısı yoktur. 2.4.2. FLASH Bellek Sistemi Flash bellek teknolojisini genel olarak iki farklı kategoride değerlendirmek mümkündür. Bunlar NOR flash teknolojisi ve NAND flash teknolojisidir. Mini2440 gömülü sistem cihazında On/Off (Aç/Kapat) anahtar sistemi sayesinde her iki flash bellek sistemiyle iģlem yapmak mümkündür. 2.4.2.1. NOR Flash Bellek Sistemi NOR kapılı flaģta, her hücrenin bir ucu doğrudan toprakla bağlantılıdır. Diğer ucu ise Bit Hattına bağlıdır. ġekil 2.3 deki bu diziliģ NOR flash olarak adlandırılır. Çünkü bu diziliģ bir NOR kapısı gibi davranır. Word hattından bir tanesi yüksek
18 seviyede (lojik 1) olduğu zaman ilgili bellek transistörü bit hattını düģük seviyeye (lojik 0) çekmeye çalıģır. NOR flash ayrık kalıcı bellek cihazı gerektiren gömülü uygulamalarda tercih edilmektedir. NOR cihazlarının okumadaki gecikmesi oldukça azdır ve bundan dolayı tek bir bellek ürününde hem veri depolaması hem de kod yürütülmesi birlikte sağlanabilmektedir (Anonymous, 2011). ġekil 2.3. NOR flash bellek bağlantısı ve silikon yapısı ġekil 2.4 te mini2440 cihazında bulunan NOR flash yapısı görülmektedir. ġekil 2.4. Mini2440 NOR flash yapısı
19 2.4.2.2. NAND Flash Bellek Sistemi NAND flash ta kayan kapı transistörü kullanılır. Bu transistörler birbirine seri Ģekilde bağlanmıģlardır. Sadece kelime hatları yüksek seviyeye (lojik 1) çekilir. Bit hattı ise düģük seviyede (lojik 0) durumundadır. Seri Ģekilde bağlanmıģ transistör gruplarına NOR yapısında birden fazla transistör eklenebilir. NAND flash sisteminde yazma ve silme için tünel enjeksiyon kullanılır. NAND flash bellek bugün mevcut flash sürücülerin yanı sıra çok sayıda bellek kartı formatlarında kullanılmaktadır. Bu flash sistemi USB bellek yapısının çekirdek kısmını oluģtururlar (Anonymous, 2011). ġekil 2.5 te NAND flash yapısının genel Ģekli görülmektedir. ġekil 2.5. NAND flash bellek bağlantısı ve silikon yapısı Mini2440 cihazında Ģekil 2.6 da görüldüğü bibi NAND flash yapısı görülmektedir. Bu yapının bacak bağlantılarıyla ilgili detaylı bilgiler tablo 2.6 da verilmiģtir. ġekil 2.6. Mini2440 NAND Flash Yapısı
20 Tablo 2.3. Mini2440 NOR ve NAND flash yapısı bacak bağlantısı PĠN A0 A19 DQ0 DQ14 DQ15/A-1 BYTE CE OE WE RESET TANIMLAMA 20 tane adres ucu vardır. 15 tane veri giriģ/çıkıģ ucu vardır. DQ15 ucu veri giriģ/çıkıģı (bit dizisi Ģeklindedir) A-1 ucu LSB adres giriģi (8 bit dizisi Ģeklindedir). 8 bit veya 16 bit modunu seçme ucu Yonga kontrolü ÇıkıĢ kontrol bağlantı bacağı Yazma kontrolü Donanım reset ucu RY/BY Hazır/MeĢgul çıkıģ ucu (N/A SO 044) VCC VSS NC 3V luk besleme gerilimi ucu Cihazın toprak ucu Dâhili olarak bağlantılı olmayan uç 2.4.3. Güç Kaynağı Sistemi Birimi GeliĢtirme kartının güç kaynağı sistemi oldukça basittir. 5V luk harici güç kaynağıyla doğrudan kullanılır. Mini2440 gömülü sisteminde diğer sistem elemanları için 3,3V, 1,8V ve 1,25V gerilimlere ihtiyaç vardır. Bu gerilimler 5V luk harici güç kaynağından alınan gerilimin düģürülmesiyle oluģturulur. S1 on/off anahtar sistemiyle tüm sistem kontrol edilir. AĢağıdaki Ģekil 2.7, Ģekil 2.8 ve Ģekil 2.9 da güç kaynağı sistemi ele alınmıģtır. ġekil 2.7. 5V luk gerilim kaynağından 1,8V luk gerilimin elde edilmesi
21 ġekil 2.8. 5V luk gerilim kaynağından 3,3V luk gerilimin elde edilmesi ġekil 2.9. 3,3V luk gerilim kaynağından 1,25V luk gerilimin elde edilmesi ġekil 2.10. Besleme gerilimi anahtar sistemi ve ikinci besleme kaynağının genel görünümü Ayrıca ikinci bir 5V luk besleme kaynağı giriģ soketi de mevcuttur. Bu Ģekil 2.10 de ayrıntılı olarak görüldüğü gibi CON8 giriģidir.
22 2.4.4. Donanım Reseti GeliĢtirme kartında düģük CPU (Merkezi ĠĢlem Birimi) reset atmak için profesyonel MAX811 reset anahtarı kullanılmıģtır. ġekil 2.11 de donanım reset anahtarının yapısı görülmektedir. ġekil 2.11 Mini2440 reset anahtarının yapısı 2.4.5. Kullanıcı Ledleri Mini 2440 da en sık kullanılan yapı olan kullanıcı led leri (IĢık Yayan Diyod), cihazın durumuyla ilgili genel bilgi verir. GeliĢtirme kartında 4 tane programlanabilir olarak kullanılabilen led vardır. Bu ledler doğrudan CPU ve GPIO ile bağlantılıdır. 2.4.6. Kullanıcı Butonları GeliĢtirme kartında, toplam 6 tane kullanıcı test butonu vardır. Bu butonlar düģük güç seviyesinde tetiklenebilen CPU kesme pinleriyle doğrudan bağlantılıdır. Bu pinler GPIO portu için özel özellikler taģırlar ve çoğaltılabilirler. Kullanıcı bu butonları CON12 çıkıģı sayesinde baģka amaçlarla yönetebilir. Sekiz tane pin ucu bulunan CON12 çıkıģının çeģitli fonksiyonları tablo 2.4 de ve yapısı ise Ģekil 2.12 de ele alınmıģtır.
23 Tablo 2.4. Butonların çeģitli fonksiyonlarının tanımlanması K1 K2 K3 K4 K5 K6 KESME BAĞLANTISI EINT8 EINT11 EINT13 EINT14 EINT15 EINT19 GPIO KULLANIMI GPG0 GPG3 GPG5 GPG6 GPG7 GPG11 ÖZEL FONKSĠYON 1 BOġ nss1 SPIMISO1 SPIMOSI1 SPICLK1 TCLK1 CON12 BAĞLANTISI CON12.1 CON12.2 CON12.3 CON12.4 CON12.5 CON12.5 ġekil 2.12. Kullanıcı butonlarının yapısı ucudur. Yukarıdaki Ģekil 2.12 deki CON12.7 besleme ucudur ve CON12.8 ise toprak 2.4.7. Anolog/Dijital GiriĢ Birimi GeliĢtirme kartında tüm A/D (Anolog/Dijital) dönüģtürücü kanalları rahatlıkla kontrol edilebilmektedir. Mini2440 da bulunan dönüģtürücü çıkıģları CON4 GPIO arayüzü vasıtasıyla yapılmaktadır. Anolog/Dijital testini kolaylaģtırmak için AIN0 giriģi ayarlanabilir direnç (W1) ile bağlantılıdır. Bu durum Ģekil 2.13 de görülmektedir.
24 ġekil 2.13. Mini2440 Analog/Dijital giriģ yapısı 2.4.8. PWM Kontrol Ses Birimi GeliĢtirme kartındaki hopörler Ģekil 2.14 de görüldüğü gibi PWM (Darbe GeniĢlik Modülasyonu) çıkıģı olan GPBO ucunun yazılımsal olarak kontrol edilmesiyle çalıģtırılabilmektedir. ġekil 2.14. PWM kontrol ses yapısı 2.4.9. Seri Port Yapısı S3C2440 da UART0,1,2 (Evrensel Asenkron Alıcı Verici) olmak üzere toplam 3 tane seri port çıkıģı vardır. Çoğu uygulamalarda basit olarak 3 seri bağlantıyı da kullanabiliriz. CPU ile doğrudan iliģkili olan bu arayüzler TTL seviyesindedir. Kullanıcının rahatlığı için COM0 ile uyumlu olan UART0 RS232 dönüģtürücü olarak kullanılabilir.con1, CON2 ve CON3 ün bağlantı Ģekli Ģekil 2.15 de gösterilmiģtir.
25 ġekil 2.15. Mini2440 USB arayüzü yapısı Mini2440 geliģtirme kartında iki adet USB arabirime sahiptir. Bunlardan bir tanesi ana USB ve diğeri ise bağımlı USB dir. Ana USB birimine direk olarak USB kamera, USB klavye, USB mouse bağlantısı yapılabilir. Bağımlı USB birimi genellikle Mini2440 cihazına yazılım yüklemek için kullanılmaktadır. Kullanıcının bağımlı USB birimini rahatlıkla kullanabilmesi için USB-EN sinyalinin aktif olması gerekir. Bu sinyalin aktif olabilmesi için CPU kaynağının GPC5 bacağı kullanılır. ġekil 2.16 da ana USB ve yedek USB birimi görülmektedir. ġekil 2.16. Mini2440 ana USB ve yedek USB arayüzü genel yapısı
26 2.4.10. LCD Birimi GeliĢtirme kartındaki LCD arayüzü kırk bir tane pini olan ve pinler arasında 0.5mm aralık bulunan bir soket konnektörden oluģur. Çoğu LCD de kullanılan Satır- Alan Taraması, Saat ve Yetkilendirme gibi kontrol sinyalleri ve aynı zamanda bütün RGB (Kırmızı,YeĢil,Mavi) veri sinyalleri (RGB çıkıģı 8:8:8, LCD arayüzü maksimum 16 milyon rengi desteklemektedir) mevcuttur. LCD de GPB1 ucunun yapılandırılmasıyla PWM çıkıģı sağlanabilir. Arka plan ıģık kontrol sinyali LCD_PWR ucudur. Bunlara ilaveten LCD nin 37-38-39-40 numaralı pinleri doğrudan dokunmatik ekran kullanımına bağlıdır. J2 arayüzü LCD sürücü güç kaynağının beslemesinin seçilebilmesini sağlar. Mini2440 geliģtirme kartında 5V luk gerilim kaynağıyla LCD arayüzü sürülmüģtür. ġekil 2.17 de LCD nin yapısı ayrıntılı olarak ele alınmıģtır. ġekil 2.17. Mini2440 LCD arayüzü genel yapısı
27 2.4.11. EEPROM Yapısı Mini2440 geliģtirme kartı AT24C08 EEPROM (Elektriksel Olarak Ġçeriği Silinip Yeniden Programlanabilen Salt Okunur Bellek) yongasının I2C sinyal pinleriyle doğrudan CPU ile bağlantılıdır. EEPROM un kapasitesi 256 byte dır. ġekil 2.18 de ayrıntılı olarak EEPROM un yapısı görülmektedir. ġekil 2.18. Mini2440 EEPROM yapısı 2.4.12. Network Birimi GeliĢtirme kartında DM9000 LAN (Yerel Alan Ağı) yongası kullanılmıģtır. Bu yonga 10/100Mbyte ağ yapısını desteklemektedir. Gerekli IP konfigürasyonları yapıldıktan sonra doğrudan baģka bir ağ dönüģtürücüye gerek kalmaksızın anahtar veya yönlendirici birimlerine doğrudan bağlanılabilir. ġekil 2.19 da bu yapı ayrıntılı olarak görülmektedir.
28 ġekil 2.19. Mini2440 network sistemi yapısı 2.4.13. Ses Birimi S3C2440 da yerleģik I2S veri yolu arayüzü vardır. Doğrudan harici 8/16 bit stereo kod yapısı mevcuttur. Ayrıca geliģtirme kartında I2S veri yoluna dayalı olarak UDA1341 ses kod çözücü yonga sistemi mevcuttur. GeliĢtirme kartında genel olarak yerleģik yapıda ve 3.5mm soketli ses çıkıģ sistemi vardır. CON10 konnektörü vasıtasıyla ses kayıt iģlemi yapılabilmektedir. ġekil 2.20 de ses birimi ayrıntılı olarak ele alınmıģtır.
29 ġekil 2.20. Mini2440 ses birimi yapısı 2.4.14. JTAG Birimi Elektronikte çok sık olarak kullanılan flash beleklerin veya iģlemcilerin bulunduğu kart üzerinden hiç sökülmeden JTAG pinlerine gerekli pinlerinin lehimlenmesi ve üzerindeki yüklü programın silinip tekrar programın geri yüklenmesi olayını sağlayan birim JTAG arayüzüdür. Normal olarak JTAG arayüzünde 4 tane önemli uç vardır. Bunlar TMS, TCK, TDI ve TDO dur. TMS ucu, mod seçme ucu; TCK ucu, saat sinyali; TDI ucu, veri giriģi ucu ve TDO ucu ise, veri çıkıģı hattıdır. Hata ayıklamanın daha etkin yapılabilmesi için çoğu JTAG arayüzünde reset sinyali de mevcuttur. Mini2440 geliģtirme kartımızda 10 pinli standart bir JTAG Arayüzü mevcuttur. Bu arayüz ayrıntılı olarak Ģekil 2.21 de ayrıntılı olarak ele alınmıģtır. ġekil 2.21. Mini2440 JTAG arayüzü yapısı
30 2.4.15. GPIO Birimi GPIO giriģ-çıkıģ bağlantı noktası olarak adlandırılmaktadır. GeliĢtirme kartında pinler arası 2mm aralık bulunan 34 pinli CON4 konnektörü GPIO arayüzü birimidir. Aslında CON4 konnektörü sadece GPIO pinlerini içermez. Aynı zamanda CPU pinleriyle ilgili bir dizi özellik de içerir. AD0, AIN3, CLKOUT gibi sinyal pinleri bunlara örnektir. GPIO nun yapısı Ģekil 2.22 de ayrıntılı olarak ele alınmıģtır. ġekil 2.22. Mini2440 GPIO arayüzü yapısı AĢağıda tablo 2.5 te Mini2440 GPIO yapısı bacak bağlantılarıyla ilgili detaylı olarak bilgiler verilmiģtir.
31 Tablo 2.5. GPIO butonların çeģitli fonksiyonlarının tanımlanması CON4 PĠN ĠSMĠ KULLANILABĠLEN KULLANILABĠLEN CON4 PĠN ĠSMĠ DĠĞER FONKSĠYONU DĠĞER FONKSĠYONU 1 VDD 5V'luk güç kaynağı (GiriĢ veya ÇıkıĢ) 2 VDD 3,3V'luk çıkıģ güç kaynağı 3 GND Toprak 4 nreset ÇıkıĢ reset sinyali 5 AINO AD giriģ kanalı 0 6 AIN1 AD giriģ kanalı 1 7 AIN2 AD GĠRĠġ KANALI 2 8 AIN3 AD giriģ kanalı 3 9 EINT0 EINT0/GPF0 10 EINT1 EINT1/GPF1 11 EINT2 EINT2/GPF2 12 EINT3 EINT3/GPF3 13 EINT4 EINT4/GPF4 14 EINT5 EINT5/GPF5 15 EINT6 EINT6/GPF6 16 EINT8 EINT8/GPG0 17 EINT9 EINT9/GPG1 18 EINT11 EINT11/GPG3/nSS1 19 EINT13 EINT13/GPG5/SPIMISO1 20 EINT14 EINT14/GPG6/SPIMOSI1 21 EINT15 EINT15/GPG7/SPICLK1 22 EINT17 EINT17/GPG9/nRST1 23 EINT18 EINT18/GPG10/nCTS1 24 EINT19 EINT19/GPG11 25 SPIMISO SPIMISO/GPE11 26 SPIMOSI SPIMOSI/EINT14/GPG6 27 SPICLK SPICLK/GPE13 28 nss_spi nss_spi/eint10/gpg2 29 I2CSCL I2CSCL/GPE14 30 I2CSDA I2CSDA/GPE15 31 GPBO TOUT0/GPBO 32 GPB1 TOUT1/GPB1 33 CLKOUT0 CLKOUT0/GPH9 34 CLKOUT1 CLKOUT/GPH10 2.4.16. CMOS Kamera Arayüzü GeliĢtirme kartında pinler arası 2mm aralık bulunan 20 pinli CON20 konnektörü CMOS kamera arayüzüdür. Mini2440 kartının üzerinde gerçek CAM130 kamera modülü arayüzü vardır. Bu arayüz bir yönlendirici gibi iģlev görür. Kamera arayüzüne ZT130G2 kamera modülü doğrudan bağlanabilir. ġekil 2.23 de CMOS kamera arayüzü ayrıntılı olarak ele alınmıģtır. ġekil 2.23. Mini2440 CMOS kamera yapısı
32 CMOS kamera butonlarının çeģitli fonksiyonları tablo 2.6 da ayrıntılı olarak incelenmiģtir. Tablo 2.6. CMOS kamera butonların çeģitli fonksiyonlarının tanımlanması KAMERA PĠN ĠSMĠ KULLANILABĠLEN KULLANILABĠLEN KAMERA PĠN ĠSMĠ DĠĞER FONKSĠYONU DĠĞER FONKSĠYONU 1 I2CSDA GPE15 2 I2CSCL GPE14 3 EINT20 GPG12 4 CAMRST GPJ12 5 CAMCLK GPJ11 6 CAM_HREF GPJ10 7 CAM_VSYNC GPJ9 8 CAM_PCLK GPJ8 9 CAMDATA7 GPJ7 10 CAMDATA6 GPJ6 11 CAMDATA5 GPJ5 12 CAMDATA4 GPJ4 13 CAMDATA3 GPJ3 14 CAMDATA2 GPJ2 15 CAMDATA1 GPJ11 16 CAMDATA0 GPJ0 17 VDD 3,3V'luk güç kaynağı 18 VDD_CAM VDD_CAM 19 VDD 1,8V'luk güç kaynağı 20 GND Toprak 2.4.17. Sistem Veri Yolu Birimi GeliĢtirme kartında CON5 konnektörü sistem veri yolu arayüzüdür. Bu arayüz 16 tane data hattı (D0-D15), 8 tane adres hattı (A0-A6) içerir. Bu arayüzde yonga seçme, okuma, yazma ve reset gibi kontrol sinyalleri de mevcuttur. ġekil 2.24 de ayrıntılı olarak sistem veri yolu birimi ele alınmıģtır. ġekil 2.24. Sistem veri yolu yapısı
33 alınmıģtır. Tablo 2.7 de ayrıntılı olarak sistem veri yolu butonların çeģitli fonksiyonları ele Tablo 2.7. Sistem veri yolu butonların çeģitli fonksiyonlarının tanımlanması CON5 PĠN ĠSMĠ 1 VDD KULLANILABĠLEN DĠĞER FONKSĠYONU 5V'luk güç kaynağı (GiriĢ veya ÇıkıĢ) KULLANILABĠLEN KAMERA PĠN ĠSMĠ DĠĞER FONKSĠYONU 2 GND Toprak 3 EINT17 Kesme 17 (GiriĢ) 4 EINT18 Kesme 17 (GiriĢ) 5 EINT3 Kesme 3 (GiriĢ) 6 EINT9 Kesme 3 (GiriĢ) 7 ngcs1 Yonga seçme 1 (Fiziksel adres karģılığı 0X08000000) 8 ngcs2 Yonga seçme 2 (Fiziksel adres karģılığı 0X10000000) Yonga seçme 3 Yonga seçme 5 (Fiziksel adres 9 ngcs3 (Fiziksel adres karģılığı 10 ngcs5 0X18000000) karģılığı 0X28000000) 11 LnOE Okuma seçme sinyali 12 LnWE Yazma seçme sinyali 13 nwait Bekleme sinyali 14 nreset Reset 15 nxdack0 nxdack0 16 nxdreq0 nxdreq0 17 LADDR0 Adres 0 18 LADDR1 Adres 1 19 LADDR2 Adres 2 20 LADDR3 Adres 3 21 LADDR4 Adres 4 22 LADDR5 Adres 5 23 LADDR6 Adres 6 24 LADDR7 Adres 7 25 LDATA0 Data hattı 0 26 LDATA1 Data hattı 1 27 LDATA2 Data hattı 2 28 LDATA3 Data hattı 3 29 LDATA4 Data hattı 4 30 LDATA5 Data hattı 5 31 LDATA6 Data hattı 6 32 LDATA7 Data hattı 7 33 LDATA8 Data hattı 8 34 LDATA9 Data hattı 9 35 LDATA10 Data hattı 10 36 LDATA11 Data hattı 11 37 LDATA12 Data hattı 12 38 LDATA13 Data hattı 13 39 LDATA14 Data hattı 14 40 LDATA15 Data hattı 15 2.5. Kablosuz Ağlar Kablosuz iletiģim, bilgi taģıyan anlamlı sinyallerin amacına uygun olarak ve bir frekans kullanılarak atmosfer yoluyla uç terminaller arasında taģınması olayıdır (Özbilen, 2006). Veri taģıyan anlamlı bu sinyaller bir noktadan diğer bir noktaya elektromanyetik enerji formunda yayılırlar. Elektromanyetik enerji, birbirleriyle etkileģen elektriksel ve manyetik alanlardan oluģan güç, ses, radyo dalgaları, kızıl ötesi ıģık, görünür ıģık, X ıģını, gama ıģını ve kozmik ıģınları içeren bir enerjidir (Sezgin,
34 2009). IĢınım türlerine göre elektromanyetik dalgalar Ģekil 3.6 da görüldüğü gibi frekans aralıklarına (diğer bir deyiģle dalda boylarına) göre sınıflandırılmaktadır. Kablosuz veri iletiģimi açısından frekans spektrumunda en çok kullanılan ıģınım türleri radyo ve mikrodalga ıģınımlarıdır (Özbilen, 2006). Günümüzde hemen hemen her gereksinim için kablosuz çözümler geliģtirilmiģtir. Yerel alan ağı, uzak bağlantı, yakın bağlantı, kentsel alan uygulamaları ve telefon Ģebekesi gibi birçok sayısız alanda kablosuz iletiģim yapacak teknoloji ve standart geliģtirilmiģtir (Çölkesen, 2009). Kablosuz ağ denildiğinde akla ilk olarak WLAN, HiperLAN (Yüksek Performanslı Radyo Yerel Alan Ağı), Bluetooth, WĠMAX (Kablosuz GeniĢbant Ġnternet EriĢimi), GSM (Mobil ĠletiĢim Ġçin Küresel Sistem), LMDS (Yerel Çoklu Dağıtım Servisi) gibi uygulamalar gelmektedir (Çölkesen ve Örencik, 2008). Kablosuz ağların yaģantımızdaki en büyük katkısı, kablo derdi olmadan sunduğu eriģim imkânıdır. Kapsama alanı içerisindeki özgür bir Ģekilde hareket kabiliyeti önemli bir konfordur. Kapsama alanı baģlangıç itibarıyla bir sorun gibi görünse de ticari WĠ-FĠ (Kablosuz Bağlantı Ayarı) ve WĠMAX servislerinin yaygınlaģmasıyla birlikte, eriģilebilirlik sorunu ortadan kalkmaya baģlayacak ve kablosuz haberleģmenin nimetlerinden daha fazla yararlanılacaktır (Özbilen, 2006). Ġkiden fazla cihazın birbirleriyle haberleģmesi için ağ teknolojileri kavramı ön plana çıkmaktadır. OluĢturulan yerel veya metropoliten bir ağ içerisinde cihazlar, birbirleriyle belirli standartlar çerçevesinde kablolu veya kablosuz olarak haberleģebilmektedir (EriĢti, 2009).
35 3. MOBĠL ROBOT VE ATEġLEME SĠSTEMĠ TASARIMI Yapılan bu çalıģmada sistem donanımı olarak; mini2440 geliģtirme kartı, WLAN USB, webcam kamera, AK-ER taģıyıcı kol, kamera ve AK-ER taģıyıcı kolun istenilen açılarda dönebilmesi için adım motoru, aracın ileri, geri hareket edebilmesi, sağa ve sola dönebilmesi için tekerlerle doğrudan bağlantılı 4 adet DC (Doğru Akım) motor, mini2440 geliģtirme kartıyla seri haberleģebilen PIC16F877A entegresi tabanlı motor kontrolü, bilgisayardaki arayüz vasıtasıyla istenilen komutların araca iletilmesini sağlayan eriģim noktası cihazı, DC motorları sürebilmek için L298 sürücü entegresi, adım motorlarını sürebilmek için ULN2803 sürücü entegresi kullanılmıģtır. Mobil araçta giriģ beslemesi olarak 14.8V ve 4200mA lik lityum polimer batarya tercih edilmiģtir. Adım motorlarının besleme gerilimi 12V ve DC motor sürme devresinin giriģ beslemesi 5V olup motorlar ise 10V luk gerilimle beslenmiģtir. PIC16F877A entegresi ise 5V luk gerilimle beslenmiģtir. Yapılan çalıģmada yazılım olarak, Qt Creator tabanlı görsel operatör arayüzü, C++ tabanlı mini2440 geliģtirme kartı ve C++ tabanlı PIC16F877A kontrol kartı yazılımları geliģtirilmiģtir. Sisteminin çalıģması, mobil robotu ve ateģleme sistemini kontrol eden ve harici bir bilgisayara yüklenen operatör arayüzü sayesinde yapılmaktadır. ġekil 3.1 de, geliģtirilen uzaktan kontrollü mobil robot sistemi genel olarak görülmektedir. ġekil 3.1. Uzaktan kontrollü mobil robot genel görünümü
36 3.1. Operatör Arayüzü Mobil aracımızın uzaktan kontrolünün sağlanması ve görüntünün izlenebilmesi için, birden çok platformu destekleyen Qt Creator tabanlı görsel operatör arayüzü oluģturulmuģtur. ġekil 3.2 (a) da görüldüğü gibi Qt Creator, nesne tabanlı bir geliģtirme platformudur. Robot kontrol operatör arayüzü ġekil 3.2 (b) de ayrıntılı olarak görülmektedir. Tasarlanan bu operatör arayüzünde; bağlantı ayarları, video, AK-ER kontrol, kamera kontrol ve robot kontrol fonksiyon blokları mevcuttur. Bağlantı ayarları bloğunda, IP ve port bağlantı ayarları kolaylıkla yapılabilmekte, bu ayarlar ve bağlantı durumu bilgi ekranından takip edilebilmektedir. Video bloğunda, anlık olarak görüntü alma ve durdurma iģlemleri BaĢlat ve Durdur butonları ile sağlanmaktadır. AK-ER silahının hedefe doğru bir Ģekilde yönlendirilmesi ve ateģleme yapabilmesi AK-ER kontrol butonları ile yapılmaktadır. Kameradan doğru açılarda görüntü alınabilmesi için kameranın sağa ve sola hareketini sağlayan ilgili butonlar arayüzde kamera kontrol bloğunda yer almaktadır. Aynı zamanda aracın ileri veya geri gidebilmesi ve sağa veya sola kontrollü olarak dönebilmesi ile ilgili iģlevler robot kontrol bloğunda bulunan kontrol butonları ile sağlanmaktadır. (a)
37 (b) ġekil 3.2. (a) Qt Creator arayüzünün genel görünümü, (b) Tasarlanan operatör arayüzünün genel görünümü Kullanıcı arayüzüne ait program akıģ Ģeması ġekil 3.3 de görüldüğü gibidir. Program icra edilirken ilk olarak UDP soketinin, Thread in ve TCP soketinin baģlangıç ayarları yapılmaktadır. Daha sonra TCP istemcisi (Video Görüntü Ġstemcisi) ve UDP istemcisi (Motor Kontrol Ġstemcisi) gibi farklı iģlemlerin birbirlerine engel olmadan çalıģabilmesi için Thread yapısını oluģturulmaktadır. Böylece video kontrol bloğunda kameradan alınan görüntü anlık olarak icra edilirken, aynı arayüz içerisinde programın motor kontrol fonksiyonlarını da yerine getirebilmesi sağlanmıģtır. Bu sayede tasarladığımız robot kontrol arayüzü daha iģlevsel bir hale getirilmiģtir. Kullanıcı arayüzüne ait Qt Creator yazılım kodları EK-1 deki programlarda verilmiģtir.
ġekil 3.3. Robot kontrol arayüzü algoritması 38
39 3.2. Mobil Robot Yapısı ÇalıĢmada bir prototip taģıyıcı robot tasarlanmıģ ve gerçekleģtirilmiģtir. ġekil 3.4 te görüldüğü gibi tasarlanan mobil robot mekaniğinde aracı oluģturan 6 parça profil, tekerler ve tekerlerle doğrudan bağlantılı dört tane DC motor detaylı olarak görülmektedir. Mobil aracın dıģ gövdesinde alt, üst, ön, arka ve yan parçalar olmak üzere 6 adet parça kullanılmıģtır. Aracın altını ve üstünü oluģturan simetrik profiller 155 mm x 140 mm ebatlarında ve 2 mm kalınlığında ince bir alüminyumdur. Üst profilin üzerindeki delikler vasıtasıyla AK-ER silahının sağa ve sola dönmesini sağlayan adım motoru mobil araca monte edilmiģtir. Alt profildeki deliklere ise aracın elektronik devre kartı uygun Ģekilde ve gerekli aparatlar kullanılarak monte edilmiģtir. Yanlardaki simetrik profiller ise aracın alt ve üst parçalarını bir arada tutmaktadır. Bu profil 190 mm x 35 mm ebatlarında ve 2 mm lik ince bir yapıdadır. Aynı zamanda yan profillerde aracın hareketini sağlayan dc motorların monte edilebileceği yerler vardır. Bu sayede doğrudan tekerlerle bağlantılı olan dört tane dc motor ile aracın hareketi sağlanmaktadır. Ön ve arkadaki profiler ise mobil aracımızı tamamlayan diğer parçalardır. Bu simetrik profiller 142 mm x 38 mm ebatlarında ve 2 mm kalınlığında bir yapıdadır. Aracın ön tarafındaki profil üzerine yerleģtirilen ve ġekil 3.5 te gösterilen yapı ise webcam kamerayı taģıyan ve yönlendiren parçadır. Bütün bu parçalar birbirlerine montaj edilebilecek özelliktedir. Bu sayede aracın rahatlıkla montajı ve demontajı yapılabilmektedir. ġekil 3.4. Mobil aracı oluģturan temel parçalar
40 ġekil 3.5. Webcam kamera taģıyıcı Aracın üst profilinde ise mini2440 geliģtirme kartının, USB çoklayıcının ve bataryanın yerleģtirilebilmesi için 200 x 150 mm ebatlarında 3mm lik plastik profil bulunmaktadır. ġekil 3.6 da solda sağa doğru aracın montaj aģamaları ve üzerindeki sistem donanımlarının montajı ayrıntılı olarak verilmiģtir. ġekilden görülüğü gibi önce aracın temel taģıyıcı profilleri monte edilmiģ, sonra tekerlekler ve kamera taģıma aparatı monte edilmiģtir. Daha sonra sırasıyla elektronik devre kartları, plastik profil, bataryalar, mini 2440 geliģtirme kartı, AK-ER silahı taģıma aparatı ve AKER silahı monte edilmiģtir. ġekil 3.6. Tasarlanan aracın montajı
41 3.3. Mobil Robot Kontrol Sistemi Mobil robot sistemimizin kontrolü üç farklı yapının birbirleriyle haberleģmesi sayesinde olmaktadır. ġekil 3.7 de bu yapılar ayrıntılı olarak görülmektedir. ġekil 3.7. Tasarlanan kontrol sistemin genel blok gösterimi
42 Mobil araç sistemimiz farklı platformlarda bulunan (Bilgisayar arayüzü, mini2440 geliģtirme kartı ve PIC16F877A mikroiģlemcisi) üç adet yazılım ile çalıģmaktadır. Bilgisayar tarafında; Qt Creator geliģtirme ortamında tasarlanan robot kontrol arayüzü yazılımı, mini2440 geliģtirme kartında; UDP sunucusu ve HTTP (Hipermetin Aktarma ĠletiĢim Kuralı) video sunucusu (mjpeg_streamer) yazılımları ve son olarak PIC16F877A mikroiģlemci üzerinde; motor kontrol ve seri haberleģme yazılımları mevcuttur. Bilgisayar tarafındaki robot kontrol yazılımıyla robotun uzaktan denetimi sağlanmıģtır. Robot kontrol yazılımı TCP istemcisi (Video görüntü istemcisi), UDP istemcisi (Motor kontrol istemcisi) ve Thread (Farklı iģlemlerin aynı anda çalıģtırılması için gerekli sınıf) yapılarını barındırmaktadır. Sistemimiz TCP haberleģmesi ile mini2440 üzerinde bulunan mjpeg_streamer yazılımı sayesinde webcam den görüntüyü çekmektedir. UDP haberleģmesi ile motor kontrol fonksiyonları yerine getirilebilmekte ve bu iki farklı iģlemlerin birbirinden bağımsız olarak aynı arayüzde üzerinde sorunsuz bir Ģekilde çalıģabilmesi için ise Thread yapısından yararlanılmıģtır. Mini2440 geliģtirme kartı üzerinde çalıģan UDPRobot programı ve mjpeg_stremaer programları Linux ortamında geliģtirilmiģ ve arm-linux-gcc ile derlenmiģtir. UDPRobot programı içerisinde mini2440 geliģtirme kartının seri haberleģme birimini kontrol eden ve UDP portunu açarak sürekli bu portu dinleyen bir yazılım mevcuttur. UDP üzerinden gelen istekler ise seri port aracılığıyla PIC16F877A mikroiģlemcisine aktarılmaktadır. UDPRobot programı mini2440 cihazının çalıģtırılmasına müteakiben otomatik olarak çalıģmakta ve komut beklemektedir. Komut geldikten sonra bu komutla ilgili iģlemin yapılabilmesi için seri porta bu bilgiyi göndermekte ve daha sonra tekrar UDP portunu dinlemektedir. Bu iģlem sonsuz bir döngü içerinde sürekli icra edilmektedir. ġekil 3.8 de UDPRobot yazılım algoritması ayrıntılı olarak görülmektedir. PIC16F877A mikroiģlemcine ait yazılım ise iki farklı temel bölümden oluģmaktadır. Birinci bölümde; sonsuz bir döngüde seri portu dinleyerek mini2440 portundan gelen istekler doğrultusunda yapılan iģlemler, ikinci bölümde ise; DC motor grubu ve step motorların kontrolü ile AK-ER silahının ateģlemesinin gerçekleģtirilmesi iģlemleri vardır. Ġlk olarak PIC16F877A mikroiģlemcisinin porta ve portb çıkıģları tanımlanmıģtır. Daha sonra seri port okunmuģ ve $ karakteri ise bir sonraki basamağa geçilerek bu karakterin 1,2,3,4,5,6,7,8,9 ve : olma durumuna göre mobil robot kontrol
43 blokları icra edilmiģtir. ġekil 3.9 da ayrıntılı olarak PIC16F877A entegresindeki yazılım algoritması görülmektedir. Tüm sistemimiz WLAN ağ yapısı içerisinde yer almaktadır. Bu sayede robot kontrol yazılımına, mini2440 geliģtirme kartı üzerinde çalıģan UDPRobot ve mjpeg_streamer yazılımlarına rahatlıkla ulaģabilmektedir. Mobil araç üzerindeki kameradan alınan görüntüyü aktarmak için 8080 portu kullanılmıģ, mobil aracın kontrolü için ise, 4000 portu tercih edilmiģtir. Mini2440 üzerinde gömülü Linux iģletim sistemi bulunmaktadır. Sistemin yapısı; supervivi (boot yazılımı), Linux (Linux 2.6.29 sürümü) kernel (çekirdek) yazılımı, RootFS (Kök Dosya Sistemi) dosya sistemi ve diğer ek yazılımlar dan (FTP sunucusu, Telnet sunucusu, boa web sunucusu, diğer Linux aygıtları) oluģmaktadır. Linux kurulu bilgisayar üzerine arm Linux araçlarını kurulmuģ ve bu araçlar kullanılarak arm-linux-gcc komutu ile programlar komut satırında derlenerek oluģan binary yazılım dosyası FTP ile mini2440 geliģtirme kartına gönderilerek telnet sunucusu yardımıyla yüklenen yazılımlar çalıģtırılmıģtır. ġekil 3.8. UDPRobot yazılım algoritması
ġekil 3.9. PIC16F877A entegresindeki yazılım algoritması 44
45 3.4. Mobil Robot AteĢleme Sistemi ve Yapısı Mobil araç üzerinde Ģüpheli paketlere müdahalede çok sık olarak kullanılan tek atımlık AK-ER fiģeğini taģıyabilecek bir kol sistemi mevcuttur. Bu sistemin bir örneği Ģekil 3.10 da gösterilmiģtir. Bu kol sistemi adım motoru üzerindeki yuvarlak bir disk üzerinde bulunmakta ve bilgisayardan gelen komutlarla istenilen belirli açılarda dairesel bir hareket yapabilmektedir. Bomba imha uzmanları Ģüpheli paketlere etkin olarak uzaktan müdahale edebilmesi için mobil araç üzerindeki kol sisteminin hareketli ve istenilen yapıda olması gerekir. Kullanılan birçok bomba imha robotunda silah sisteminin yanında kıskaçlı bir el yapısı da mevcuttur. Herhangi bir patlama sonucunda doğrudan olay yerine müdahale etmek bazen sakıncalı olabilmektedir. Çünkü olay yerinde patlamaya hazır baģka bomba düzeneklerinin olabileceği gerçeği göz ardı edilemeyecek bir durumdur. Bu gibi durumlarda uzaktan kontrollü mobil araç sistemleri devreye girmekte ve olay yerinden gerekli bilgiler görsel olarak alınabilmektedir. Bu görsel verilere dayanarak olay yerindeki diğer patlayıcılar veya önceden x-ray görüntüleriyle tespit edilmiģ mevcut patlayıcı düzeneklerine gerekli müdahaleler anında yapılabilmektedir. Bizim aracımızdaki kol sisteminin yapısı genel itibariyle Ģüpheli paketlere müdahale yöntemlerinden bir tanesi olan tek atımlık AK-ER fiģeği taģıyabilecek Ģekilde tasarlanmıģtır. ġekil 3.10. AteĢleme sistemi taģıyıcı kolu
46 3.4.1. Silah Sisteminin Kapsül Yapısı Kullanım amaçlarına göre gövde kısmı alüminyum veya bakırdan mamul, değiģik boy ve ebatlarda, içerisinde hassas ve güçlü patlayıcılardan KurĢun Azadür, Civa Fülminat ile Tetril veya PETN (Pentaerythritol tetranitrate) bulunan, saniyeli fitil veya elektrik akımı ile çalıģan, patlayıcıların infilak edilmesinde Ģok, basınç ve hareket etkisi veren tüplere kapsül denir. ġekil 3.11 de ayrıntılı olarak kapsül çeģitleri ele alınmıģtır. ġekil 3.11. Kapsül çeģitleri Bu çalıģmada elektrikli kapsüllerden gecikmesiz (Normal) elektrikli kapsül kullanılmıģtır. Bu kapsülün infilakı için 1,5V luk bir gerilimde 456mA lik bir akıma ihtiyaç vardır. Kibrit eczası ile kaplanmıģ rezistans teli iki kablo arasında bulunmaktadır. Ġnfilak etmesi için 4/1000 sn.lik süre yeterlidir. Kablolar plastik tapa yardımıyla kapsülün açık kısmından boğumlar yardımıyla monte edilmiģtir. Bu kapsülün içyapısı Ģekil 3.12 de gösterilmiģtir.
47 ġekil 3.12. Gecikmesiz (Normal) elektrikli kapsülün yapısı 3.4.2. Mobil Robot Silah Sistemi ġüpheli paketlere mevcut silah sistemlerinden farklı olarak AK-ER silahı ile müdahale edilmektedir. YurtdıĢı emsallerinden farklı olarak, yerli üretim tek kullanımlık AK-ER ler; üretici tarafından atıģa hazır halde (Elektrikli kibrit baģı, barut, su ve tapaların hepsi namlunun içerisine konulmuģ vaziyette) ve özel ambalaj içerisinde imal edilmektedir. AK-ER silah sistemi ġekil 3.13 de görüldüğü gibi sabit bir platform üzerinde olmaktadır. Bu sistemde bomba imha uzmanı sabit platformu Ģüpheli paketin yanına el ile taģıyarak götürmektedir. Bundan dolayı sabit AK-ER sitemleri olası bir can kaybına neden olabilmektedir. Bu çalıģmada ise AK-ER silah sitemi mobil araç üzerindeki kol sistemine uzaktan kontrol edilebilecek Ģekilde yerleģtirilmiģtir. Böylece Ģüpheli paketlere her hangi bir can kaybı meydana gelmeden etkin bir Ģekilde müdahale edilebilmektedir.
48 ġekil 3.13. Mobil araçta kullanılan silah sistemi ve kapsül yapısı 3.5. Mobil Robot Görüntü Sistemi ve Yapısı Mobil robotumuzun ön profiline montajlı olan ve görüntüyü alarak operatör paneline ileten webcam kamera mevcuttur. Bilgisayar arayüzünde bulunan denetim yapılarıyla rahatlıkla kontrol edilebilen adım motoru vasıtasıyla kameranın istenilen açılarda görüntüyü alabilmesi sağlanmıģtır. Webcam kamera vasıtasıyla gerçek zamanlı alınan bu görüntü JPEG (BirleĢik Fotoğraf Uzmanları Grubu) formatına çevrilmiģ ve TCP protokolüyle 8080 portundan görüntü arayüzüne transfer edilmiģtir. ġekil 3.14 de mobil araç üzerindeki kamera sistemi ve operatör paneline aktarılan görüntü görülmektedir. ġekil 3.14. Mobil araç üzerindeki USB kamera
49 3.6. Mobil Robot Kablosuz HaberleĢme Sistemi Projede TP-LINK markasının TL-WR841N modelli eriģim cihazı kullanılmıģtır. Bu ağ yönlendiricisi küçük iģ yerleri, ofis ve ofis ağ gereksinimlerinde kullanılabilen kablolu/kablosuz ağ bağlantı cihazıdır. Bu ağ bağlantı cihazı sayesinde bilgisayar üzerinden mobil cihazla haberleģme sağlanmaktadır. ġekil 3.15 de kullanılan sistem elemanları görülmektedir. ġekil 3.15. EriĢim noktası ve USB modem yapısı Cihazın çalıģabilmesi için 9VDC/0.6A lik bir güç kaynağına ihtiyaç vardır ve IEEE (Elektrik Elektronik Mühendisleri Enstitüsü) 802.11n standardı ile uyumludur. 300Mbyte a kadar kablosuz otomatik dönüģ sinyal iletim hızına çıkabilmektedir. Daha iyi kablosuz performansını sağlayarak iletim hızının artırılabilmesi, kararlılık ve kapsama alanının geniģleyebilmesini sağlayan iki tane 3dBi sabit yönsüz harici anteni mevcuttur. Aynı zamanda, kendi kanal seçim özelliğini kullanarak kanal çakıģmalarını otomatik olarak önler. Diğer IEEE 802.11g (54Mbps kablosuz otomatik dönüģ sinyal hızı) ve IEEE 802.11b (11Mbps kablosuz otomatik dönüģ sinyal hızı) standartları ile de uyumludur. Cihazımız 2.4-2.4835Ghz frekansı aralığında çalıģmaktadır. Veri transfer hızına göre alıcı hassasiyetinde değiģiklikler gözlenebilmektedir. Tablo 3.1. TL-WR841N eriģim cihazını mesafeye bağlı zayıflama oranı Veri transfer hızı (Mbps) Zayıflama miktarı (dbm@10%per) 1-90dBm@8%PER 6-88dBm@10%PER 11-85dBm@10%PER 54-68dBm@10%PER 108-68dBm@10%PER 130-68dBm@10%PER 270-68dBm@10%PER
50 Bu hassasiyet miktarları tablo 3.1 de ayrıntılı olarak ele alınmıģtır. Cihazımız kablosuz olarak maksimum 20dBm izotropik yayılım gücüne sahiptir. EriĢim cihazı üzerinden mobil cihaza bağlanabilmek için TP-LINK markasının TL-WN321G WLAN USB kullanılmıģtır. Cihazımızda maksimum 54Mbps ye kadar yüksek paket transfer hızlarına çıkılabilmektedir. Aynı zamanda 48/36/24/18/12/11/9/6/5.5/2/1Mbps hızlarını da desteklemektedir. Bir ortamdaki mesafe ya da elektromanyetik parazitlerden oluģan çalıģma kısıtlamalarından dolayı hızı düģürmek için dinamik menzil değiģtirmeye imkân vermektedir. Tüm 11Mbps kablosuz (IEEE 802.11b) ürünleriyle birlikte çalıģabilmekte ve aynı zamanda 54Mbps (IEEE 802.11g) kablosuz ürünlerini de desteklemektedir. Kablosuz iletiģimlerde 128 bit Ģifrelemeye kadar koruma sağlanarak veriler güvenli bir Ģekilde iletilebilmektedir. Cihaz 2.4-2.4835Ghz frekans aralığında çalıģmaktadır. Kablosuz iletiģim gücü 19dBm dir. Veri transfer hızına göre alıcı hassasiyetleri değiģebilmektedir. Tablo 3.2. Veri transfer hızına bağlı zayıflama miktarı VERĠ TRANSFER HIZI (Mbps) 54M 11M 6M 1M 256K ZAYIFLAMA MĠKTARI (dbm@10%per) -68dBm@8%PER -85dBm@8%PER -88dBm@10%PER -90dBm@8%PER -105dBm@8%PER alınmıģtır. Tablo 3.2 de veri transfer hızına bağlı zayıflama miktarları ayrıntılı olarak ele 3.7. Mobil Robot Sürücü, AteĢleme ve Besleme Sistemleri Mobil aracımızdaki kol sistemi ve kamera sisteminin istenilen açılarda hareket etmesi için ULN2803 entegresi aracılığıyla kontrol edilen adım motoru kullanılmıģtır. ġüpheli pakete müdahale için yaklaģan aracın AK-ER ile hedef bölgeye niģan almasında yeterli hassasiyet sağlanmıģtır. Aracın sağa, sola, geri ve ileri hareket edebilmesi için ise L298 entegresine sahip bir DC motor sürücü devresi kullanılmıģtır. Mini2440 geliģtirme kartı ise görüntü transferinin dijital olarak alınabilmesi ve bilgisayardan gerekli komutların eriģim noktası aracılığıyla aktarılabilmesi için kullanılmıģtır.
51 3.7.1. Adım Motoru Sürücü Sistemi Açısal konumu adımlar halinde değiģtirilebilen, çok hassas sinyallerle sürülen motorlara adım motorları denir. Adından da anlaģılacağı gibi adım motorları belirli adımlarla hareket ederler. Bu adımlar motorun sargılarına uygun sinyaller gönderilerek kontrol edilir. Herhangi bir uyartımda, motorun yapacağı hareketin ne kadar olacağı, motorun adım açısına bağlıdır. Adım açısı motorun yapısına bağlı olarak 90, 45, 18, 7.5, 1.8 veya değiģik açılarda olabilir. Motora uygulanacak sinyallerin frekansı değiģtirilerek motorun hızı kontrol edilir. Adım motorlarının dönüģ yönü uygulanan sinyallerin sırası değiģtirilerek saat ibresi yönü veya saat ibresinin tersi yönünde olabilir. Adım motorlarının hangi yöne doğru döneceği, devir sayısı, dönüģ hızı gibi değerler mikroiģlemci veya bilgisayar yardımı ile kontrol edilebilir. Sonuç olarak adım motorlarının hızı, dönüģ yönü ve konumu her zaman bilinmektedir. Bu özelliklerinden dolayı adım motorları çok hassas konum kontrolü istenen yerlerde çok kullanılırlar. Adım motorlarının kullanıldığı yerlere örnek olarak, endüstriyel kontrol teknolojisi içerisinde bulunan bazı sistemler, robot sistemleri, takım tezgâhlarının ayarlama ve ölçmeleri verilebilir. Adım motorlarının bu kadar çok kullanılma alanı bulmasının nedeni bu motorların bazı avantajlara sahip olmasıdır. Bu avantajlar Ģöyle sıralanabilir. 1. Geri beslemeye ihtiyaç göstermezler. Açık döngülü olarak kontrol edilirler. 2. Motorun hareketinde konum hatası yoktur. 3. Sayısal olarak kontrol edilebildiklerinden bilgisayar veya mikroiģlemci gibi elemanlarla kontrol edilebilirler. 4. Mekanik yapısı basit olduğundan dolayı bakım gerektirmezler. 5. Herhangi bir hasara yol açmadan defalarca çalıģtırılabilirler. Adım motorlarının bu avantajları yanında bazı dezavantajları da aģağıdaki gibi sıralanabilirler. 1. Adım açıları sabit olduğundan hareketleri sürekli değil darbelidir. 2. Sürtünme kaynaklı yükler, açık döngülü kontrolde konum hatası meydana getirirler. 3. Elde edilebilecek güç ve moment sınırlıdır (Anonim, 2011). Projemizde webcam ve kol sisteminin hareketinin sağlanmasında adım motorları kullanılmıģtır. Kullanılan adım motorları 5 uçlu bir yapıya sahiptir. Mini2440 geliģtirme kartıyla seri olarak haberleģebilen PIC16F877A entegresinin B0, B1, B2, B3, B4, B5,
52 B6, B7 port çıkıģları ULN2803 entegresinin giriģlerine bağlanmıģ (ULN2803 entegresinin 1 den baģlayıp 8 nolu bacaklarına kadar olan uçlar) ve ULN2803 entegresinin çıkıģ uçları ise (ULN2803 entegresinin 11 den baģlayıp 18 nolu bacaklarına kadar olan uçlar) webcam ve AK-ER silahını kontrol eden adım motorlarının sinyal uçları olan 4 tane ucuna doğrudan bağlanmıģtır. Adım motorlarının son kalan ucu ise besleme geriliminin olduğu uçtur. ġekil 3.16 da adım motoru sürme devresi görülmektedir. ġekil 3.17 de ise ayrıntılı olarak sürme devresinin genel elektronik devre Ģeması görülmektedir. Bilgisayar arayüzünde mevcut olan kontrol butonları vasıtasıyla gönderilen sinyaller ile adım motorlarının istenilen yönde denetimi sağlanmıģtır. Yazılımsal değiģikliler yapılarak istenilen yönde, açıda ve hızda adım motorlarının denetimi gerçekleģtirilebilmektedir. Adım motorunun üstünde yuvarlak tekerlek mevcut olup webcam ve AK-ER silahının sabitleneceği bir düzlem oluģturulmuģtur. ġekil 3.16 da kullanılan adım motoru ve adım motoruna sabitlenen yuvarlak düzlem yapı görülmektedir. ġekil 3.13. Adım motoru sürme devresi ve adım motoru sabitleyici sistemi
ġekil 3.17. Adım motorları sürme devresi 53
54 3.7.2. DC Motor Sürücü Sistemi Mobil aracımızda motor sürücü entegresi olarak L298 entegresi kullanılmıģtır. L298 entegresinin tercih edilmesinin nedeni 2 amper lik akıma kadar dayanabilmesidir. L298 de 2 tane H köprüsü bulunmaktadır (A köprüsü ve B köprüsü). Bu sayede DC motorlar iki yönde de sürülebilmektedir. Bu sürücü entegresinde 15 adet bacak bulunmaktadır. Bunlardan IN1, IN2, OUT1, OUT2, ENA, SENSA A köprüsü için, IN3, IN4, OUT3, OUT4, ENB, SENSB B köprüsü içindir. IN1, IN2, IN3, IN4 bacakları PIC16F877A entegresiyle doğrudan bağlantılıdırlar. A köprüsüne ait olan IN1 e 5V, IN2 ye 0V verirsek motor ileri dönerken, tam tersini verdiğimizde ise geri dönecektir. Her iki bacağa aynı değeri verirsek (0V-0V veya 5V-5V) motor dönmez. (B köprüsü için ise; IN3 e 5V, IN4 e 0V verirsek motor ileri dönerken, tam tersini verdiğimizde ise geri dönecektir. Her iki bacağına aynı değeri verirsek (0V-0V veya 5V-5V) motor dönmez). OUT1, OUT2 bacakları A köprüsü için çıkıģ bacaklarıdır. Bu çıkıģlar motorun iki ucuna bağlanmaktadır (B köprüsünün çıkıģ bacakları ise OUT3 ve OUT4 uçlarıdır). Motorlarda herhangi bir nedenden dolayı oluģabilecek ters akımın entegreye zarar vermemesi için çıkıģlar ile motor arasına ikiģer adet diyot bağlanmıģtır. Bu diyotlardan birisinin yönü çıkıģtan VS ye doğru olurken, diğerinin yönü ise topraktan çıkıģa olmalıdır. A ve B köprülerini etkinleģtirmek için ENA ve ENB uçlarına +5V bağlamak gerekmektedir. Aynı zamanda SENA, SENSB uçları da toprağa çekilmelidir. Motorlarımızın çıkıģ beslemesi 10V olduğu için VS ucu 10V ile beslenmelidir. L298 in çalıģması için VSS ucu +5V volta ve GND ucu toprağa bağlanmalıdır. ġekil 3.18 de kullanılan sürme devresi ve kullanılan DC motorlar görülmektedir. ġekil 3.18. DC motor sürme devresi ve kullanılan DC motorlar
55 Elektronik devre Ģemasında da görüldüğü gibi sağdaki ve soldaki motorlar ikiģer ikiģer gruplandırılmıģ ve bu motorlar eģ zamanlı sürülmüģtür. IN1, IN2, IN3, IN4 uçları PIC16F877A entegresine giden uçlardır (IN1: RC2, IN2: RC3, IN3: RD0, IN4: RD1). OUT1,OUT2, OUT3, OUT4 uçları ise doğrudan motorlara giden uçlardır. OUT1,OUT2 uçları aracın sağında bulunan (Sağ-Ön ve Sağ-Arka) motorların hareketini sağlar. OUT3, OUT4 uçları aracın solunda bulunan (Sol-Ön ve Sol-Arka) motorların hareketini sağlar. Aracımız ileri veya geri giderken bütün motorlar ileri veya geri yönde hareket eder. Aracımızın sağa dönebilmesi için ise sağdaki grup motorlar ileri yönde hareket ederken, soldaki grup motorlar ise geri yönde hareket eder; aracımızın sola dönebilmesi için ise soldaki grup motorlar ileri hareket ederken, sağdaki grup motorlar ise geri yönde hareket ederler. Böylece aracımız sağa ve sola olduğu yerde dönmüģ olur. ġekil 3.19 da ayrıntılı olarak sürme devresinin genel yapısı görülmektedir. ġekil 3.19 DC motor sürme devresinin genel yapısı
56 3.7.3. AK-ER AteĢleme Sistemi Bomba imha robotlarıyla Ģüpheli paketlere müdahale ederken gerekli x-ray görüntüleri ve ortam Ģartları değerlendirildikten sonra AK-ER silahı ile uzaktan kontrollü bir Ģekilde ateģleme yapılır. Tasarladığımız mobil robotumuz bu doğrultuda ele alınmıģ ve AK-ER silahının içerisinde bulunan elektrikli kapsülü operatör paneli üzerindeki ateģleme butonu vasıtasıyla rahatlıkla ateģleyebilmektedir. ġekil 3.120 de ateģleme kolu üzerinde bulunan AK-ER silahı görülmektedir. ġekil 3.20. Mobil robot ateģleme sistemi KullanmıĢ olduğumuz tek atımlık AK-ER silahının ateģlemesinin sağlanabilmesi için transistör kontrollü bir tetikleme devresi yapılmıģtır. ġekil 3.21 de ayrıntılı olarak PIC16F877A entegresi tabanlı AK-ER silahının tetikleme devresi görülmektedir. ġekil 3.21. AK-ER tetikleme devresi
57 3.7.4. Batarya ve Beslemeler Robotlar mekanik üretimde, uzay ve deniz araģtırmalarında, nükleer santrallerinde, sağlık hizmetlerinde, maden ocaklarında, tarım alanlarında, sanayi ve savunma alanları gibi birçok sayısız uygulamalarda aktif olarak kullanılmaktadır. Bu robotların kullanımında birçok önemli parametre vardır. Bu parametrelerden biri de uygulamalarda kullanılan batarya seçimidir. Adım motorlarının, DC motor sürücüsünün, entegrelerin ve de ARM9 un beslemelerinde dikkat edilmesi gereken en önemli yapı gerekli akımı sağlayabilecek yapıların tasarlanması ve herhangi bir kısa devrede gerekli korumanın devreye girmesidir. Mobil robotlarda kullanılabilecek birçok batarya çeģidi vardır. Robotun kullanım alanına ve robotun ağırlığına göre uygun batarya seçimi yapılması gerekmektedir. Örneğin savunma sistemlerinde kullanılan portatif cihazlarda kullanılan bataryalar Ģarj edilebilir, hafif, verimli olması ve gerekli güç yönetimi devrelerine sahip olması gerekmektedir. YapmıĢ olduğumuz projede hafif, verimli olması ve gerekli sistem voltajını ve akımını uzun süre verebilecek olan Lithium Polymer batarya tercih edilmiģtir. Lithium polymer bataryalarda hafıza etkisi yoktur dolayısıyla bu pilleri Ģarj etmek için tam olarak boģalmalarını beklemek gerekmez. Ayrıca yine aynı nedenden dolayı Ģarjı yarıda kesmek pil için bir olumsuz bir etki yaratmaz ve kullanılmadıkları zaman kendiliğinden deģarj olma durumları oldukça yavaģtır. Kullandığımız batarya 14.8V gerilimli, 30C oranlı (Batarya Ģarjı boģalana kadar [4200mA X 30 = 126000mA] akım verebilmektedir) ve bir saat süresi boyunca 4200mA akım sağlama kapasitesine sahiptir. Bataryanın genel görünümü Ģekil 3.12 de ayrıntılı olarak görülmektedir. ġekil 3.22. Mobil araçta kullanılan batarya Entegre beslemeleri için gerekli olan gerilimler LM317 regülatör entegresi kullanılarak elde edilmiģtir. Kullandığımız LM317 entegresi 1.5A çıkıģ akımı ve 1.2-
58 37V arası ayarlı, regüleli çıkıģ akımı verebilmektedir. Entegrenin giriģine uygulanabilecek gerilim 5-37V arasında değiģebilmektedir. ÇıkıĢ geriliminin yaklaģık değeri ise denklem 3.1 deki formülle bulunmaktadır. VçıkıĢ = Vref x (1 + R2/R1) (3.1) GiriĢ gerilimimiz 14.8V tur. ÇıkıĢ gerilimlerimiz ise ULN2803 için 12V, PIC16F877A için 5V, L298 Entegresi için 5V ve 10V tur. R1 direncimiz 220 Ω ve R2 direncimiz ise çıkıģ gerilimlerinin istenilen değerleri sağlayabilmesi için bütün entegre beslemeleri için ayrı ayrı hesaplanmıģtır. Örneğin çıkıģ gerilimimizin 12V olabilmesi için R2 nin değeri denklem 3.1 de değerlerin yerine konulmasıyla; 14.8V = 12V X (1 + R2/220 Ω) dan R2=1892 Ω bulunmuģ olur. Diğer gerekli entegre beslemeleri için gerekli olan R2 değerleri bu denklem vasıtasıyla kolaylıkla hesaplanabilir. Entegre beslemelerinin giriģ ve çıkıģlarında uygun değerlerde kondansatörler kullanılarak dalgalanmalar en aza indirgenmiģtir. Ters akımlara karģı geri dönüģleri önlemek için ise çıkıģtan sonra bir diyot konulmuģtur. Mobil araçta kullanılan entegre beslemeleri Ģekil 3.23, Ģekil 3.24 ve Ģekil 3.25 de ayrıntılı olarak ele alınmıģtır. ġekil 3.23. ULN2803 adım motoru sürücü entegresinin beslemesi
59 ġekil 3.24. PIC12F877A entegresinin giriģ beslemesi ġekil 3.25. DC motor sürücü entegresinin beslemesi
60 4. ARAġTIRMA BULGULARI VE TARTIġMA 4.1. Mobil Robot Üzerindeki AteĢleme Sisteminin Hareket Kabiliyeti Sonuçları Mobil taģıyıcımızın üzerinde bulunan ateģleme sisteminin Ģüpheli bir pakete etkin olarak müdahale edebilmesini sağlamak için, ateģleme kolu üzerindeki AK-ER e hareketli bir yapı kazandırılmıģtır. Olay yerinden gerekli görüntü alınarak operatör paneline aktarılabilmekte ve bu görüntünün yardımıyla adım motoru üzerinde bulunan ateģleme kolumuz bilgisayar üzerindeki bir arayüz vasıtasıyla operatör tarafından yönlendirilebilmekte ve bu sayede Ģüpheli paketin konumuna göre rahatlıkla ayarlanabilmektedir. Böylece ateģleme kolumuzun üzerindeki AK-ER yapısının üzerindeki lazer iģaretleyicinin de yardımıyla hedefe odaklanılmakta ve kontrollü olarak ateģleme gerçekleģtirilebilmektedir. AteĢleme sistemi hareketinin etkinliğinin ölçülebilmesi için senaryo gereği Ģüpheli bir paket oluģturulmuģtur. Bu doğrultuda mobil taģıyıcımız hedefe yönlendirilmiģ ve ateģleme kolunun üzerindeki AK-ER elektrikli kapsülü harekete geçiren elektronik sisteme odaklanmıģtır. ġekil 4.1 de gerçekleģtirilen bu senaryo ayrıntılı olarak görülmektedir ġekil 4.1. AteĢleme sisteminin hareket kabiliyeti
61 4.2. Mobil Robot Üzerindeki Kameranın Görüntü Alma Kabiliyeti Sonuçları Mobil taģıyıcımız, patlama riskinin çok yüksek olmasından dolayı meydana gelebilecek can kayıplarını önlemek için uzaktan kontrol edilebilmekte ve görüntü alarak almıģ olduğu bu görüntüyü operatör paneline aktarabilmektedir. Alınan bu görüntü bomba imha uzmanının analiz edeceği ve müdahale stratejisini buna göre belirleyeceği, gerekirse müdahale Ģeklini değiģtireceği tek veri kaynağıdır. Bu nedenlerden dolayı hava Ģartları, ortamın aydınlığı, gölge koyuluğu, ortamın ve Ģüpheli paketin rengi görüntü kalitesinde oldukça önemlidir. Bu olumsuz dıģ faktörleri en aza indirebilmek için kesintisiz ve yüksek çözünürlükte dijital olarak görüntü aktarabilen kamera kullandık. AlmıĢ olduğumuz bu görüntü Ģekil 4.2 de görüldüğü gibi oldukça net ve Ģüpheli pakete müdahale için elveriģlidir. ġekil 4.2. Dijital olarak arayüze aktarılan görüntü
62 4.3. Mobil Robotun ġüpheli Pakete Müdahalede BaĢarısının Sonuçları Prototip olarak tasarladığımız mobil aracımız senaryo gereği uzaktan kontrollü bir Ģekilde Ģüpheli paketin yanına giderek gerekli görüntüyü kontrol merkezine aktarmıģtır. Bu sayede Ģüpheli paketin yapısı, konumu ve diğer fiziksel ortam Ģartları hiçbir insan hayatı riske atılmadan tespit edilmiģtir. BaĢarılı bir Ģekilde olay yerinden alınarak kontrol merkezine dijital olarak aktarılan veriler sayesinde Ģüpheli pakete müdahale Ģekli ve olası patlama sonucu etki çapı hızlı bir Ģekilde analiz edilmiģtir. OluĢabilecek riskler göz önüne alınarak can ve mal kayıplarını önleyici tedbirler ortaya konulmuģtur. Olay yeri ile ilgili gerekli güvenlik tedbirlerinin sağlanmasından sonra vakit kaybetmeden Ģüpheli pakete müdahale için belirlenen stratejiler doğrultusunda mobil aracımız üzerinde bulunan AK-ER silahının hedeflenen bölgeye doğru mesafede ve açıda konumlanması sağlanmıģtır. Bunu takiben AK-ER silahı ateģlenerek güvenli bir Ģekilde Ģüpheli paket etkisiz hale getirilmiģtir. ġekil 4.3 de bu müdahale Ģekli görülmektedir. ġekil 4.3. Mobil taģıyıcının Ģüpheli pakete müdahalesi