MeMÖK2012 Bildiri Kita - 6. Ulusal Mekatronik Mühendisliği Öğrenci

Transkript

Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012)
8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara
MEKATRONİK MÜHENDİSLİĞİ ÖĞRENCİ KONGRESİ 2012 MeMÖK 2012 Editörler: ABDULKADİR ERDEN FUAD ALIEW ZÜHAL ERDEN BÜLENT İRFANOĞLU KUTLUK BİLGE ARIKAN AYLİN KONEZ EROĞLU H. ORHAN YILDIRAN ATILIM ÜNİVERSİTESİ, ANKARA Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012)
ÖNSÖZ
Atılım Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü özgün bir müfredat programı ile
2003 yılında eğitim ve öğretim hayatına başlamıştır. Müfredat program yapısı tamamen özgün
bir şekilde geliştirilmiş, tüm dersler mekatronik mühendisliği için gerekli uluslararası ve üst
düzey donanıma sahip mezunlar yetiştirecek şekilde özenle tasarlanmıştır.
Bu müfredat programının en çarpıcı özelliklerinden biri Türkiye üniversitelerindeki
müfredat programlarında yaygın olarak pek rastlanmayan, ancak lisans öğrencilerinin
araştırmaya yönlendirilmesi bakımından çok önemli işlevi olan “lisans araştırma projeleri”
(“MECE 407 Undergraduate Research Project I” ve “MECE 408 Undergraduate Research
Project II”) dersleridir. Bu derslerde öğrencilerimiz öğretim üyelerimizin uzmanlık alanları
doğrultusunda çeşitli araştırma konularında bir akademik yıl boyunca çalışmakta; teorik,
uygulamalı ve/veya deneysel araştırma yapmaktadırlar. Akademik yıl sonunda bu
çalışmalardan üretilen bildiriler kongre formatında bölüm öğretim elemanlarımız,
öğrencilerimiz ve konu ile ilgili olabilecek kişilerin katıldığı bir toplantıda öğrenciler
tarafından sunulmaktadır. Sunulan bu bildiriler bildiri kitabı halinde basılarak evrensel bilgi
birikimine öğrencilerimiz tarafından üretilen önemli bir katkı sağlanmaktadır. Bu bildiri
kitabı,
2011-2012
akademik
yılında
üretilen
bildirilerden
oluşan
kitabımızdır.
Öğrencilerimizin bildirilerini sunduğu ve 2010 yılında ilk kez düzenlenen kongrenin de,
Türkiye’deki
tüm
Mekatronik
Mühendisliği
öğrencilerinin
katılacağı
“Mekatronik
Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK)” olarak sürdürülmesi planlanmaktadır. Bu
çabalarımıza diğer üniversitelerin de destek vereceğini ümit ediyoruz.
Kongre düzenlemek ve bildiri kitabı hazırlamak çok özveri gerektiren ve uzun süren bir
çalışmadır. MeMÖK 2012 kongresi ve bildiri kitabı da böyle bir çalışmanın ürünü olarak
ortaya çıkmıştır. Öncelikle bu kitaptaki bildirileri ders kapsamında üreten sevgili
öğrencilerimize teşekkür ederim. Evrensel bilgi birikimine küçük ama çok özel katkılarını
önemle değerlendiriyoruz. Üretken çabalarının tüm meslek yaşamlarında sürmesini diliyorum.
Bölüm öğretim elemanlarımızın bu bildirilerin üretilmesindeki katkıları çok büyük önem
taşımaktadır. Bütün öğretim elemanlarımıza; başta bu derslerin sorumluluğunu alan, dersleri
olması gereken bilimsel ciddiyet ve düzen içinde yürüten, aynı zamanda MeMÖK 2012
kongresi organizasyonunda ve bu bildiri kitabının hazırlanmasında özveriyle çalışan Yrd.
Doç. Dr. Zühal Erden’e ve Öğ. Gör. Aylin Konez Eroğlu’na; bu kongre ve bildirilerin
gerçekleşmesini sağlayan araştırma konuları ile bölüm öğretim üyelerimiz Doç. Dr. Fuad
Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012)
Aliew’e, Yrd. Doç. Dr. Bülent İrfanoğlu’na, Yrd. Doç. Dr. Kutluk B. Arıkan’a, Öğ. Gör. H.
Orhan Yıldıran’a; araştırmaları süresince öğrencilerimize verdikleri destekten dolayı
Araştırma Görevlilerimiz Cahit Gürel, Emre Güner ve Doğan Urgun ile laboratuvarlarımızın
değerli elemanları Meral Aday ve Handan Kara’ya derin teşekkürlerimi sunmak istiyorum.
MeMÖK 2012 kongresinin düzenlenmesi ve bu bildiri kitabının basımı konusunda
verdikleri destekten dolayı Atılım Üniversitesi Mütevelli Heyeti Başkanı Sayın Yalçın
Zaim’e, Atılım Üniversitesi Rektörlüğüne, Halkla İlişkiler Müdürlüğüne ve katkı veren tüm
akademik ve idari personelimize içten teşekkürlerimi sunarım.
MeMÖK 2013 kongresinde görüşmek ümidiyle verimli ve başarılı bir akademik yıl
diliyorum.
Prof. Dr. Abdulkadir ERDEN
Mekatronik Mühendisliği Bölüm Başkanı
Atılım Üniversitesi
Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK) (Ankara : 2012)
Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi 2012 [electronic resource] / ed. Abdulkadir
Erden…[ve başk.].-- Ankara : Atılım Üniversitesi , 2012.
1 computer optical disc : ill. ; 4 3/4 in.— (Atılım Üniversitesi yayınları ; no. 1. Mühendislik
Fakültesi yayınları ; no. 1)
ISBN 9789756707364
1. Mechatronics -- Congresses. 2. Mekatronik --Kongreler. I. Erden, Abdulkadir. II. Eser adı.
TJ 163.12 MEK 2012
3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012)
SIRADIŞI VE MELEZ UÇAN ROBOT TASARIMI VE DENETİMİ
Ergin EDEN, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Onur Can TUĞRUL, tugrul.ocan@ student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Kutluk Bilge ARIKAN, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
ÖZET
ABSTRACT
Bu bildiride, uçan robotlar laboratuarında (URL)
In this paper, in flying robots laboratory (FRL)
hayata geçirilen projelerden iki tanesine yer
two projects are implemented. The first of these
verilmektedir. Bu projelerden ilki melez robotlar
projects are part of a hybrid robots, the other
bölümüne, diğeri ise sıra dışı morfolojik uçan
belongs to the novel morphological robots. The
robotlar bölümüne aittir. Bu iki farklı projenin
common features of these two projects are
ortak yönleri döner kanatlı, dikey olarak iniş
being rotary
kalkış
land vertically and also having actuators which
yapabilen,
gerçekleştirebilecek
yönelim
eyleyici
denetimini
can take
off
and
sahip
enables the attitude control of the systems. In
sistemler olmalarıdır. Birbirlerinden ayrılıkları
division points, there are some subjects that
noktalarda ise melez sistemin sahip olduğu çekiş
focused on dynamic effects of traction wheels,
motorlarının karadaki ve havadaki durumlarının
that belongs to hybrid robot, in ground and air
sistem üzerindeki dinamik etkileri ve bu iki ortam
locomotion and transition of these two modes, in
arasındaki geçişidir. Sıra dışı morfolojik sistemde
novel system features are easy to replace the
ise sistem yapısının istenilen ağırlık merkezine
center of gravity, morphing structure to analyze
göre
farklı
different dynamical behaviors, enables different
dinamik yapıların analizleri ve olanak tanıdığı
maneuverability characters. The following parts
değişik manevra yetenekleri konuları üzerinde
of the paper, structural analysis are placed.
durulmaktadır. Bildirinin ilerleyen kısımlarında
Matlab Simulink software is used for the
yapısal analizlere yer verilmektedir. Matlab®
controller design. The graphical results are
değiştirilebilmesi,
Simulink
sahip
yapısına
wing, which
olduğu
kullanılarak elde edilen
grafiksel
presented and discussed by using this software.
sonuçlar sergilenmiş ve tartışılmıştır.
KEYWORDS
ANAHTAR KELİMELER:
Hybrid Flying Robots, Novel Flying Robots,
Melez uçan robotlar, sıra dışı uçan robotlar,
Morphological Structure
Morfolojik yapı
1. GİRİŞ
Kanat Sistemine sahip Melez Robotik Sistem
Gelişen teknoloji ve günümüz koşullarında
havacılık, savunma sanayii ve otonom güvenlik
sistemleri
gibi
alanlardaki
ihtiyaçlar
gözetildiğinde, robotik uçan sistemler giderek
daha büyük önem kazanmaktadır. Geçmişte,
insansız hava araçları genellikle uçan sensörler
olarak adlandırılmaktaydı. Fakat farklı alanların
ihtiyaçlarına cevap verebilmek için insansız hava
araçları
bir
gerçekleştirebilecek
takım
müdahaleleri
şekilde
tasarlanmaya
başlanmıştır. Farklı hareket çeşitlerini tek bir
sistem üzerinde barındıran melez sistemler ve
yüksek manevra kabiliyetli şekilsel sıra dışı
sistemler son yıllarda ilgi çeken araştırmalar
içinde yer almaktadır. Tekerlekli ve yürüme
mekanizmalı melez sistemler, yoğun olarak
çalışılan
sistemlerdir.
Farklı
hareket
kabiliyetlerini aynı robot üzerinde birleştirmek,
optimal
çözümlere
ulaşmak
adına
önem
taşımaktadır. Diğer yandan, değişken yapıya
sahip morfolojik sistemler, yüksek manevra
gerektiren zorlu görevleri gerçekleştirebilen ve
ağırlık merkezi istenildiği gibi değiştirilebilen
oldukça ilgi çekici uçan robotlardır.
Atılım Üniversitesi, Mekatronik Mühendisliği
Tasarımı” [1] çalışması, iki fırçasız motora bağlı
döner kanatlı birim ve iki çekiş motoruna bağlı
tekerlekli özgün bir sistemdir. URL’de sürdürülen
melez robot araştırmalarının amacı,
karada
yüksek manevra kabiliyetine ve esnekliğe sahip,
gerektiğinde dikey olarak havalanabilme yetisi
olan, havada asılı kalma özelliği bulunan ve
gerektiğinde
de
havada
seyir
hareketlerini
gerçekleştirebilen robotlara ulaşmaktır. Ek olarak,
URL sıra dışı morfolojik robot çalışmalarında ise
bir
melez
ve
bir
sıra
dışı
sistemin
birleştirilmesiyle meydana gelmiş, üç pervaneli,
iki eğim motorlu ve yüksek manevra kabiliyeti
olan yeni bir sıradışı sistem meydana getirilmiştir.
Geleceğin savunma sanayi anlayışında, kapalı ve
dış mekanlarda manevra kabiliyeti üst düzey olan,
küçük, gözlem yapabilen ve üzerine yerleştirilen
farklı eyleyiciler ile çeşitli görevleri yerine
getiren sistemlere ihtiyaç duyulmaktadır. URL bu
kapsamda kullanılabilecek, sivil ve askeri amaçlı,
melez robotlar ve sıra dışı robotlar üzerine
araştırmalar
ve
tasarımlar
yapmayı
hedeflemektedir.
2. SİSTEM TASARIMI
Bölümü, Uçan Robotlar Laboratuvarı (URL), sıra
Bu kısımda, melez ve morfolojik sıra dışı
dışı ve melez uçan robotların araştırılması,
robotların tasarım aşamalarına yer verilmiştir. İlk
tasarımı, geliştirilmesi ve imalatı konularında söz
kısımda melez sistemin tasarımı aşamalar halinde
sahibi olma vizyonuna sahip olan bir araştırma
anlatılmaktadır. İkinci kısımda ise morfolojik sıra
laboratuarıdır. URL melez robot çalışmalarının
dışı
ana ekseninde yer alan, “İki Tekerlekli İki Döner
anlatılmaktadır.
sistemin
tasarım
süreci
sırasıyla
2.1 Melez Uçan Robot
Teker Tasarımı
“Flying Wheels” iki pervane ve iki çekiş
Yunuslama hareketi sistem için kritik önem arz
tekerinden meydana gelen eksik tahrikli melez
ettiğinden
robot sınıfına ait bir robottur. Eksik tahrikli
tasarımı da aynı oranda önem taşımaktadır. Melez
sistemlerde, sistem için gereken eyleyici sayısı
uçan robot yapısal büyüklüğü nedeniyle yüksek
sistemin sahip olduğu serbestlik derecesinden
atalete sahiptir. Bu denli yüksek ataletli sistem
azdır. Bu tür sistemlerde hareket farklı yollarla
gövdelerinin hareketi için yine uygun ataletli
sisteme kazandırılabilmektedir. “Flying Wheels”
teker tasarımları gerekmektedir. Teker tasarımları
tekerleri
Şekil 2’ de sırasıyla gösterilmektedir.
kullanarak
sistemdeki
yunuslama
bu
hareketi
oluşturan
tekerlerin
hareketini gerçekleştirebilmektedir. Bu yönteme
“tepki
tekeri”
ya
da
“tepki
torku”
adı
verilmektedir. Tekerin temelde iki görevi vardır.
Yer ile teması olduğunda sistemin ileri geri
hareketini sağlamaktadır. Uçuş sırasında ise
Şekil 2. Teker tasarım aşamaları
sistemin yunuslama hareketinden sorumlu olan
eleman
halini
almaktadır.
Tekerlere
bağlı
motorlar aktif hale geldiklerinde dönüş yönlerinin
aksine bir kontra tork üretirler. Sistemin bu
özelliği Şekil 1’ de gösterilmiştir.
Gövde Tasarımı
Melez uçan robot, geçmiş yıllarda yapılmış olan
TWTR adlı sistemin yapısal karakterine benzer
bir görünüme sahiptir. Fakat, melez uçan robot
ebat olarak TWTR’ a göre çok daha büyük bir
sistem olarak tasarlanmıştır. Yapısal büyüklüğü
nedeniyle melez uçan robot aynı zamanda sıra
dışı robotlara dahil edilebilmektedir. Bu tür
büyük ve hantal sistemler ani tepki verme
eğiliminden uzaktırlar. Bu yüzden,
tasarım
aşamasında büyük atalet, kontrol edilebilirliği
artırmak için tercih edilmiştir. Şekil 3’ te
Şekil 1. Sistemin yunuslama hareketi gösterimi
tasarlanan katı model tasarımı ve sistemin son
hali gösterilmektedir.
Tablo 1 ve Tablo 2’ ye bakıldığında 5862 rpm
değeri, 53 ve 54. çalışma rejimleri arasında
kalmaktadır. Bu durum yüksek hızlarda sistem
üzerindeki
titreşimin
zararlı
olduğunu
göstermektedir. Sistem testleri bu noktaların
Şekil 3. Katı & gerçek model gösterimleri
dışında gerçekleştirilmelidir.
Sistemin katı modellenmesinden sonra sistemin
Veri Toplama
titreşim analizleri kontrol edilmiştir. Motorların
Sistemleri sürebilmek için üzerindeki sürme
çalışma esnasında sistem üzerine uyguladığı
birimleriyle ilgili gereken bazı verilerin test
titreşim, sistemin doğal frekansına yakın olduğu
yapılarak toplanması gerekmektedir. Bu veriler
taktirde sistem bütünlülüğünü tehdit eden bir etki
daha sonra bazı ayarlamalarla sistem kontrolcüsü
ortaya çıkmaktadır. CATIA® frekans analiz
için kullanılmaktadır. Test basitçe bir tartı ve
yazılımı kullanılarak birden fazla sayıda frekans
sürme biriminin karşılıklı bağlanması aracılığıyla
değeri Tablo 1’ de gözlemlenmiştir.
gerçekleştirildi. Gerekli veriler Şekil 4 ve Şekil 5’
te verilmiştir.
Tablo 1. Frekans ve pervane hız tablosu
Hertz
Rad/sec
RPM
15.55
97.7
5862
15.55
97.7
5862
33.23
208.79
12527,4
Şekil 4. Çalışma rejimi-itme kuvveti ilişkisi sol
motor
Tablo 2. Motor karakteristik değerleri
Çalışma Rejimi (%)
53
İtme (g)
2891,868
RPM
5670
54
3262,686
5970
55
3573,36
6030
Şekil 5. Çalışma rejimi-itme kuvveti ilişkisi sağ
motor
Şekil 4 ve 5’ teki grafiklerden sistemi yerden
edilmektedir. Modelleme bölümü belli başlı
kaldırmaya yetecek olan itme kuvvetini sağlayan
varsayımlara dayanmaktadır. Bu varsayımları
birkaç nokta doğrusal hale getirilerek uygun bir
sıralamak gerekirse:
denklem elde edildi.
itmesol_motor=(333.52*çalışma rejimi)-14782 (1)
itmesağ_motor=(367.5*çalışma rejimi)-16443

Sistem yapısı bir bütün halindedir.

DC motorların sahip olduğu indüktans
küçük olduğundan ihmal edilmiştir.
(2)

Tekerlerdeki DC motorlar özdeş kabul
edilmiştir.
Atalet Testi
Bu test sistemin ataletsel değerlerini bulmak için
kullanılmıştır. Test, basit sarkaç modeline göre

Tekerlere
aynı
gerilim
uygulandığı
varsayılmıştır.
hazırlanmıştır. Veri almak için sistem üzerine
Sisteme ait serbest cisim diyagramı Şekil 7’ de
ataletsel
verilmiştir.
ölçüm
birimi
Microstrain
GX2
kullanıldı. Sisteme basit bir başlangıç salınımı
verildi ve bu salınım Matlab® kullanılarak Şekil
6 ‘da görüldüğü gibidir.
Şekil 7. Melez uçan robot serbest cisim diyagramı
Sistem modellemesi Newton-Euler metoduna
göre yapılmıştır. Bu metoda göre kontrolcü
döngüsünde olması gereken durumlar sırasıyla
Şekil 6. Ataletsel sanılım çıktıları
hesaplanmıştır.[1]
Uçuş Dinamiği Modellemesi
Bu bölümde sistem dinamikleri ve bu dinamiklere
bağlı
matematiksel
modellemeler
elde
= p + q tan θ sin Φ + r tan θ cos Φ
(3)
= q cos Φ - r sin Φ
(4)
= q sec θ sin Φ + r sec θ cos Φ
(5)
= ( q r ) / Ix * ( Iy - Ix ) + L / ( 2 Ix )
(6)
= ( p r ) / Iy * ( Iz - Ix ) + 2 Tw / Iy
(7)
elde edilmektedir. Bu yapılara göre oluşan çıktı
matrisi ise eşitlik (13) teki gibidir.
= ( p q ) / Iz * ( Ix – Iy ) + (( F1 – F2 ) * d) / Iz b(8)
=
(9)
(13)
Doğrusallaştırma
Denklemlerin
havada
doğrusallaştırılması
asılı
kalma
sistemin
durumuna
göre
Denetimci Tasarımı
gerçekleştirilmiştir. Doğrusallaştırma jacobianlar
Denetleyici tasarımının birincil hedefi sistemin
kullanılarak yapılmıştır.
yapısında
x= [0 0 0 0 0 0 0]
(10)
Jacobian matrisi eşitlik (11) de gösterildiği
gibidir.
bulunan
çözmektir.
Bu
yunuslama
kararsızlık
sistemde
dinamikleri
problemini
yuvarlanma
için
ve
denetleyici
tasarlanmıştır. Bu işlemleri gerçekleştirebilmek
için kutup yerleştirme tekniği kullanılmıştır. Bu
yöntem sistemin kutuplarını istediğimiz yere
(11)
çekmemize ve durumlarını denetlememize imkan
sağlamaktadır.
Bu matrise göre, x0 ... xn sistemin durumlarını
Kutup yerleştirme tekniği durum – uzay modeline
belirtmektedir.
göre yazıldığında aşağıdaki denklemler elde
Girdi matrisi u ve B ise aynı yöntemle
edilmektedir.
doğrusallaştırıldı.
=Ax+Bu
(14)
y=Cx
(15)
u=-Fx
(16)
(12)
Sistemi
kapalı
–
döngüye
göre
yeniden
Ataletsel ölçüm birimi (GX2) sayesinde sisteme
yazıldığında ise eşitlik 16 ve 17 deki hale
ait
dönüşmektedir.
Euler
açıları
gözlemlenebilirlik
elde
ve
edildi.
kontrol
Sistemin
edilebilirlik
matrislerine bakıldığında 7x7 lik özdeş bir matris
=(A–BF)x
y=Cx
(17)
(18)
x=Sistemin durum değişkeni,
u = Sisteme uygulanan girdi ( Çalışma rejimi(%)
ve gerilim ),
A=Sistem matrisi,
B=Girdi matrisi,
Şekil 8. Melez sistemin izometrik görünümü
C=Çıktı matrisi,
D=Doğrudan geçiş matrisi.
Sistemi oluşturan sistemlerden bir diğeri yine
geçmiş senelere ait bir sıra dışı sistemdir. Bu
3. SIRADIŞI SİSTEM
Sistemde diğeri gibi döner kanatları ile dikey
Bildirinin bu bölümünde sıra dışı sistemden
olarak havalanabilen, yönelim ve seyir denetimini
bahsedilmektedir.
sağlayabilecek eyleyici konfigürasyonuna sahip,
Sıra
dışı
sistem
geçmiş
dönemlerdeki iki çalışmadan esinlenerek ve bu
bir fırçasız motor,
çalışmaların mevcut parçaları kullanılarak hayata
bunlara bağlı fırçasız motorları kontrol edebilen
geçirilmiştir. Bu sistemlerden ilki melez robottur.
ve hareketini sağlayan bir platformdur [3]. Bu
Bu robot, döner kanatları ile dikey olarak
sistem üç döner kanat sistemine sahip sıra dışı
havalanabilen, yönelim ve seyir denetimini
sistem olarak adlandırılmıştır. Sistemde, birbirine
zıt yönlerde dönen iki adet pervane fırçalı
karada iki çekiş motoru ve bunlara bağlı
motorlara bağlıdır, bu fırçalı motorlar ise adaptör
tekerlekleri
parçalar yardımıyla iki adet servo motora
ile
hareketini
sağlayan
bir
iki adet servo motor ve
platformdur. Bu proje iki tekerlekli üç döner
bağlanmıştır.
Fırçasız
motor
ise,
bu
iki
kanat sistemine sahip melez robotik sistem
pervanenin bağlantı noktalarını referans alacak
tasarımı başlığı altında tanımlanmıştır [2]. 2W2R
şekilde tam karşısına bağlanmıştır (Şekil.9).
(two wheel twin rotor) isim verilen sistem,
birbirlerine zıt yönlerde dönen iki pervaneli bir
üst yapı, iki fırçalı motor ve tekerleklerden oluşan
bir alt yapı ile melezlenmiştir (Şekil 8).
Şekil 9. Sıradışı sistemin izometrik görünümü
Sıra dışı morfolojik sistem, bu iki sistemden
esinlenilerek ve mevcut parçaları kullanılarak
hayata geçirilmiştir. Bu sistem, döner kanatları ile
Şekil 11. Adaptör parçaları
dikey olarak havalanabilecek, yönelim ve seyir
denetimini
sağlayabilecek
eyleyici
konfigürasyonuna sahip, bir fırçasız motor, iki
Sistemde kullanılan E-max 2550 fırçasız motor
adet servo motor ve bunlara bağlı fırçasız
2W2R sisteminden sökülerek sıra dışı sisteme
motorları kontrol edebilecek, pil ve hız kontrol
monte edilmiştir. Fırçasız motorun hızını kontrol
ünitesinin bağlı olduğu parça gövdede farklı
edebilmek için Castle firmasının Thunderbird 54
pozisyonlara kolayca kaydırılarak sistemin ağırlık
amperlik
merkezinin yeri değiştirilebilmektedir ve buna
Kullanılan fırçalı motorları ve bağlı oldukları
bağlı olarak sistemin üzerindeki farklı dinamik
pervaneler dranganfly firmasına aittir. Ayrıca
etkilerini gözlemlemek hedeflenmiştir (Şekil. 10).
fırçalı motorları sürmek için pololu firmasının
hız
kontrol
ünitesi
kullanılmıştır.
motor sürücü kartı kullanılmıştır (Şekil. 12).
Şekil 12. Motor sürücü
Şekil. 10 Sıradışı morfolojik sistem
Sistemin elektronik parçalarını sürebilmek için ve
güç kaynaklarını sağlayabilmek için bir devre
3.1. Sistemin Yapısı
Sistemin gövdesi 12x12 alüminyumdan olup
geçmiş yıllardaki çalışma olan eğik motorlu sıra
dışı
sistemden
parçaların
adaptör
sökülmüştür.
birbirine
parçalar
sabitlenmesi
hızlı
Alüminyum
sağlayacak
prototipleme
kullanılarak üretilmiştir (şekil. 11).
cihazı
tasarlanmıştır (Şekil. 13). Bu devre aynı zamanda
sistemin bilgisayar ile arasındaki bağlantıyı da
sağlamaktadır.
ortamında
Sistem
Humusoft
614
Matlab®
kartı
Simulik
aracılığıyla
sürülmektedir. Sistemin gereksinimleri olan dört
adet PWM çıkışı tasarlanan kart üzerinde bulunup
Ethernet kablosu aracılığıyla Humusoft kartına
bağlanmaktadır. Bahsedilen sistem devresinin
üzerindeki bileşenleri detaylandıracak olursak,
devre bir adet pil girişine sahiptir. Bu pil girişiyle
paralel bağlanmış üç adet giriş, fırçalı ve fırçasız
Sistemin fırçasız motorunun itme kuvveti basit
motorların beslemesini sağlamaktadır. İki adet
bir mekaniksel yapı ile ölçülmüştür. Milin bir
5volt servo besleme çıkışına ve sinyal girşine
ucuna motor adaptör parça ile sabitlenip diğer ucu
sahiptir. 5volt pilden alınan voltajın Lm7805
hassas terazi üzerine konulmuştur. Moment
voltaj regülatörü yardımıyla elde edilmektedir.
kolları ayarlanarak motor güç verilmiştir. Çalışma
rejiminin her bir artışında motorun dönüş hızı ve
hassas terazi üzerinde oluşturduğu itme kuvveti
kayda alınıp itme kuvveti çalışma rejimi grafiği
İtme kuvveti (g)
oluşturulmuştur.
Şekil 13. Besleme devresi
3.2 Veri Toplama
Sistemin tüm parçaları monte edildikten sonra
hassas
terazi
yardımıyla
sistemin
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
36 38 40 42 44 46 48 50
ağırlığı
Çalışma rejimi %
ölçülmüştür. Ölçülen ağırlık 1050 gramdır.
Eşitlik(19) ve Eşitlik(20) ‘de gösterildiği gibi
Şekil 14. Çalışma rejimi ve İtme kuvveti
uçan sistemlerin kendilerini yerden ayırabilmek
için
motorlardan
gelen
maksimum
itme
kuvvetinin %60 ila %70i sistemin toplam
ağırlığına eşit olmalıdır. Motorlardan gelen
toplam itki E-max fırçasız motor için 1300 gr
Elde
edilen
grafik
doğrusallaştırılarak
Eşitlik
çalışma
(21)’e
rejimi
ve
göre
itme
kuvveti arasında bir denklem elde edilmiştir
(Şekil 14).
civarındadır. İki tane Draganfly motor için toplam
Motor itme kuvveti = 95,093 * çalışma rejimi -
itme 250 gram olarak kabul edilmiştir. Sonuç
211,68
olarak toplam itki 1550 gramdır.
Elde edilen bu denklem sistemin kontrolcüsüne
gömülüp
ğı ı
(21)
ataletsel
ölçüm
biriminden
gelen
verilere göre çalışma rejimi hesaplanarak itme
sistem benzetim çalışmaları ve aynı zamanda sıra
kuvveti elde edilecektir.
dışı sistem için dinamik modelleme çalışmaları
devam etmektedir. Sıra dışı sistem dinamik
modellemesi
3.3 Sistemin Kontrolü
kullanılmasına
sonra
benzetim
işlemlerine başlanacaktır.
Sistemin kontrolü için doğrusal ikinci derecen
düzenleyici
çıkarıldıktan
karar
verilmiştir
(LQR-Doğrusal Karesel Ayarlayıcı) (Şekil. 15).
TEŞEKKÜRLER
Bu araştırma, MECE 407-408 Lisans Araştırma
Projeleri
dersleri
I-II
gerçekleştirilmiş
ve
kapsamında
Atılım
Üniversitesi
tarafından desteklenmiştir (Proje No: LAP-A111201).
Derslerin
yürütülmesine
ve proje
çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı
Doç. Dr. Zuhal ERDEN, Öğrt. Grv. Aylin
KONEZ
EROĞLU,
Cahit
GÜREL,
Ayça
GÖÇMEN, teşekkür ederiz.
Şekil 15. Doğrusal Karesel Ayarlayıcı
KAYNAKÇA
Kontrol üncünün blok şemasında bulunan durum
[1] Küçük D., (2010), “Design of Two Wheeled
uzayı bloğuna gömülecek olan dinamik model
Twin Rotored Hybrid Robotic Platform”,
üzerinde halen çalışılmaktadır. Dinamik model
Yüksek
elde edildikten sonra sistemin kontrolü üzerinde
Mühendisliği Bölümü, Atılım Üniversitesi.
çalışmalara başlanacaktır.
Bu bildiride melez uçan robot tasarımı ve
dinamik modellemesi, kontrolü ile ilgili yapılan,
Tezi,
Mekatronik
[2] Tok B., Çelik M. K. (2011), “Melez Uçan
Robot
SONUÇ VE GELECEK ÇALIŞMALAR
Lisans
Araştırmaları”
Mekatronik
Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK
2011), Mekatronik Mühendisliği Bölümü,
Atılım Üniversitesi.
[3] Bilgin Ö.M., Gülümser B. (2011), “Sıra dışı
sıra dışı uçan sistemin yapım aşaması ve
Uçan
elektronik parçaları, kullanılacak kontrolcünün
Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi
seçimi ile ilgili çalışmalar anlatılmıştır. Dinamik
(MeMÖK 2011), Mekatronik Mühendisliği
modellemeler Newton-Euler yöntemine göre elde
Bölümü, Atılım Üniversitesi.
edilmiş ve denetleyici tasarımı yapılmıştır. Melez
Robotlar
Üzerinde
Araştırmalar”,
OPTİK AKIŞ
Burak GÜNEY, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Gülşah DEMİRHAN, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Kağan TELEK, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
S.Betül COŞKUNOĞLU, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Zeynep KAYI, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Bülent İRFANOĞLU, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
edilen
ÖZET
Bu makalenin amacı, bir robotun hareketine ve
hızına görsel anlamda karar vermek için, sık
kullanılan bir bilgisayar faresinin basit optik
sensörünü
değerlendirmektir.
Aynı
zamanda
sensörün, yürüyebilen veya uçabilen robotlar
bulunduran mekatronik laboratuvarı iç ortamı için
bulgular
kullanılabileceği
değerlendirilecek,
yerler
belirtilip
gelecekte
bildiri
sonlandırılacaktır.
ANAHTAR KELİMELER: Optik akış, optik
fare, mekatronik laboratuarı, iç ortam, hız ve
uzaklık, engelden kaçınma, navigasyon
faydalı sonuçlar verip vermeyeceği incelenecektir.
Girişte araştırma hakkında genel bilgi verilip
tanımlamalar yapılacaktır. Genel bilgi verildikten
sonra optik akış mantığı ve literatürde var olan
çalışmalar
Ardından
ayrıntılı
yapılan
şekilde
çalışmalar
aktarılacaktır. Diğer bir deyişle,
motivasyon
kapsam
ve
açıklanacaktır.
detayları
ile
proje amacı
yöntemi;
deneysel
çalışmalar, uygulama için gerekli formül ve
çıkarımları
takiben
bu
çalışmaların
ASELSAN’dan gelen dört tekerli kara aracına
uygulanması açıklanacaktır. Son olarak elde
ABSTRACT
The goal of the following paper is to evaluate a
simple optical sensor from a commonly used
computer mouse as a device to estimate the
motion and velocity of a robot by visual means.
Furthermore, the sensor will be examined to
determine whether it yields useful results for
indoor Mechatronics Laboratory environment,
where there are mechatronics systems which can
either walk or fly. In the beginning general
information and some basic definitions about the
research are given. After general information,
Optik akışın kullanıldığı başlıca alanlar; konum
optical flow phenomena and literature review for
ve hız bulunması, engelden kaçınma, video
current studies are mentioned. Then, related
sıkıştırılması, optik farelerin çalışması, harita
studies are described in detail. That is to say,
oluşturulması, cisim tanıma ve takip etme, hareket
objective, motivation, scope and methodology of
algılaması, robot navigasyonu, görsel odometri
the research project; experimental studies; some
şeklinde sıralanabilir.
basic theoretical information and assumptions and
Makalenin geri kalanı aşağıda belirtildiği gibi
after that integration of these to the 4-wheeled
düzenlenmiştir.
unmanned car donated by ASELSAN are going to
mantığından ve literatürde var olan çalışmalardan
be explored. Finally, all the findings and future
bahsedilmiştir.
works are evaluated and report is concluded.
değinilmiş, belirlenen hipotez sunulmuş, yapılan
Bölüm
Bölüm
2’de
3’te
optik
proje
akış
amacına
deneysel çalışmalar aktarılmış ve belirlenen
KEYWORDS:
Optic
Flow,
optic
mouse,
yöntemler ASELSAN’dan gelen dört tekerli
mechatronics laboratory, indoor environment,
araçta
velocity
çalışmalar ve sonuçlar aktarılmış ve bildiri
and
distance,
obstacle
avoidance,
navigation
Bölüm
4’te
gelecek
sonlandırılmıştır.
2.
1. GİRİŞ
OPTİK
AKIŞ
MANTIĞI
VE
LİTERATÜRDE VAR OLAN ÇALIŞMALAR
Optik akış kısaca nesnelerin hareketinin göz veya
kamera
uygulanmıştır.
ile
göreceli olarak algılanması
ve
yorumlanmasıdır. Araçta sabit hızla giderken
trafik levhasının levhaya yaklaştıkça hızlanması
Bu bölüm altında optik akış mantığı açıklık
kazanacak ve literatürde var olan çalışmalara
değinilecektir.
ve büyümesi, trafik levhasını geçtikten sonra ise
tam tersi olarak görünmesi örnek verilebilir [1, 2].
2.1 Optik Akış Mantığı
Hayvanlar özellikle uçan böcekler ve kuşlar
Genel olarak optik akış, çevre hareketlerinin
hareket halindeyken belirtilen özelliği kullanarak
algılanıp incelendikten sonra yorumlanmasıdır.
çevrelerini
işlemini
Arabada ya da trende oturup camdan bakıldığında
robot
ağaçlar, yer, binalar gibi cisimler farklı hızlarda
teknolojilerinde de optik akış çeşitli yöntemlerle
hareket ediyormuş gibi gözükür. Gözlemcinin ve
farklı amaçlar için kullanılmaktadır.
cisimlerin arasındaki mesafeye göre bu hızlar
algılayıp
gerçekleştirmektedirler.
yol
bulma
Ayrıca
farklılık gösterir. Yakındaki cisimler daha hızlı
hareket ediyormuş gibi gözlenirken, uzakta kalan
cisimlerin daha yavaş hızda hareket ettiği
gözlenir. Aynı zamanda, bir cisim uzakta iken
daha küçük görünmekte ve yaklaştıkça boyutları
büyük görünmektedir. Bu özellikler optik akış
değerinin belirlenmesinde kullanılmaktadır.
Optik
akış
değeri
büyüklüğü
ve
objenin
bir ilişki vardır. Gözlemci hareket esnasında
hızını iki katına çıkardığında optik akış değeri de
iki katına çıkar. Aynı zamanda, gözlemci hareket
esnasında hızını sabit tutarken gözlenen cismin
uzaklığı yarıya indirildiğinde optik akış değeri
yine iki katına çıkmaktadır. Optik akış değeri
gözlenen cisimlerin ve hareket halindeki objenin
arasındaki açıya bağlı olarak da değişiklik
gösterir. Örneğin hareket yönüyle 90 derecelik bir
açı olduğunda optik akış maksimum değeri
aynı
bulunduğunda
cisim
optik
akış
hareket
yönünde
değeri
minimum
olmaktadır.
Optik
akış
Bu başlık altında bulunan makalelerde fare
sensörlerinin optik akış yöntemiyle hız tespiti
yapması ve engelden kaçınılması için kullanılan
yöntemler incelenmiştir.
Hız Tespiti: Basit bir farede kullanılan optik akış
sensörüyle hızölçer tasarlanması araştırmasında,
gözlemciye göre konumu arasında matematiksel
alırken,
2.2 Literatürde Var Olan Çalışmalar
Scheffer [3], optik fare sensörü olarak ADNS
3080 (sensör saatte 20 mil okuyabilmektedir)
tercih etmiş ve bu sistem elektronik bir kaykayda
kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Sistemde daha
doğru sonuçlar için yol yüzeyini netleştirmek
amacıyla lens ve optik sensörün bilgi akışını
sağlamak, hız hesabı ve LCD kontrolü için mikro
işlemci kullanılmıştır. Sistemin farkı, ortalama ve
maksimum hızları gösterebilmesidir. Farklı olarak
Chahl ve Hine [4], uçan cihazlar üzerinde de basit
fare algılayıcısıyla hız tespiti yapmanın mümkün
olduğunu göstermiştir. ADNS 2030 algılayıcısı
kullanılmış ve en az 30 metre yükseklikte bir uçuş
yapılarak; 53 m/s hız tespit edilmiştir. Tasarlanan
sistem tüm uçuş bilgilerini kaydetmenin yanı sıra
değerinin
olarak
anlık olarak hız bilgisini de gönderebilmektedir.
kameralar
Son olarak Kathage ve Kim [5], ADSN 5090 ve
kullanılmaktadır. Kamera ile çekilen iki resim
bir çift kamera kullanarak yaptıkları sistemde 5
karşılaştırıldığında
km/s kadar araç hızı ölçebilmişlerdir. Sistemde
değerlendirilebilmesi
teknik
için
aradaki
görüntü
farkına
bakılarak optik akış değeri bulunabilmektedir.
farklı olarak; fare algılayıcısıyla konum algılama
sistemi eş zamanlı kullanılarak araç rotası görsel
olarak çıkarılmıştır.
Engelden Kaçma: Robot navigasyonu, robotun
yapay zekasını ve sensörel bilgilerini kullanarak
güvenli bir şekilde belirlenen çevrede ilerlemesi
çalışmaların ASELSAN’dan gelen dört tekerli
araştırmasında Ribeiro [6], engelden kaçmayı
kara aracına uygulanması açıklanmıştır.
robotun
izlediği
beklenmedik
yolun
biçimlendirilerek
engellerden
metodolojileri
olarak
kaçabilme
tanımlamış;
robotun
vereceği tepkinin o anki konumu ve sensör
3.1 Proje Amacı, Motivasyon, Kapsamı Ve
Yöntemi
bilgisine göre değişim gösterebileceğini söylemiş
Optik akış özelliğini kullanabilmek için birkaç iyi
ve düzenek hazırlarken Bug’s algoritmasından
bilinen algoritma yanında optik akış sensörleri de
(engel görülene kadar doğruca belirlenen hedefe
mevcuttur. Bu sensörler sadece bir görevi
robotun ilerlemesi) yararlanmıştır. Ribeiro’nun
gerçekleştirmek
araştırmasından farklı olarak Suohila ve Karim
tabanlı modüller veya hesaplama yeteneğine sahip
[7], yaptıkları çalışmalarda robotun önündeki
kameralar için entegre edilmiştir. Bu projenin
kamerayla birlikte 2 farklı yöntem kullanarak
amacı, optik akışın ilgilendiğimiz robotlara
engelden
Bu
aktarılması ve belirli uygulamaların elde edilmesi,
akış
araştırmalara ve mevcut literatüre bir ölçüde
vektörlerinin bölgesel yoğunluğu dikkate alınarak
teorik / pratik katkılar sağlamaktır. Optik akış
robota yön bilgisi aktarılması (denge stratejisi);
uygulaması bu projede ASELSAN’dan gelen dört
diğeri ise çevresindeki objelerin optik akış
tekerli insansız kara aracında engelden kaçınma
değerlendirmesi ve robotun hızı kullanılarak
ve
çıkarılan derinlik haritasıyla birlikte robotun
sınırlandırılmıştır.
yöntemlerden
kaçmayı
ilki
başarmışlardır.
görüntüdeki
optik
hız
ve
için
özellikle
konum
mikrokontrol
belirleme
olarak
amaçlanan hedefe hiç bir temas yaşanmadan
ulaşmasıdır.
3.2
Takip eden bölümde literatür araştırmasından da
Optik
elde edilen bilgilerle, optik akış araştırma projesi
olgunlaşmamış bir durumu olmasına karşın,
kapsamında yapılan çalışmalar kronolojik bir
birçok
sıraya göre ayrıntılı bir şekilde açıklanacaktır.
araştırma konusu olması bakımından, LED optik
Hipotez
akış
uygulamasının
ilerlemenin
robotik
gözlemlendiği
alanında
etkin
bir
farenin çipinde bulunan optik akış uygulaması
konum belirleme, hareket kontrolü ve engelden
3. YAPILAN ÇALIŞMALAR
Bu başlık altında proje amacı motivasyon kapsam
ve yöntemi; ayrıca deneysel çalışmalar, uygulama
için gerekli formül ve çıkarımlar; son olarak bu
kaçınma konularında dört tekerli insansız kara
aracında alternatif sunabilmektedir.
Şekil 2’de görüldüğü gibi optik akış değerleri
3.3 Deneysel Çalışmalar
Bu bölümde proje kapsamında yapılan deneyler
beraberinde getirebilir. Ancak bu durum hızlı
ve çalışmalar açıklanacaktır.
Sarkaç
Deneyi:
Optik
dönen cisimlerde belli bir hata payını da
akışın
çekim yapılarak en aza indirilebilir. Bunun için
laboratuvar
koşullarında gözlemlenmesi için elverişli bir araç
olan sarkaç kullanılmıştır. Sarkaç ile yapılan
deneylerde, sarkaç hareket halindeyken sarkaç
üzerindeki farklı noktalarda optik akış değerinin
değişimi gözlemlenmiştir. Üzerinde deney yapılan
sarkaç düzeneği Şekil 1’de gösterilmektedir.
sarkaç sırayla 1fps, 5fps, 10fps ve 30fps kamera
değerleri ile görüntülenmiş, bunun üzerine yüksek
görüntü alma hızının optik akış gözlenmesi için
önemli bir yere sahip olduğu sonucuna varılmıştır.
MATLAB çalışması: Gözlemlenen sarkaçtan
alınan video örnekleri, MATLAB Simulink optik
akış aracı kullanılarak değerlendirilmiştir. Bu
değerlendirmede, video örneğinden alınan iki
farklı
karedeki
optik
akış
vektörleri
gözlemlenmiş, aralarındaki farklar anlaşılmaya
çalışılmıştır. Alınan bu iki resim, önce 160*120
piksel, daha sonra 40*30 piksel boyutlarında
bölümlendirilmiş ve optik akış değişiklikleri
Şekil 1. Sarkaç Düzeneği
değerlendirilmiştir.
Piksel
sayısını
arttırıp
azaltarak sabit bir uzaklıktan optik akış değerleri
Deneyde elde edilen sonuçlar göstermektedir ki,
optik akış değeri, çizgisel hızı daha büyük olan uç
kısımda daha büyüktür (Şekil 2).
alınan belirli bölgeler gözlenmiştir. Aynı zamanda
dönen cisimlerdeki optik akış algısının nasıl
olacağı bu gözlemler arasında yer almıştır.
Dönen cisimlerde optik akış değerlendirmesi:
Dönen cisimlerde genellikle iki farklı pozisyon
arasında lineer olarak fark bulunmamaktadır.
Görsel
anlamda
optik akış
değerinin elde
edilebilmesi için pozisyon değişiminde piksel
farkı gerektiğinden, olduğu yerde dönmekte olan
cisimler
optik
saptanamamaktadır.
Şekil 2. Optik akış değerinin sarkaç üzerindeki
değişimi
akış
değeri
aracılığıyla
Dönen cisimlerde optik akış görülebilmesi için,
ve çıkarımlar yapılıp bunların araca entegre
cisim yoğunluk değişkeni olarak adlandırılan
edilmesi ayrıntılı olarak anlatılacaktır.
spiral çizgiyle işaretlenerek gözlemlenmektedir.
Bu şekilde gözlenen cisimde, dönme yönü z
ekseni etrafında saat yönünün tersinde olmasına
karşın
optik
akış
vektörleri
yukarı
doğru
görülmektedir (Şekil 3).
Aracın tanımlanması: Önceki kısımlarda da
değinildiği
üzere
uygulama
yapılan
araç
ASELSAN’dan gelme dört tekerlekli insansız bir
kara
aracıdır
ve
bu
araç
Şekil
4’te
gösterilmektedir.
Şekil 4. Dört tekerlekli insansız kara aracı
Şekil 3. Dönen cisimde optik akış gözlenmesi
Araçta iki adet dc motor (Şekil 5), 2 adet enkoder
(Şekil 6), 1 adet fren, 1 adet single board pc ve 1
adet motor sürücü bulunmaktadır.
Her ne kadar yoğunluk değişkeninin hareket yönü
olan
z
ekseni
gözlenebilse
de,
doğrultusundaki
çizginin
teğet
değişimi
eksenindeki
değişim hâlâ gözlenememektedir.
3.4 Belirlenen Aracın Üzerindeki Uygulamalar
Bu başlık altında aracın tanımlanması, gerekli
malzemelerin belirlenmesi, gerekli olan formül
Şekil 5. Araçtaki dc motorlar
Aracın sağ tarafında bulunan iki tekerlek bir dc
cisimlerin optik akış değerleri sırasıyla -3,+5 ve
motora bağlıdır; aynı durum sol taraf için de
+10 olduğu varsayılsın.
geçerlidir. Sağ ve sol tekerlekler dc motorun
ucuna bağlı bulunan palet sistemiyle kontrol
Bu durumda sensörün vereceği optik akış değeri
Eşitlik (1) ile belirlenir.
edilmektedirler (Şekil 6).
Sensör _ OA _ deg eri 
 Cisimlerin _ OA _ deg erleri
(1)
Cisimlerin _ Sayisi
Eşitlik (1)’de OA, optik akışı ifade etmektedir ve
denklemden anlaşılacağı üzere verilen örneğin
sensör optik akış değeri [-3+5+10]/3=4 olur.
Sensör optik akış değeri bulunduktan sonra bu
Şekil 6. Araçtaki palet sistemi ve enkoder
bilgileri hareket edilen gerçek uzaklık değerlerine
dönüştürebilmek için yüksekliği göz önüne almak
önemlidir. Şekil 7’de göründüğü gibi aynı mesafe
Uygulama için Gerekli Formül ve Çıkarımlar:
gidilmesine rağmen yükseklik değerleri farklı
Bu başlık altında kullanılacak olan optik akış
olduğundan
sensörünün çalışma
göstermektedir ve optik akış değerleri yükseklik
değerinin
hız
mantığı ve
bilgisine
optik akış
dönüştürülmesi
optik
akış
değerleri
farklılık
ile ters orantılıdır.
anlatılacaktır.
Optik akış sensörü x-y koordinatları üzerindeki
ortalama pozisyon değişimini kullanıcıya geri
vermektedir. Bir piksel hareketi sensörün yüksek
(1) bilgisine dönmesine neden olmaz; bu olayın
gerçekleşmesi
için
daha
yüksek
değerler
gereklidir. Eğer görüntüde birden fazla hareket
eden cisim varsa bu görüntünün optik akış değeri
ortalama olarak hesaplanır. Örneğin görüntüde
hareket ettiği belirlenen üç cisim varsa; bu
Şekil 7. Yükseklikle değişen optik akış değeri
Sensörün uçağın üzerinde olduğu ve 2 piksel
Sensörün görüş alanının bulunabilmesi için
olduğu
trigonometrik
düşünülürse,
yere
göre
1
metre
ve
geometrik
bilgiler
yüksekliğindeki uçağın optik akış değeri 2
kullanıldığında Eşitlik (3)’teki gibi bir bağıntı
değerini
elde edilir. Bu eşitlikte yükseklik metre, görüş
alacakken,
yere
göre
2
metre
yüksekliğindeki uçağın optik akış değeri 1
açısı derece cinsinden yazılmalıdır.
değerini alacaktır. Bu ters orantı bağıntısı Eşitlik
(2)’de belirtilmiştir.
Yukseklik
1
OA _ deg eri
Gorus _ Acisi 

Gorus _ Alanı  2 * tan(
) * Yukseklik
2


(2)
(3)
Piksel başına düşen alan, görüş alanının piksel
sayısına orantılanmasıyla bulunur. Optik akış
Yüksekliğin yanı sıra optik akış değeri kameranın
görüş açısı ve piksel sayısı ile de ilişkilidir.
Kameranın görüş açısı genişledikçe bir pikselin
kapladığı alan da genişlemektedir. Bu sonuç optik
akış değerini doğrudan etkilemektedir (Şekil 8.).
değeri piksel değişim sayısı olduğundan. Optik
akış değerinin piksel başına düşen alan ile
çarpılması alınan mesafeyi bunun zamana bölümü
ise hızı vermektedir. Bu işlemler yapıldığında
optik akış özelliği kullanılarak hız tespiti yapılmış
olur. Gerekli bağıntı Eşitlik (4)’te verilmiştir.
 OA _ deg eri * Yukselik 
 Gorus _ Acisi 
 * 2 tan
Mesafe  

2


 Sensor _ Piksel _ Sayı 
(4)
Optik akış sensörünün araca uygulanması: Bu
başlık altında sensörün araca uygulanması için
gerekli görülen değişiklikler, sensör ve bacak
bağlantıları
hakkında
bilgiler
verilecek
ve
bunların araca uygulanması anlatılacaktır.
İlk olarak sensörün araca uygulanabilmesi için
araçta yapılması gereken birtakım değişiklikler
anlatılacaktır. Bu değişiklikler; aracın ön alt
Şekil 8. Görüş açısının pikselle ilişkisi
tarafını kapatan parçanın özelleştirilmesi; aracın
alt kısmını oluşturan üç parçadan aracın içinde
bulunan motor sürücü, batarya ve single board
pc’nin hesaba katılarak ön alt parçanın uygunluğu
gözlenip
parçanın
aynısının
üretilmesi
ve
formülünde bu değişken sabit olarak alınmıştır.
sensörün geldiği yere ufak bir delik açılması
Ayrıca
şeklinde sıralanabilir. Sensörün geldiği yere açılan
olmasından dolayı tek değişken olarak sensörden
delik sayesinde sensörün aracın altından görüntü
gelecek olan optik akış değeri kabul edilmiştir.
görüş
açısının
da
sabit
vermesi
Sensörün lensinin bitiminden alınan ölçümlere
sağlanabilmektedir ve araçta başka herhangi bir
göre sensörün yerden yüksekliği 7.5 cm (Şekil
değişikliğe gerek görülmemiştir.
10). Sensörün üzerinde bulunan 8mm M12x0.5
Sensör ve gerekli bağlantılarına değinilecek
özelliklerine sahip merceğin görüş açısı ise 11
olursa; sensörün çalışması ve veri alınmasını
olarak belirlenmiştir.
alarak
optik
akış
değeri
sensörün
sağlayan gerekli bağlantılar (Şekil 9); MISO
(MASTER IN/SLAVE OUT), MOSI (MASTER
OUT/SLAVE IN), SCLK ve NCS şeklinde
sıralanabilir. Bunları kısaca açıklamak gerekirse
MOSI veri girişi (INPUT), MISO veri çıkışı
(OUTPUT), SCLK çalışma frekansı, NCS ise seri
portları aktif etmek için kullanılmaktadır. Ayrıca
bu port gerekli durumlarda yeniden başlatma
(reset) işlemi için de kullanılabilir. NCS sensörün
çalışması için düşük (low) değerde olmalıdır.
Şekil 10. Aracın yerden yüksekliği
4. SONUÇLAR
Sonuç olarak optik akış teknolojisinin mekatronik
ürünlere
uygulanabilirliği
denenmektedir.
Sistemin oldukça hassas ölçümler yapabildiği ve
kullanılan sensör ile çok daha yüksek hızlara
çıkılabileceği görülmüştür. Ayrıca aracın zemine
bağlı olarak 2 eksenli hızının bulunabilmesinden
Şekil 9. Bacak (pin) bağlantıları
dolayı kaymalara karşı kesin olarak aracın tam
hareketinin gözlenmesi mümkündür. Ek olarak
Sensör ve bacak bağlantılarından sonra gerekli
optik akış kullanılarak herhangi bir sistem
değişkenlerin
bahsedilecek
üzerinde uygulanabilecek şekilde engelden kaçma
olunursa; aracın yerden yüksekliği sabit olduğu
ve yol bulma işlemi de bilgisayar ortamında
varsayımı yapılıp sensörün optik akış değer
MATLAB
bulunmasından
ile
gerçekleştirilmiştir.
Buradan
çıkarılan sonuçlar ise engelden kaçma/yol bulma
işleminin,
görüntü
işleme
yoluyla
(Erişim: 03.04.2012)
[3] Scheffer, Z., (2007), “Optical Speedometer”,
yapılmasındansa optik akış sensörleri kullanılarak
Technical
yapılması, görüntü işlemede gerekli olan işlemci
Fulfillment of the Engineering Technology
ve ekstra güç tüketiminin önüne geçecektir.
Senior Design Project Course ETG 4950C
Bunun yanı sıra optik akış sensörleri çok yüksek
[4] Chahl J.& Hine B.(2008), ”Insect-Inspired
Report
Submitted
in
Partial
çerçevelerde görüntü işlemeyi gerçekleştirdikleri
optical flow navigation sensor”,
için hızlı hareket eden veya hızlı tepki vermesi
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa
gereken mekatronik ürünlerde de kullanılabileceği
.gov/20110016297_2011017327.pdf
görülmüştür.
(Erişim: 10.05.2012)
[5] Kathage R. & Kim J., (2006), “Experimental
results of a Differntial Optic-Flow System”,
TEŞEKKÜR
Projeleri I-II dersleri kapsamında gerçekleştirilmiş
ve Atılım Üniversitesi tarafından desteklenmiştir
(Proje
No:
LAP-A-111201).
Derslerin
yürütülmesine ve proje çalışmalarımıza verdikleri
katkılardan dolayı Yrd. Doç. Dr. Zühal ERDEN’e,
Yrd. Doç. Dr. Kutluk Bilge ARIKAN’a, Öğr.
Gör. Aylin KONEZ EROĞLU’na, Arş. Gör. Cahit
GÜREL’e
ve
Arş.
Gör.
Emre
GÜNER’e
teşekkürlerimizi sunarız.
KAYNAKÇA
[1] Klaus, B. ve Horn, P., (1986), “Robot Vision”,
http://homepages.inf.ed.ac.uk/rbf/CVonline/L
OCAL_COPIES/OWENS/LECT12/node7.ht
ml.
(Erişim: 09.05.2012)
[2] Barrow, L., G., (2000), “Custom Vision Chips
for Robotics”,
http://centeye.com/technology/optical-flow/
Department of EngineeringThe Australian
National University, Australia
[6] Ribeiro, M., I., (2005), “Obstacle Avoidance”,
Navigation/Collision Avoidance pp. 1-4
[7]Souhila K. & Karim A., (2009), “Optical Flow
Based
Robot
Obstacle
Avoidance”
http://cdn.intechopen.com/pdfs/4206/InTechO
ptical_flow_based_robot_obstacle_avoidace.p
df
(Erişim: 10.05.2012)
STIRLING MOTOR VE ÇUKUR AYNA İLE GÜNEŞ TAKİP SİSTEMİ
KULLANARAK GÜNEŞ ENERJİSİNİ MEKANİK ENERJİSİNE
DÖNÜŞTÜRME
Ömer ÇETİN, cetin.omer@ student.atilim.edu.tr, Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Betül EYTÜRK, eyturk.betul@ student.atilim.edu.tr, Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Melih KARALİ, karali.melih@ student.atilim.edu.tr, Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Barlas PAZARBAŞI, pazarbasi.barlas@ student.atilim.edu.tr, Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Mehmetali SARI, [email protected], Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
H.Orhan YILDIRAN, [email protected], Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
ÖZET
ABSTRACT
Sürdürülemez enerji kaynaklarının tüketimi ve
Consuming of unsustainable energy sources and
fosil yakıtlarının kısıtlılığı gelecek yaşantımız
limitation of fossil fuel become threat for the
için tehdit oluşturmaktadır. Enerji kaynaklarının
future life. Because of high cost energy,
pahalılığı, çevreye verilen tahribat ve çevre
destruction of environment and environment
kirliliği,
pollution are caused that required to using
yenilenebilir
kaynaklarının
ve
kullanımını
sonsuz
enerji
gerektirmektedir.
sustainable
and
finite
energy
generation.
Yenilenebilir enerji teknolojileri zararsız enerji
Renewable energy technologies are clean sources
kaynağıdır ve bilindik enerji teknolojilerine
of energy and it has lower environmental impact
nazaran daha az çevre ile etkileşim halindedir.
than conventional energy technologies. One of
Güneş enerjisi bu enerji kaynaklarından biri ve
them is solar energy as finite energy. In this study
sonsuz enerjidir. Bu çalışma; Stirling motorunun
shows that how to design and manufacture the
tasarımının ve üretiminin nasıl yapılacağını,
Stirling Engine, it combined with parabolic
çukur ayna ile birleştirilip güneş takip sistemiyle
mirror collect sunrays in focus point and thanks
güneş
toplayarak,
to developing a tracking system, obtained
maksimum güneş enerjisini mekanik enerjiye
maximum useable mechanical energy from the
çevrilmesini içermektedir.
sun, converted from solar energy to mechanical
ışınlarını
bir
noktada
energy.
ANAHTAR KELİMELER:
Stirling motor, çukur ayna, takip sistemi
KEYWORDS:
Stirling engine, parabolic mirror, tracking system
1. GİRİŞ
bu yüksek enerji ile stirling motorundan hareket
Mece 407- 408 araştırma projesinin amacı güneş
enerjisi elde etmekdir.
enerjisini kullanarak, parabolik ayna ve stirling
motor ile elektrik enerjisi üretmektir. Mece 407-
2. SİSTEMİN ANA KISIMLARI
408 araştırma projemizin ana başlıklar güneş
2.1 Stirling Motor
takip sistemi, stirling motor ve çukur ayna olarak
Stirling motoru, sıcak hava motoru olarakta
3’e ayrılmaktadır. İlk olarak takip sistemi güneşi
bilinen dıştan yanmalı bir ısı makinası tipidir.
takip ederek verimliliği en yüksek seviyede
Temel çalışma prensibi sıcaklık değişimine bağlı
tutmayı
LDR
olarak ısınan ve soğuyan havanın genleşip
sensörlerinden gelen bilgilerin mikro işlemciler
sıkışarak basınç yaratmasıdır. Isı değişim prosesi,
sayesinde işlenerek, çift eksenli takip sistemi adı
Carnot çevriminin pratik olarak uygulanması ile
verilen sistemin sürülmesi ile sağlamaktadır.
ısının mekanik harekete dönüşümünün ideal
Çukur ayna olarak adlandırılan ayna çeşiti şekil
verime yakın olmasına izin verir. Stirling
olarak çanak anteni anımsatmaktadır, bu ayna
motorları dıştan ısı vermeli motorlar olduğundan,
güneş enerjisini bir noktada odaklayarak yüksek
içten yanmalı motorlara ve diğer ısı motorlarına
derecede ısı elde etmeyi sağlamaktadır, ısı tek
göre bir çok üstünlükleri vardır. Her türlü yakıt
noktada toplandığından bu noktaya odak noktası
ve ısı kaynağı kullanılabilmektedir. Özellikle
denmektedir. Yaptığımız hesaplamalarda MECE
güneş
407-408 araştırma projesinde kullanılan çukur
başarılı sonuçlarla giderek artan enerji ve çevre
aynanın odak noktasın merkezinden 75 cm
sorunlarına karşı alternatif bir enerji dönüştürücü
uzakda bulunduğu tespit edilmiş ve yapılan
olarak
ölçümlerde
kadar
motorları gürültüsüz ve titreşimsiz çalışmaları,
çıkabildiği gözlenmiştir. Bu proje kapsamında
yüksek termik verimleri, çevreci motor ve uzun
yapılan araştırmalar stirling motorun ısı enerjisini
ömürlü
haraket enerjisine çevirmede en iyi yol olduğunu
alanlarından
göstermektedir. Bu motor dıştan yanmalı bir
uygulamalarına
motor çeşitidir, stirling motorun çalışma prensibi
kullanılmaktadır. Bunun yanısıra yeterli tork ve
ısınan havanın genleşerek pistonu itmesi ve
özgül
bunun sonucunda hareketin elde edilmesinden
araştırmacıları bu motorlar üzerinde çalışmaya
oluşmaktadır. Son olarak bütün projenin amacı
yönelten başlıca nedenlerdir. Günümüzde 4 temel
güneş enerjisinden yüksek ısı enerjisi elde ederek,
stirling motor çeşiti kullanılmaktadır. Bunlar
sağlamaktadır,bu
bu
ısının
915
takip
dereceye
enerjisi
uygulamalarında elde
kullanılmaya
olmaları
güç
uzay
başlanmıştır.
Stirling
nedenleriyle,
teknolojisine
kadar
değerleri
ile
basit
sulama
ve
birçok
edilen
elektrik
alanda
tasarımları
başlıca; alfa, beta, gama ve bağımsız piston (free
piston) stirling motorlarıdır. Bu araştırmada gama
tipi stirling motoru seçilmiş ve gama tipi stirling
motorunun çalışma prensipleri araştırılmıştır.
Gama tipi stirling motoru birbirinden ayrı 2
pistonu olmak üzere 6 ana parçadan oluşmaktadır.
Bunlar; güç pistonu(power piston), hareket
pistonu
(displacer
rejenaratör
piston),
(regenerator), biyel (connection rod), silindirler
(cylinders), ve volan (flywheel) parçalarıdır.
Gama
stirling
motoru
ile
ilgili
Şekil 1. Gama Stirling Motor Prototipi
literatür
araştırmaları yapıldıktan sonra gama stirling
motorunun prototipini elde etmek için mini bir
Pistonlar birbiriyle eş merkezli olmayan ayrı
gama stirling motorunun CATIA programında her
silindirlere sahiptir. Silindirler birbirine paraleldir
parçası olmasada ana parçaları çizilerek montajı
ve ölü hacmi en aza indirecek şekilde Şekil
Şekil 1’de gösterildiği gibi yapılmıştır. Bu sayede
2’deki gibi yerleştirilmiştir. Alt kısımda bulunan
stirling motorunun parçaları hakkında daha iyi
silindir, çalışma hacminin azaltılıp, arttırılmasını
bilgi sahibi edinildi. Stirling motorunun teknik
yani iş akışkanının sıkıştırılıp, genişletilmesini
çizimleri yapıldıktan sonra kinematik analizleri
sağlamaktadır. Üst kısımdaki silindir ise, yer
yapılmaya çalışıldı ama kinetik analizler tam
değiştirme pistonu aracılığı ile iş akışkanının
verimli
soğutulup,
bir
şekilde
yapılamadı.
Literatür
ısıtılması
görevini
yerine
araştırmalarında stirling motorun parçaları tam
getirmektedir. Tasarımın avantajı mekanik olarak
detaylı anlatılmadığı için ana parçaların, parça
basit olmasıdır.
bağlantılarının ve pistonların iç yapısının daha iyi
anlaşılması için mini stirling motor prototipi
alındı
ve
tersine
mühendislik uygulanarak,
stirling motorunun parçaları ve çalışma prensibi
detaylı bir şekilde incelendi. Bu uygulama
pistonların teknik yapısı bakımından yararlı bir
çalışma olmuştur.
Şekil 2. Gama Stirling Motor Yapısı [1]
Stirling
moturun
çevrimine dayanır.
sıcaklık
çevrimi
Carnot
Stirling çevrimine göre
çalışan bir sıcak hava motoru temel olarak iki
pistondan oluşmaktadır. Pistonlardan bir tanesi
yer değiştirme pistonu olarak adlandırılır ve
görevi çevrim akışkanını sıcak ve soğuk bölge
arasında nakletmektir. Diğer piston güç pistonu
Şekil 3. Stirling Çevrimi P-V Diagramı
olarak adlandırılır ve motordaki gücü üreten
(Carnot Cycle) [3]
pistondur. Carnot çevriminden bilindiği üzere
sıcak ve soğuk ısı kaynaklarının sıcaklıkları
arasındaki fark arttıkça ısıl verimin arttığı
Stirling motorun performansı P-V diyagrama göre
bilinmektedir. Dolayısıyla bu sıcaklık farkını
hesaplanılabilir. Motor hacmi, iç geometri hesabı
arttırmak için Stirling çevriminde sistem içi ısı
kullanılarak
geçişi yapılır; bu sistem içi ısı geçişine literatürde
kullanılacak olan gazın kütlesi ve
rejenerasyon adı verilmektedir. “Stirling motorun
olan sıcaklık seçildikten sonra basınç ideal gaz
performansı
formülü kullanılarak hesaplanır.
rejenerasyonun
performansından
kolayca
hesaplanır.
Hacim,
uygulanacak
etkilenmektedir.” [2] Stirling çevrimi sıcak hava
motorları için ideal bir çevrimdir. Dört tümden
tersinir
hal
değişiminden
oluşan
Stirling
çevriminin P-V diyagramı Şekil 3’teki gibi
gösterilmektedir. Bu hal değişimleri aşağıda
sıralanmıştır:
1-2
İzotermal
(Sabit
sıcaklık)
sıkıştırma
(sistemden dış ortama ısı geçişi)
Şekil 4. Schmidt Teorisi [4]
2-3 Sabit hacimde rejenerasyon (rejeneratörden
aracı akışkana sistem içi ısı transferi)
3-4 İzotermal (Sabit sıcaklık) genişleme (sisteme
dış kaynaktan ısı geçişi)
4-1 Sabit hacimde rejenerasyon (aracı akışkandan
rejeneratöre sistem içi ısı geçişi)
Stirling motorun P-V diagram denklemleri ve
model
hesaplaması
dayanmaktadır.
Formülde
Schmidt
teorisine
kullanılacak
olan
semboller Şekil 4’te gösterilmektedir. Denklemin
bir kısmı aşağıdaki gibidir. 1 numaralı denklem
genişleyen
hacim
denklemidir.
denklem sıkışan hacim denklemidir.
2
numaralı
çizimleri yapılmıştır ancak Stirling motorunun
VE 
VSE
(1  cos x)  VDE
2
VC 
VSE
V
(1  cos x)  SC (1  cos(x  dx)  VDC
2
2
(2)
(1)
üretim safhasına geçilememiştir.
2.2 Parabolik Ayna
Parabolik aynalar güneşten gelen ışınları bir
noktada toplayarak odaklamaktadır. Işınların
Toplam momental hacim- V bir sonraki 3
toplandığı bu noktaya aynanın odak noktası
denmektedir.
numaralı denklemde tanımlanmıştır.
Güneş
ışınlarını
tek
noktada
toplamasında parabol olarak özel bir şekle
sahiptir. Parabolik aynalara parabolik yansıtıcılar
V  VE  VR  VC
Motor basıncı – P,
(3)
ortalama basınç - Pmean,
minimum basınç - Pmin ve maksimum basınç Pmax aşağıdaki 4 numralı denklemler kullanılarak
ya da parabolik çanak ta denilmektedir. Aynaya
gelen güneş ışınları Şekil 5’te gösterildiği gibi bir
noktada odaklanmıştır ve F noktası aynanın odak
noktasıdır.
bulunur.
P
Pmean 1  c2
P min(1  c)
P max(1  c)


1  c.cos(x  a) 1  c.cos(x  a) 1  c.cos(x  a) (4)
Matematiksel modele göre, bazı varsayımlar
yapılmalıdır. Bunlar; genişleme pistonu süpürme
hacmi, sıkıştırma pistonu süpürme hacmi ve
rejenerasyon
hacmidir.
Tasarım
prosesinde,
Şekil 5. Parabolik Aynanın Odak Noktası [5]
piston ve silindirlerin teknik çizimleri yapılmıştır.
Üretim için kullanılacak malzeme özellikleri
Projede kullanılan aynanın çapı 65 cm, derinliği
alüminyum profil no: 5686 seçilmiştir. Isı
3.5 cmdir ve 1.5 kg ağırlığındadır. Aynanın odak
transferinin
noktası 5 numaralı formülle bulunmaktadır.
verimliliğinin
sağlanılması
için
yapılan araştırmalara dayanarak silindir kalınlığı
3-4 mm seçilmiştir. Pistonların hareketi için
piston
ve
silindirlerin
arasındaki
boşlukta
0.02mm seçilmiştir. Piston ve silindirlerin teknik
f = odak noktası
D = aynanın çapı
c = aynanın derinliği
f = ( D * D ) / ( 16 * c )
(5)
Bu formüle göre parabolik aynanın odak noktası
75 cm dir. Parabolik aynanın birçok kullanım
alanı vardır. En yaygın olan kullanım alanı güneş
takip sistemlerinde güneş ışınlarını tek bir
noktada odaklamada kullanılır. Bunun yanında
diğer
kullanım
Örneğin,
alanı
arabaların
otomotiv
farlarında
sektörüdür.
ki
aynalar
parabolik aynalardır ve yansıtıcı olarak kullanılır.
Günümüzde henüz ekonomik olmayan parabolik
çanak sistemlerinin araştırma ve geliştirme
çalışmaları sürdürülmektedir. Bu çalışmalarda
amaç, birim alan maliyetini düşürmek ve verimini
artırmaktır.
Parabolik
aynalarla
ulaşılan
maksimum sıcaklık 1500 C kadar çıkmaktadır.
Projede yapılan ölçümler sonucunda ulaşılan
sıcaklık Şekil 6’ da gösterildiği gibi 915 0C dir.
2.3 Güneş Takip Sistemi
Takip sistemi Stirling motorlu çukur aynalı takip
sistemin ana parçasıdır. Güneş takip sisteminin
ana amacı güneş ışınlarını en verimli şekildi
toplamaktır. Üç çeşit takip sistemi bulunmaktadır.
Bunlar sabit eksenli, tek eksenli ve çift eksenli
takip sistemleridir. MECE 407-408 araştırma
projesinde çift eksenli güneş takip sistemi
kullanılmaktadır. Sabit ve tek eksenli takip
sistemleri kurulum için geniş ve düz alanlara
ihtiyaç duyarlar. Çift eksenli güneş takip sistemi
tek eksenli ve sabit eksenli takip sistemlerinden
36 % daha verimlidir. Çift eksenli takip sistemi x
ve y eksenlerine sahiptir, bu yüzden istenilen her
türlü alana kurulumu yapılabilir. Çift eksenli
güneş takip sistemi Şekil 7’de gösterilmektedir.
Güneş takip sistemi 2 ana kısımdan oluşmaktadır,
bunlar elektronik ve mekanik kısımlardır. Bu
kısımlar iki ana başlık altında anlatılacaktır.
Mekanik
Kısım:
Mekanik
kısım
dönme
hareketlerini sağlamakta ve sistemin ağırlığını
taşımaktadır. Mekanik kısmın ayna ve Stirling
motor olmadan uzunluğu 65 cm dir. Toplamda 6
kg yük kaldırabilmektedir, bu kapasite Stirling
motor
Şekil 6. Test Edilmiş Sıcaklık Değeri
ve
çukur
aynayı
taşımasına
imkân
sağlamaktadır. Mekanik kısım da 2 tane rulman,
bir tane düz dişli ve bir tane de solucan dişli
bulunmaktadır. Ayrıca, 2 tane redüktörlü DC
motor içermektedir. Bu motorlar x ekseninde ve y
ekseninde dönüşü sağlamaktadır. Mekanik kısım
plastik malzemeden üretilmiştir, bu sayede ağırlık
olarak Arduino Mega kullanılmaktadır. Ayrıca,
ve fiyat azalmıştır.
elektronik
devre
bağlantıları
Şekil.9’da
gösterilmektedir.
Şekil 8. LDR Pozisyonu
Şekil 7. İki Eksenli Takip Sistemi
Elektronik Kısım: Elektronik kısım kontrolcü,
güç kaynağı ve ışık sensörlerinden oluşmaktadır.
Elektronik kısmın ana amacı güneşi en verimli
Şekil 9. Elektronik Devre
Tablo 1. LDR Verileri
şekilde takip etmektir. Güneş takibi için LDR
LDR1 LDR2 LDR3 LDR4
yani ışık sensörü kullanılmaktadır, dört adet ışık
sensörü
birbirini
görmeyecek
şekildi
IŞIKLI ORTAM
yerleştirilmiştir. Bu yerleştirme sayesinde yüksek
AZ IŞIKLI ORTAM
verim elde edilmektedir. LDR1, LDR2, LDR3 ve
KARANLIK ORTAM
LDR4
den
elde
edilen
veriler
852
894
830
865
481
502
440
454
366
380
320
335
Tablo.1’de
gösterilmektedir. Işık sensörlerinin ne şekilde
yerleştirildiği Şekil.8’de gösterilmektedir. Güç
kaynağı olarak lipo pil seçilmiştir. Lipo pil 2250
mAh akıma ve 11.2 V voltaja sahiptir. Kontrolcü
3. SONUÇLAR
Bu proje üç ana kısımda oluşmaktadır. Bu
kısımlar; Stirlig motoru, güneş takip sistemi ve
çukur aynadır. Bu çalışmada ilk olarak, stirling
motorunun çalışma prensibi hakkında bilgi
TEŞEKKÜR
verilmiş ve teknik özelliklerine değinilmiştir.
Stirling
motorunun
prototipi
teknik
olarak
Bu
araştıma,
MECE
407-408
Lisans
Araştırma Projeleri I-II dersleri kapsamında
çizilmiş ve montajı çizim programı olan Catia
ve
programında yapılmıştır. Buna ek olarak Stirling
tarafından desteklenmiştir (Proje No: LAP-A-
çevriminin teorik analizine ve termodinamik
111201).
analiz yöntemlerine yer verilmiştir. Bir diğer
çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı Yrd.
önemli parçası olan güneş takip sistemi iki
Doç. Dr. Zuhal ERDEN’e teşekkür ederiz.
Derslerin
Atılım
Üniversitesi
yürütülmesine
ve
proje
eksenli olarak tasarlanıp, güneş takibi için gerekli
olan yazılım programı yazılmış ve LDR devre
tasarımı yapılmıştır. Son olarak güneş ışınlarını
KAYNAKÇA
bir noktada toplayan çukur ayna temin edilerek
[1]http://www.ohio.edu/mechanical/stirling/engin
güneş takip sistemine montajı yapılıp, güneş takip
es/gamma.html
sistemi çalıştırılmıştır. Sonuç olarak, Stirling
(Erişim: 12.12.2011 )
motorunun
[2]
üretimi
yapılamadığından
güneş
Watanabe,
H.,
Fujisawa,
Y.
(2000),
enerjisinden elektrik enerjisi üretimi yapılamamış
“Characteristics of Stirling Engine Regenerator”,
fakat çukur ayna ile güneş enerjisinden yeterli ısı
Naotsugu Isshiki-Tokyo Institute Technology
elde edilmiştir.
p.1248
[3] Gheith, R., Alouiand F. and Ben Nasrallah S.,
4. GELECEKTEKİ ÇALIŞMALAR
(2011), “Experimental Study of a Beta Stirling
Gelecekte yapılacak çalışmalar arasında, stirling
Thermal Machine Type Functioning in Receiver
motor üretimi
yapılacaktır ve güneş takip
and Engine Modes ”, Journal of Applied Fluid
sistemininin üzerinde bulunan çukur aynanın
Mechanics, Vol. 4, No. 2, Issue 1, pp. 33-42
odak noktasına gelecek şekilde monte edilip ısı
[4] Hirata, K., “Chmidt Theory for Stirling
enerjisinden haraket enerjisi elde edilecektir. İki
Engine”, 1997
eksende hareket edebilen güneş takip sistemi
rüzgardan ve doğal olaylardan etkilenmemesi için
sistemin
esnekliğinin
azaltılması
mukavemetinin arttırılması gerekmektedir.
ve
[5] www.wikipedia.org/wiki/Parabolic_reflector
(Erişim: 04.04.2012 )
İNSANSI ROBOT YÜZ
Engin KARADAĞ, karadag.engin@student. atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Çağatay SABUNCUOĞLU, [email protected] Atılım Üniversitesi,
06836, Ankara
Fuad ALİEW, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
ÖZET
ABSTRACT
Gün geçtikçe robotlar toplumda önemli rol
Day by day, robots play an important role in
üstlenmektedirler. Bu robotlar biz insanların
society. The robots are designed to make human’s
yaptıkları işleri daha kolay ve konforlu hale
jobs easier and more comfortable. Humanoid face
getirmek için tasarlanmaktadır. İnsansı robot yüz
robot is a kind of robot which are used for
de eğitim, eğlence veya bilgi verme alanlarında
education,
kullanılan bir robot türüdür. Bu amaca yönelik
Toward this goal, the humanoid face robot design
olarak,
Atılım
is done within the Atılım University, Department
Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü
of Mechatronics Engineering. The humanoid face
bünyesinde yapılmaktadır. Bu çalışmada insansı
robot supports sense of features that are speech,
robot yüz, konuşma, burun (koku algılama) işitme
nose (smell detection), hearing and vision. The
ve görme duygusu özellikleri destekler. Konuşma
speech system carries out jaw movement with
sistemi aynı zamanda sese uygun çene hareketini
respect
gerçekleştirmektedir.
robot
automatically run on the robot. This article
üzerinde otomatik olarak çalışır. Bu makale giriş,
involves introduction, literature survey, design of
kaynak taraması, insansı robot yüz tasarımı ve
the humanoid face robot and conclusion parts.
insansı
robot
yüz
Bu
tasarımı
özellikler,
sonuç bölümlerinden oluşmaktadır.
ANAHTAR KELİMELER:
İnsansı robot yüzü, Konuşma, Burun (koku
algılama), Duyma, Görme
entertainment
to
sound.
and
These
informational.
features
will
KEYWORDS
Humanoid robot face, Speech, Nose (Smelling
detection), Hearing, Sighting
Kaynak
1. GİRİŞ
Bu projenin amacı insansı yüz ifadeleri ile birlikte
eğitim, eğlence veya bilgi veren robot yüz
tasarımı
ve
üretimidir.
Bu
robotun
genel
özelliklerinden biri konuşarak bilgi aktarımı
sağlamaktır. Konuşma özelliğini yaparken, yüz
taraması
bölümünde
daha
detaylı
anlatılmıştır. Kaynak taramasından sonra robotun
tasarımına geçilmiştir. Robotun tasarımı mekanik
ve elektronik bölümlerden oluşmaktadır. İnsansı
robot yüz tasarımı bölümünde detaylı olarak
anlatılmıştır.
çene ve göz hareketleri ile birlikte insansı
ifadeleri iletmektedir. Diğer insansı özelliği ise
duyma özelliğidir. İnsansı robot yüz çevresindeki
sesleri algılamak ve bu sesleri işleyerek gereken
tepkileri verme özelliğine sahiptir. Diğer bir
önemli insansı duyu olan koku alma özelliği de
robot da sağlanmaktadır. Robot çeşitli kokuları
algılayabilmekte
ve
bu
kokuları
sınıflandırabilmektedir. Örneğin, zararlı gazlarla
zararsız kokuları ayırt edebilir. Bu özellik
güvenlik için de kullanılabilir. Ayrıca robot
görme
özelliğine
sayesinde
de
sahiptir.
çevresindeki
Bu
görsel
özelliği
objeleri
tanıyabilmektedir. Yüz tanıma sistemi ile birlikte
güvenlik
açısından
da
önemli
bir
rol
oynamaktadır. Genel olarak insansı robot yüz
gözleri, burnu ve kulakları yardımı ile çevresini
algılayabilmekte ve insansı çene hareketleri ve
ses yardımı ile bunlara tepki verebilmektedir.
Projenin bu seneki amacı koku duyusunu ve çene
hareketine
bağlı
konuşma
özelliğini
yapabilmektir. Bu proje ile ilgili birçok araştırma
yapılmaktadır. Bu araştırmalar ile ilgili geniş
kapsamlı kaynak taraması yapılmıştır ve bizim
projemize uygun yönleri seçilmiştir. Bazı projeler
detaylı olarak incelenip eksikleri giderilmiştir.
2. KAYNAK TARAMASI
Projenin ilk adımı kaynak taramasıdır. Bizim
projemizin gereksinimleri doğrultusunda geniş
kapsamlı kaynak taraması yapılmıştır. Kaynak
araştırmasındaki ana konularımız konuşmaya
bağlı olarak yapılan çene hareketi, ses tanıma,
koku algılama ve obje ve yüz tanımadır. Bu
konulara ulaşmak için bazı anahtar kelimeler
kullanılmıştır. Bunlar insansı robot yüz, konuşma,
koklama, duyma ve görmedir. Bu konular
hakkında
daha
incelenmiştir.
önce
Bu
yapılan
projelere
projeler
bağlı
olarak
taksonomi matris yöntemi kullanılarak bize en
yararlı bilgilere ulaşılmıştır. Kaynak taraması
sırasında en çok göze çarpan uygulamalar,
KISMET [1], MDS [2] ve Scarry-Terry [3]
uygulamalarıdır.
Kısmet
robot
için
çene
hareketinde EAP yapay kas sistemi kullanılmış.
MIT tarafından gerçekleştirilen MDS robotta ise
servo
motorlar
çene
hareketini
gerçekleştirmektedir. Scarry-Terry robotta ise
servo motor ve buna ek olarak ses-servo devresi
kullanılmıştır. Tüm bu araştırmalara göre en
avantajlı sistem eksikleri giderilerek seçilmiştir.
Bizim
projemizdeki
üstünlük
sadece
çene
kontrolü değil bunun dışında duyma, işitme ve
görme özelliklerini de sistemde barındırmaktadır.
3. İNSANSI ROBOT YÜZÜN TASARIMI
Bu bölümde insansı robot yüzün genel tasarımına
yer verilmektedir. Bu tasarımdan önce gerekli
kaynak araştırması yapıldı ve bu kaynaklardan
elde edilen bilgilere göre tasarım yapıldı. Sistem
iki bölümden oluşmaktadır. Bunlar mekanik
tasarım ve elektronik tasarımdır. Robotun çene
hareket sistem mekanik bölümde incelenmiştir.
Şekil 1. İnsansı Robot Yüz
Konuşma ve koku alma sistemi elektronik
bölümde incelenmiştir.
Çenenin hareketli olabilmesi için maskeden çene
bölümü kesilerek alınmıştır ve daha önce
3.1 Mekanik Tasarım
bahsettiğimiz gibi servo motora bağlanmıştır
İnsansı robot yüzün çene hareket sistemi bu
(Şekil 2). Servo ile çene arasındaki bağlantıyı
bölümde
hareket
kurabilmek için alüminyum bar tasarlanmıştır. Bu
mekanizması dönme hareketini sağlayan servo
bar alüminyum plakadan kesilerek ve belirli
motor ve bu hareketi yüzden ayrı olan çene
yerlerine servo bağlantısı yapılabilmesi için vida
parçası
ile
delikleri delinerek üretilmiştir. Delikler açıldıktan
sağlanmıştır. Servolara sese uygun hareketi
sonra çene ile bağlanacak ucu 90 derecelik açı ile
sağlaması için Arduino işlemcisi kullanılmıştır.
bükülmüştür.
Bu devre elektronik tasarım bölümünde detaylı
üretilmiş kasa bulunmaktadır. Servo motor ve
olarak anlatılacaktır.
kafa bu kasaya bağlanmıştır. Tüm sistem bu
Yüzün genel yapısında hazır oyuncak maskeler
kasaya
kullanılmıştır. Şekil 1’de robot yüzün genel
seçilmesinin nedeni kolay bükülebilir ve kolay
görünümü verilmiştir.
işlene bilir bir madde olmasıdır.
incelenmiştir.
ile
bağlayan
Çene
bağlantı
aparatı
Sistemde
bağlıdır.
gene
Sistemde
alüminyumdan
alüminyum
Yüz mekanizmasında kullanılan parçalar Tablo
1’de gösterilmiştir.
Tablo 1. Yüz Mekanizması Parçaları
Parça
Şekil 2. Servo-Çene Mekanizması
Ayrıca sistemde kafanın sağa ve sola dönebilmesi
Adet
Oyuncak Maske
1
Çene
1
Servo
2
Alüminyum bar
1
Alüminyum kasa
1
için ikinci bir servo kullanılmıştır. Bu servo ile alt
şase ve kafa arasında bağlantı kurularak dönmesi
sağlanmıştır. Şekil 3’de bu bağlantı gösterilmiştir.
3.2 Elektronik Tasarım
İnsansı robot yüzün elektronik tasarımı bu
bölümde incelenmiştir. Elektronik tasarım iki
bölümde
incelenmiştir.
İlk
olarak
çene
mekanizmasının sese uygun hareket etmesini
sağlayan Arduino işlemcisi ve buna bağlı sistemi
inceleyeceğiz. Arduino ve içindeki yazılım
sayesinde ses sinyallerini servoya açısal veri
olarak çevirmektedir. Bu yazılım ile birlikte
Arduino ses kaynağından gelen sinyalleri analiz
eder ve servoya açısal değer olarak aktarır. Ses
kaynağı ve Arduino arasındaki bağlantı Şekil
4’de gösterilmiştir. Şekilde de görüldüğü gibi ses
sinyallerimiz Arduino’nun analog girişleri olan
A0, A1, A2, A3,A4, A5 bacaklarından A0’a
Şekil 3. Alt Servo Sistemi
bağlanmıştır. Servo Digital (PWM) bacaklarından
9. Bacağa bağlanarak PWM sinyali alınmıştır.
İstenilen açı değerlerini servoya aktarabilmek için
olarak C/C++ kullanılmaktadır. Programın genel
bu PWM girişleri kullanılmalıdır.
görünüşü Şekil 5’de gösterilmiştir.
Şekil 4. Arduino Ses Devresi
Ses sinyalleri bilgisayar üzerinden alınmaktadır.
Şekil 5. Arduino AraYüz Programı
TTS5 konuşma programı ile yazılan metni okuma
sağlanmıştır. Çıkan ses sinyalleri iki kanala
ayrılarak biri ses-servo devresine diğeri ise
İkinci
hoparlöre aktarılmıştır.
inceleyeceğiz. Bu sistemde çeşitli gaz sensörleri
Gelen ses sinyallerini servo için anlamlı bir açısal
değere çevirmesi için, gelen sinyaller belirli bir
çarpan
ile
çarpılarak
yükseltilmiştir.
olarak
koku
tanıma
MQ4 (Şekil 6), MQ7 (Şekil 7) ve işlemci olarak
yine ARDUINO UNO (Şekil 8) kullanılmıştır.
Fakat
Arduino analog değerleri 0 ile 1023 arasında
okumaktadır. Ses sinyalinden aldığımız analog
değer
map
fonksiyonu
ile
sınırlandırılarak
Servo’nun dönüş aralığına indirgenir. Okunan bu
değerleri 0 ile 50 derece arasındaki bir açışal
değere çevirir. Arduino işlemcimize yazılım
atmak için kod editörü ve derleyici olarak görev
yapan Arduino IDE kullanılmıştır. Yazılım dili
sistemini
Şekil 6. MQ4
sensörüdür. Havadaki Karbon monoksit (CO)
gazi algılamak için kullanılan kullanımı kolay bir
sensördür. MQ-7 20 ila 2000ppm aralığında her
yerde CO konsantrasyonunu ayırmaktadır. Bu
sensörlerin Arduino ile bağlantısı için devre
kullanılmıştır.
Bu
devre
sensörün
ölçtüğü
değerleri analog değerlere çevirmektedir. Sensör
devre
üzerinde
bulunan
Out
bacağından
Arduino’nun analog girişine bağlanmıştır. Bu
sayede Arduino sensörden gelen analog değerleri
okuyabilmektedir ve okuduğu bu değerler ile
ortamda gaz olup olmadığını test edebilmektedir.
Bu devre Şekil 9’da gösterilmiştir.
Şekil 7. MQ7
Şekil 9. Gaz Sensör Devresi
Bu sistemde MQ4 ve MQ7 sensörleri aynı anda
kullanılmıştır.
Şekil 8. Arduino Uno
Sistem
bu
sensörlerin
kombinasyonları ile çalışmaktadır. Belirli gaz
seviyelerinin
üzerine
çıkıldığı
zaman
sensörlerimizden analog alınan veriler Arduino
MQ4 metan gazı sensörüdür. Bu basit birsıkıştırılmış doğalgaz(CNG) sensörü, doğal gaz
algılama için uygun (çoğunlukla Metan [CH4])
havadaki konsantrasyonları algılar. MQ-4 200 ila
10000ppm için doğal gaz konsantrasyonları
algılayabilir. MQ7 ise karbon monoksit gaz
üzerinden yazılım yardımı ile işlenerek konuşma
sistemine aktarılmaktadır. Buda bize ortamdaki
gazın
cinsi
vermektedir.
ve
seviyesi
hakkında
bilgi
İnsansı robot yüzün elektronik parçaları Tablo
daha gerçekçi şekilde, ağız, göz, ifadeleriyle
2’de gösterilmiştir.
destekleyerek yapmaktır. Koku alma sisteminde
de şu an için sadece zararlı gazları ayırt
etmektedir.
Tablo 2. Elektronik Parça Listesi
Parça
Gelecek
çalışma
olarak
bütün
kokuları tanıyabilmelidir. Örneğin parfüm yada
farklı kokuları sınıflandırmalıdır. Projeye ek
Adet
olarak
görme
ve
ses
algılama
sistemleri
SERVO
1
ARDUINO UNO
1
objeleri ayırt edecektir. Ses algılamada ise
LI-PO 7,4 V
1
insanların
MQ4 GAZ SENSÖR
1
MQ7 GAZ SENSÖR
1
USB KABLO
1
SES KABLOSU
1
PC
1
ulaşmıştır ve gelecek çalışmalar için önemli bir
HOPERLÖR
1
adımdır.
KULAKLIK JAKI
1
DİRENÇ
1
KONDANSATÖR
1
eklenecektir. Görme sisteminde insanları ve
söyledikleri
bir
yüzün
İnsansı Robot Yüz projesi bu seneki hedefine
TEŞEKKÜR
Proje bu seneki hedefine ulaşmıştır. Robot bir
insan gibi konuşması ile birlikte çene hareketini
senkronize bir biçimde sağlamaktadır. Koku alma
otonom
şeyi
Projeleri I-II dersleri kapsamında yürütülen
4. SONUÇLAR VE GELECEK HEDEFLER
sistemle
her
Sonuç olarak, MECE 407-408 Lisans Araştırma
şekilde
çalışabilmektedir. İnsansı robot yüz projenin
gelecek çalışması gerçek bir insan yüzüne en
yakın sistemi yapmaktır. Örneğin yüz ifadelerini,
dersleri
I-II
bu
yapabileceği
yapabilmelidir.
Projeleri
de
cevap
verebilmelidir. Sonuç olarak insansı robot yüz
gerçek
özelliği
komutlara
ve
Atılım
kapsamında
Üniversitesi
Derslerin
yürütülmesine
ve
proje
bölüm asistanlarımız Cahit Gürel ve Emre
Güner’e teşekkür ederiz.
KAYNAKÇA
[1] Cynthia Breazeal ve Brian Scassellati.,
(2002),
“A
context-dependent
attention
system for a social robot”,
https://svn.jde.gsyc.es/robotvision/trunk/pape
rs/breazeal-context_dependent_attentionijcai99.pdf
[2] Cynthia Breazeal, Michael Siegel, Matt
Berlin,
Jesse
Dexterous,
Gray.,
Social
(2008),
Robots
for
“Mobile,
Mobile
Manipulation and Human-Robot Interaction”,
http://www.mattosbond.com/ftp/backup/work
/resources/other/(%20Disc%201%20)%20Pa
pers%20And%20Classes/content/newtechde
mos/2482-abstract.pdf
[3] Vern Graner, (2008), “The Talking Skull
Kit”,
http://www.notepad.org/articles/SkullKitSept-2008-N&V.pdf
MANİPÜLATÖRLER İLE DONATILMIŞ DÖRT ROTORLU UÇAN
ROBOT
Hakkı Burak BOZKIR, bozkir.hburak@ student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Alper ERTÜRK, erturk.alper@ student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Kutluk Bilge ARIKAN, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
ÖZET
ABSTRACT
Bu makalede, döner kanatları ile dikey olarak
In this article, a VTOL (vertical take-off and
landing) type UAV (unmanned air vehicle) novel
flying robotic platform, having an attitude
dört rotorlu uçan robotun yapısal tasarımı,
stabilization and orientation has been presented.
matematiksel olarak modellenmesi ve yönelim
The structural design process of novel quad-rotor,
denetimcisi
Ayrıca,
mathematical model and also designing of a
robot
controller processes are given. Furthermore,
manipülatör
studying on the integration of two robot
alternatiflerinin (Delta Robot ve 2 serbestlik
manipulator alternatives to the system which are
derecesine sahip robot kol) sisteme entegrasyonu
Delta Robot and 2 DOF robot arm, has been
çalışmaları sunulmaktadır. Uçan robotun dinamik
presented. Dynamical model of the system is
modeli Newton-Euler denklemleri ile elde edilmiş
obtained by using Newton-Euler formulations.
olup,
The
tasarımı
sunulmaktadır.
alışılagelmişin
dışında
çerçevesinde,
iki
bir
uçan
farklı
sistemin
yönelim
Matlab/Simulink
ortamında
denetimi
için
system
is
developed
in
ve
Matlab/Simulink and real time implementation is
Simulink Real Time Windows Target kullanılarak
achieved by using Simulink Real Time Windows
gerçek zamanlı uygulaması yapılmıştır. Sistemin
Target utility. Lineer Quadratic Regulator is
Karesel
designed for the stabilization of the attitude
yönelim
denetimi
için
geliştirilmiş
control
Doğrusal
Düzenleyici (LQR) tasarlanmıştır.
dynamics.
ANAHTAR KELİMELER:
KEYWORDS
Sıra dışı uçan robotlar, Dikey iniş kalkış, Robot
Novel Flying platforms, VTOL, 2 DOF Robot
kol, Delta Robot, Gerçek zamanlı denetim, LQR.
Arm, Delta Robot, Real Time Control, LQR.
araştırılması,
1. GİRİŞ
Teknolojinin ilerlemesiyle birlikte ortaya çıkan
gelişmiş insansız hava araçlarının günümüzde
sağladığı faydalar gittikçe önem kazanmaktadır.
Bu araçların kullanıldığı birçok uygulama alanı
bulunmaktadır.
Bunların
kullanıldığı
başlıca
yerler; askeri uygulamalar (gözlem, keşif, sınır
güvenliği vb), arama kurtarma operasyonları
(yangın,
deprem,
sel
vb),
trafik
kontrolü,
kaçakçılığı izleme, zirai alanlar vb. Tüm bu farklı
alanların ihtiyaçlarına cevap verebilecek bu
sistemlerde,
ilgili
alanların
gereksinimlerine
uygun benzersiz tasarım özellikleri aranmaktadır.
İnsansız hava araçları alanında, uzun menzilli
uçaklar ve havada asılı kalan helikopterler
yapılan araştırmalarda yer alan platformların
başında gelmektedir. Bu platformlar, kendi
aralarında sahip oldukları kanat tipi, rotor sayısı
ve fiziksel görünüşlerine göre adlandırılmaktadır.
Günümüzde dört rotorlu dikey iniş ve kalkış
kabiliyetine sahip uçan platformlar standart hale
gelmişlerdir. Fakat bu platformlara ek olarak
başka bir sistem ile bütünleştirilmesi alışıla
gelmişin
dışında
bir
platform
olmasını
sağlamaktadır [1]. Bu konu birçok araştırmacı
tarafından ilgi çeken sıra dışı uçan sistemler
olmuştur. Farklı amaçlar için kullanılan bu
sistemlerin aynı robot üzerinde birleştirilmesi,
optimal
çözümlere
ulaşmak
adına
önem
taşımaktadır. Bu bağlamda Atılım Üniversitesi,
Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Uçan Robotlar
Laboratuvarında (URL), sıra dışı uçan robotların
yapısal
tasarımı,
geliştirilmesi,
imalatı, dinamik modellenmesi ve kontrolü
konularındaki
çalışmalar
sürdürülmektedir.
Araştırma ekseninde, literatürde var olan pek çok
sıra dışı benzer sistemler incelenmiştir [2, 3].
Alışılagelmiş robot çalışmalarının ana ekseninde
öncelikle dört rotorlu dikey iniş ve kalkış
kabiliyetine
sahip
uçan
platformun
yapısal
tasarımı yapılmıştır. Bununla eş zamanlı olarak
sistemle
bütünleştirilecek
manipülatör
çalışmaları
da
olan
robotik
yapılmıştır.
Bu
kısımda 2 farklı alternatif olan Delta robot ve 2
serbestlik derecesine sahip robot kol tasarımı
ileri-geri
kinematik
denklemler
kullanılarak
yapılmıştır. Sistemlerin entegrasyonundan önce
uçan platformun dinamik modellenmesi yapılıp
yönelim
denetleyicisi
tasarlanmıştır.
çalışmada
LQR
denetleyici
tabanlı
Bu
sisteme
uygulanmıştır. Sistemin yönelim denetimi için,
gerçek zamanlı uygulama testleri yapılmış,
gözlenmiş ve geliştirilmiştir.
Bu makale şu şekilde düzenlenmiştir: II. bölümde
dört rotorlu uçan sistemin yapısal tasarımı kısaca
anlatılmış. III. bölümde robotik manipülatörlerin
tasarımı kısaca anlatılmıştır. IV. Bölümde dört
rotorlu uçan sistemin dinamik modeli NewtonEuler yöntemiyle elde edilmiştir. V. Bölümde
LQR tabanlı durum değişkeni geri beslemeli
denetleyici tasarımı ve denetleyicinin performansı
benzetim ortamında ölçülmektedir. VI. Bölümde
ise sonuç ve gelecek çalışmalar yer almaktadır.
sabitlenmiş ve çözüm sonuçları birbirlerine
2. YAPISAL TASARIM
Sistem tasarımına başlarken, Uçan Robotlar
Laboratuarında mevcut olan Himax 2025-4200
yaklaşana kadar ağ boyutları küçültülüp benzetim
tekrarlanmış olup gösterilmiştir (Şekil 1).
6.6:1 dişli oranına sahip fırçasız motorlar, E-Max
30 elektronik hız kontrol üniteleri ve 12x4.5
Draganfly pervaneleri temel alınmıştır. İlk olarak
Drive Calculator istatiksel benzetim programı
kullanılarak
üretilebilecek
var
olan
motor
maksimum
üniteleri
itme
için
kuvvetleri
hesaplanmıştır. Alınan toplam kuvvetin %60’ı
sistemin ağırlığı ve yük kapasitesi için ayrılmıştır.
Şekil 1. Solidworks® Frekans Analiz Sonucu
Geriye kalan %40’lık kısım sistemin yönelim
denetimi ve stabilizasyonu için kullanılmıştır.
Buna göre sistemin toplam ağırlığı ortalama
olarak 2kg civarında olması beklenmiştir.
Sistem, havada asılı olduğu durumdaki motorların
dönüş hızları 193.73rad/s ile 644rad/s arasında
olduğu hesaplanmıştır. Tablo 1 de, Solidworks®
Tasarım aşamasında bazı kısıtlamalar dikkate
alınmıştır [4]. Ağırlık kısıtlamaları, uzunluk
kısıtlamaları(Maksimum çap=1m, rotorlar arası
uzaklık=60cm), malzeme seçimi, titreşim azaltıcı
programında
yapılan
analizin
sonuçları
verilmiştir. Buradaki maksimum görülen frekans,
motorların dönüş frekansından yeterli ölçüde
uzak olduğu görülmektedir.
çalışmalar ve sistemin yapısal güvenilirliği
bunlardan bazılarıdır. Bu sınırlamalar göz önünde
Tablo 1. Frekans Analiz Sonuçları
bulundurularak, sistem tasarımı yapılan analizler
sonucunda iyileştirilmiştir.
2.1
Titreşim Analizi
Titreşim analizlerinde, sistemin sahip olduğu
rezonans frekans aralığının, uçan sistemin havada
asılı kalması sırasında motorlardan gelen titreşim
aralığından
olabildiğince
uzağında
olması
Mod
Rezonans
Rezonans
Numarası
frekansı(rad/sec)
frekansı(Hz)
1
922.49
146.82
2
1403.41
223.36
3
1416.41
225.43
4
1437.46
228.78
5
1602.02
254.97
gerekmektedir. Bu sebeple sistem, motorların
olduğu
bölgelerden
benzetim
programında
2.2 Statik Analiz
Sistemin uçuş ve test aşamalarında, motorlar
tarafından üretilen itme kuvvetine karşı sistemin
yapısal
bütünlüğünü koruyup
korumadığının
gözlemlenmesi ve sistemin esneme miktarlarının
tespit edilmesi gerekmektedir. Bu sebepten ötürü,
Şekil 3. Sistemin 3 Boyutlu Katı Modeli ve
motor tutuculardan, motorların teorik olarak
Fiziksel Hali
üretebileceği maksimum kuvvet uygulanarak
sistemin statik analizi yapılmıştır (Şekil 2).
3. MANİPÜLATOR TASARIMLARI
Bu bölümde Delta Robot ve 2 serbestlik
derecesine
sahip
bulunmaktadır.
robot
Buradaki
kol
tasarımları
amaç,
tasarlanan
manipülatörlerin uçan sisteme bütünleştirilmesi
göz önünde bulundurularak sıra dışı bir sistem
elde etmektir. Alışılagelmişin dışında olan bu
sistemin kullanılma nedenleri şunlardır:
Şekil 2. Solidworks® Statik Analiz Sonucu
*Sistemin çalışma esnasında, ağırlık merkezinin
yerinin manipülatör yardımıyla değiştirilerek,
uçan platformun yönlendirilmesi,
Statik
analiz
simülasyonu
üzerindeki
maksimum
maksimum
kaydırım
sonucu
basınç
1.4mm
sistem
13.8MPa,
bulunmuştur.
Yapılan analizler sonucunda, sistem üzerinde
*Entegre edilen sistemin hızlı tepkiler vermesiyle
oluşan etkilerin, uçan sistemin stabilizasyonuna
yardımcı olması,
meydana gelen basınçlara ve yüzey gerilimlerine
*Sistemin kontrolcüsünü test etmek amacıyla,
dayanabilen
dışarıdan
malzeme
olarak
Aliminyum
manipülatör
sayesinde
sisteme
seçilmiştir. Tüm analizler sonucunda, sistemin
bildiğimiz bir rahatsızlık vermek,
yapısal
*Sistemin eğilip yerdeki bir objeyi dürtmek, tutup
tasarımı
iyileştirilmiş
olup
üretime
başlanmıştır. Şekil 3 de sistemin 3 boyutlu katı
çekmek
model ve fiziksel model gösterilmiştir.
kullanmak.
ve
taşımak
için
bir
manipülatör
3.1 Delta Robot
Delta Robot 3 eksende hareket kabiliyeti olan
30
paralel manipülatördür. Bu sistemin en önemli
avantajı çok hızlı çalışması ve tepki vermesidir.
Bu
yüzden
manipülatör
uçan
sistemimize
olduğundan
uygun
,
(1)
√
,
√
0,
√
,
(2)
bir
modellenip
3
tasarlanmıştır. Delta Robotun ters kinematik
modeli Şekil 4 baz alınarak çıkarılmıştır.
0,
√
,0
(4)
√
(5)
√
J 0, yJ , zJ
tan
Şekil 4. Delta Robotun Eklem Yerleri [5]
Şekil 6 da,
(6)
1
bulunduktan sonra, sistemi XY
düzleminde Z eksenine dik olarak 120 derece saat
Ters kinematikte, verilen x,y,z koordinatlarına
yönünün tersinden döndürülmesiyle
göre motorların gideceği açılar hesaplanmıştır.
hesaplanmıştır.
2
ve
Şekil 5 de geometrik ilişkiler kullanılmıştır.
Şekil 5. Delta Robotun Geometrik Pozisyonu [5]
Şekil 6. Deltanın XY Düzlemindeki Hareketi [5]
3
Kinematik denklemler sonucunda katı modelleme
programı kullanılarak Delta robotun simülasyonu
yapılmıştır. Sistem üretilip, servo motorlarla
cos Ѳ
cos Ѳ
Ѳ (7) sin Ѳ
sin Ѳ
Ѳ (8) sürülerek laboratuarımızda test edilip doğruluğu
Şekil 10 da, tasarlanan 2 serbestlik derecesine
görülmüştür. Şekil 7 de, robotun katı modeli ve
sahip robot gösterilmiştir.
fiziksel hali, Şekil 8 de, uçan sisteme entegre
edilmiş hali gösterilmiştir.
Şekil 10. Robot Kolun Fiziksel Hali
Şekil 7. Delta Robotun Katı modeli ve gerçek hali
4. DİNAMİK MODELLEME
Sistem modellenmesinde gerekli basitleştirmeleri
yapabilmek için bazı varsayımlara gidilmesi
öngörülmüştür. Bunlar;
*Sistemin fiziksel karakteristiğinin katı kabul
edilmesi,
Şekil 8. Delta Robotun Uçan Sisteme Entegresi
*Sistemin tamamen simetrik olması sonucu
eylemsizlik matrisinin köşegen kabul edilmesi,
3.2 Robot Kol
*Döner kanatların ürettiği kuvvetlerin, kanatların
dönüş hızlarının karesiyle doğru orantılı kabul
Şekil 9 da, 2 serbestlik derecesine sahip robot
edilmesi sonucu yapılan yaklaşımın aerodinamik
kolun ileri kinematik denklemleri çıkarılmıştır.
davranışa yakın olması,
*Havada asılı kalma durumu
Şekil 11 deki serbest cisim diagramında, sistemin
genel durumu görülebilir, “b” gövde için “e” ise
yerin
referans
kullanılmıştır [6].
Şekil 9. Robot Kolun XY Eksenindeki Durumu
eksenlerini
belirtmek
için
Şekil 11. Genel Durum
Şekil 12. İtme Kuvveti ile Çalışma Rejimi İlişkisi
Sistemin yönelim dinamiği için kullanılacak
F1=(36.04*rejim1-1104 /1000)*9.81
(17)
genel durum vektörü;
F2=(35.48*rejim2-1055 /1000)*9.81
(18)
F3=(34.67*rejim3-1044 /1000)*9.81
(19)
F4=(32.44*rejim4-961.4 /1000)*9.81
(20)
Mx=(F3-F1)*L/2
(21)
My=(F4-F2)*L/2
(22)
Mz=(M2+M4)-(M1+M3)
(23)
(9)
Bunların
zamana
göre
değişimlerini
veren
denklemler;
(10)
(11)
1
0
0
.
cos
.
.
L=0.3m
4.1 Denklemlerin Doğrusallaştırılması
Dinamik denklemler sistemin havada asılı kalma
(12)
.
durumu baz alınarak, jacobianlar kullanılarak
doğrusallaştırılma yöntemi izlenmiştir [6].
(13)
(14)
(15)
I=
0.05146
0
0
0
0.05146
0
0
0
0.09420
itki testinden elde edilen motor modelleri ile
(24)
Verilen n genel durum denklemi, y= f(x), ve n
genel durum değişkeni x1,…,xn, kullanılarak
Jacobian
(16)
Sistem üzerinde oluşan kuvvetler ve momentler
bulunmuştur (Şekil 12).
000000
matrisi
aşağıda
gösterildiği
gibi
hesaplanır;
1
1
1
2
2
2
1
2
…
…
(25)
Girdi
matrisi,
B,
dört
motorun
çalışma
rejimlerinden oluşan girdi vektörü , u, ve jacobian
= Ax + Bu
(28)
y= Cx +Du
(29)
x(0)=x0
(30)
metodu kullanılarak doğrusallaştırıldı.
(26)
x=Sistemin durum değişkeni,
u=Sisteme uygulanan girdi(Çalışma rejimi(%)),
GX-2 ataletsel ölçüm algılayıcısı kullanılarak
sistemin üç eksenindeki açılar ve açılar hızları
ölçülebilmekte olduğu için C matrisi 6x6 özdeşlik
A=Sistem matrisi, B=Girdi matrisi,
C=Çıktı matrisi, D=Doğrudan geçiş matrisi.
matrisi haline gelir. Düz geçiş matrisi D ise,
LQR
sistemin girdi ve çıktıları arasında doğrudan bir
arttırmak ve ideal bir kontrol sağlamak için
bağlantı olmadığı için sıfır alınır. Böylece çıkış
minimizasyon fonksiyonu hesaplar.
matrisi
kontrolcüsü
sistemin
performansını
J=
(31)
Bu optimizasyon problemini çözerek K kazancını
(27)
hesaplar. Bu problemi çözerken iki kriter arasında
denge sağlamaya çalışır. Bunlar, regülasyonun
hızının
ve
kontrolcü
girişinin
(dolayısıyla
harcanan enerjinin) önemini belirleyen Q ve R
kriterleridir,
5. DENETLEYİCİ TASARIMI
Dört rotorlu uçan sistemlerin kontrolü için
kontrolcüyü
Q
Sistemin kontrolü için değişken geri beslemeli
değişkenlerinin
Doğrusal
matriste
Düzenleyici
tasarımı
kişi
tarafından ayarlanır.
literatürde bir çok alternatif vardır [6, 7, 8].
Karesel
tasarlayan
matrisi
sistemin
sahip
olduğu
karakteristiğini
durum
durum
belirler.
değişkenlerinin
Bu
önceliği
yapılmıştır. Bu kontrolcünün kullanılma nedeni,
belirlenir. Eğer Q matrisi değerleri artarsa sistem
sisteme uygulanması kolay ve ideal sonuçlar
daha çabuk tepki verir.
verebilmesidir. Ayrıca birden fazla girişi ve çıkışı
R
olan sistemlerde dirençli bir düzenleyicidir.
performans matrisidir. Eğer bu değerler artarsa
Sistem zamanla değişmeyen bir sistem olarak göz
kontrolcü sinyalinin önemi azalır, böylece sistem
önüne alındığında, durum değişkeni şu şekilde
daha az enerji harcar fakat kontrol hızı düşmüş
olur;
olur.
matrisi
sistemin
kontrolcü
girdilerinin
Şekil 13 de, Matlab/Simulink ortamında gerçek
zamanlı denetleyici tasarımı verilmiştir.
Şekil 15. Yuvarlanma Açısının Kontrolü
Şekil 13. Gerçek Zamanlı Denetleyici Tasarımı
Şekil 16. Yunuslama Açışının Kontrolü
Sistemin denetleyici kontrolü altında genel
çalışma prensibi Şekil 14 deki gibidir.
6. SONUÇ VE GELECEK ÇALIŞMALAR
Bu bildiride dört rotorlu insansız hava aracının
tasarımı, dinamik modellenmesi, kontrolü ve
manipülatör tasarımı ile ilgili yapılan çalışmalar
anlatılmıştır. Sistemin dinamik modeli NewtonEuler yöntemiyle elde edilmiş olup denetleyici
tasarımı
yapılıp,
Matlab/Simulink
Şekil 14. Sistemin Genel Çalışma Prensibi
benzetim
yazılımında
test
çalışmaları
edilmiştir.
Gerçek Zamanlı Windows Hedefi kullanılarak,
LQR tabanlı denetleyicinin sistemin pozisyon
referanslarını başarılı bir şekilde yakaladığı test
o
Sistem yuvarlanma açısında -5 , yunuslama
o
edilmiştir. Tasarlanan ve üretilen manipülatörler
açısında +5 başlangıç koşuluna sahip olduğu
sistem üzerine entegre edilmeden önce tek
andaki kontrolcü simülasyon çıktıları Şekil 15 ve
başlarına
Şekil 16 da gösterilmiştir.
çalışmalarda
başarıyla
üretilen
sürülmüştür.
Delta
Gelecek
Robotun
uçan
sistemle bütünleşmesi hedeflenmiş olup, sıra dışı
[3] W.Beyer, E., (2009), “ Design, Testing, and
hale gelen yeni sistemin dinamik modellenmesi
Performance of a Hybrid Micro Vehicle-
ve
The Hopping Rotochute”
denetleyici
tasarımı
yapılacak
ve
gözlenecektir. Ayrıca uçan sisteme bir CMUcam2
http://smartech.gatech.edu/jspui/bitstream/18
kamerası takılıp yerde seyir halinde olan bir kara
53/29661/1/beyer_eric_w_200908_phd.pdf
aracını takip etmesi hedeflenmiştir.
(Erişim: 13.12.2011)
[4] Pounds,P., (2011), “5.Case Study: Large
TEŞEKKÜRLER
Quadrotor MAV Design”
Bu araştıma, MECE 407-408 Lisans Araştırma
http://www.eng.yale.edu/pep5/nasa_ct_space
Projeleri
kapsamında
_grant_workshop/5_Special_topic__Large_q
Üniversitesi
uadrotor_MAV_design.pdf
I-II
dersleri
ve
Atılım
Derslerin
yürütülmesine
ve
proje
(Erişim: 17.11.2011)
[5] Zavatsky,
M.,
(2009)
“Delta
Robot
çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı Yrd.
Kinematics”,
Doç. Dr. Zuhal Erden’e, Ahmed Aksal’a, Anıl
http://forums.trossenrobotics.com/tutorials/int
Güçlü’ye, Mehmet Çakmak'a, Mehmet Aday’a
roduction-129/delta-robot-kinematics-3276/
ve Meral Aday’a teşekkür ederiz.
(Erişim: 16.12.2011)
[6] Kıvrak,
Ö.,
A.,
(2006),
ControlSystems for
“
Design
of
a Quadrotor Flight
KAYNAKÇA
Vehilce Equipped with inertial sensors”, Y.
[1] Mellinger, D., Shomin, M. ve Kumar,V.,
Lisans Tezi, Atılım Üniversitesi, Mekatronik
(2010), “Control of Quadrotors for Robust
Perching
and
Landing”,
International
Mühendisliği Bölümü (Erişim: 23.02.2010)
[7] Domingues, J. M. B., (2009),"Quadrotor
Powered Lift Conference, October 5-7, 2010,
Prototype",
Philadelphia, PA (Erişim: 12.11.2011)
https://dspace.ist.utl.pt/bitstream/2295/5740
[2] Keemink,
A.,
(2011),
“Conceptual
Investigations on a Manipulator System
for Inspection UAVs”
https://www.ce.utwente.nl/aigaion/publicatio
ns/show/2008 (Erişim: 13.11.2011)
42/1/Tese_de_Mestrado.pdf
(Erişim: 25.11.2011)
[8] Bouabdallah,
S.,
(2010),
"Design
And
Control Of Quadrotors With Application To
Autonomous Flying",
http://biblion.epfl.ch/EPFL/theses/2007/37 2
/EPFL_TH3727.pdf (Erişim: 10.11.2011)
MEKATRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ LABORATUVARLARI
İÇİN BEKÇİ/REHBER ROBOT TASARIMI
Gizem ÇELİK, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Emre ERDEM, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Kutay KÖK, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Derya OSKAY, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Cenk SEVİMLİ, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Zühal ERDEN, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
ÖZET
ABSTRACT
Gelişen teknoloji birçok gereksinimi beraberinde
Developments in technology bring many needs.
getirmektedir.
As a result of this, there are remarkable increases
günlük
Bunların
in humanoid robot research for helping people in
hayatlarını kolaylaştırmak amacıyla geliştirilen
daily life applications and making life easier for
insansı robot çalışmalarında gözle görülür bir
them. In this research which performed in Atılım
görülmektedir.
yardımcı
insanlara
ve
artış
hayatlarında
sonucunda
Atılım
olmak
Üniversitesi
University
Mechatronics
Engineering
Mekatronik Mühendisliği Bölümünde yürütülen
Department, there is a robot design which is
bu çalışmada,
laboratuvarlarda gündüz rehber,
guide in day time and security in night time at the
gece ise güvenlik görevi üstlenebilecek bir robot
Mechatronics laboratories. In the 2011-2012
tasarımı yapılmaktadır. 2011-2012 Akademik
academic year, the work done in this paper
yılında yürütülen ve bu bildiride anlatılan
introduces that the mechanical and electronic
çalışmalarda laboratuvar koridorlarında sabit
design, manufacturing and testing a robot which
engellere çarpmadan dolaşabilen bir robotun
locomated without crashing static obstacles in
mekanik ve elektronik tasarımı, üretimi ve testleri
laboratory holes.
yapılmıştır.
KEYWORDS
ANAHTAR KELİMELER:
İnsansı robot, Rehber robot, Güvenlik robotu,
Robot tasarımı
Humanoid robot, Guide robot, Security robot,
Robot design
1. GİRİŞ
2. KAYNAK TARAMASI
Günlük yaşantımızın vazgeçilmez birer parçası
olmaya başlayan robotlar bankalardan müzelere,
hastanelerden evlerimize kadar birçok farklı
alanda insanlara hizmet vermektedirler. Bu
projenin genel amacı Mekatronik Mühendisliği
Bölümü
laboratuvarlarında
gündüz
insanları
karşılayıp rehberlik yapacak, gece ise herhangi
bir tehdide karşı laboratuvarları koruyacak bir
robot tasarlanması ve üretilmesidir. Projenin bu
seneki amacı ise robotun laboratuvarlarda sabit
engellere
çarpmadan
hareket
etmesini
sağlanmaktır. Bu amaç doğrultusunda birçok
çalışma yürütülmekle beraber yapılan ilk ve en
önemli çalışma geniş bir kaynak taramasıdır.
Kaynak taraması yapılacak tasarıma ve üretime
yön vermesi bakımından çok önemlidir. Bu
kapsamda yaklaşık elli adet makale okunmuş ve
bu makaleler sınıflandırma çizelgesi yardımıyla
gruplandırılmışlardır. Daha kapsamlı bilgi bir
sonraki bölümde verilmektedir. Kaynak taraması
yapıldıktan sonra tasarım aşamasına geçilmiştir.
Tasarım aşaması mekanik tasarım ve elektronik
tasarım
olarak
iki
bölümden
oluşmaktadır.
Mekanik tasarım bölümünde robotun iskeleti ve
yürüme mekanizmasıyla ilgili ayrıntılı bilgilere
yer verilmiştir. Elektronik tasarım bölümünde ise
robotun elektriksel donanımı, malzeme listesi ve
çalışma prensipleri kapsamlı olarak anlatılmıştır.
Bu çalışmada tasarıma başlanmadan önce detaylı
bir kaynak taraması yapılmıştır. Bu araştırma
kapsamında yaklaşık elli adet makale okunmuş ve
daha önce yapılan çalışmalarla ilgili detaylı bir
araştırma çalışması yürütülmüştür. Bu araştırma
çalışmalarında
öne
çıkan
başlıklar
robot
öğrenmesi, yol planlaması, insan-robot etkileşimi,
engelden kaçınma, yüz tanıma, dil algısı, zekâ,
uzaktan kontrol ve insansı robotlardır. Bu
araştırmalarla
kullanılan
yöntemler
fiziksel
modelleme, matematiksel modelleme, benzetim,
deneysel çalışmalar ve algoritma geliştirilmesidir.
Araştırmalarda ki uygulamalar arasından en çok
göze çarpanlar, kamuya açık alanlarda rehber
olarak kullanılan robotlardır [1 - 3]. Çünkü proje
kapsamında tasarlanan robot bu sınıflandırmaya
uymaktadır. Ek olarak bu kaynaklarda rehber
robotun temel özellikleri sağlanmıştır. Kaynak
araştırmalında daha çok üniversitelerin yaptığı
robotlar göz önünde bulundurulmuştur. Makaleler
incelenirken, rehber robot için gereken özellikler
değerlendirilmiştir ve faydalı görülen özelliklere
sahip olan makaleler sınıflandırma çizelgesi
yerleştirilmiştir.
Rehber
robot
gün
içinde
mekatronik laboratuvarlarına gelen misafirlere
yön
göstermek
ve
bilgi
vermek
için
tasarlanmaktadır. Robotun bu donanıma sahip
olabilmesi için bazı özellikler temel alınmıştır,
bunların başında hareket [4], engelden kaçma[5]
ve yol tanımlama[6] özellikleri yer alır. Hareket
robotun uzaktan kontrol edilmeden kendiliğinden
hareket
etmesidir.
Rehber
robotun
hareket
Son durum olarak rehber robot mekatronik
tanımlamaları işlemcisine yerleştirilen sensör
laboratuvarlarında
bilgileriyle
sağlamaktadır.
tamamen
kendi
yol
bilgisini
otonom
olarak
hareketini
oluşturmasıyla sağlanır [4]. Hareket donanımı
genel olarak engelden kaçma ve yol tanımlama
özellikleriyle desteklenmiştir [5][6]. Ek olarak
sensör
bilgileri
yol
tanımlama
özelliğini
destekler, rehber robot üzerinde kullanılmak
üzere seçilen sensör bilgileri[7] aynı zamanda yol
tanımlamak içinde kullanılmıştır. Rehber robot
üniversitenin mesai saatleri dışında da görev
yapmaktadır. Bu saatlerde güvenlik komutuna
geçer.
Güvenlik
robotun
özellikleri
rehber
robotun üzerine eklenmiştir robot gün saatlerini
işlemcisinde zamanlar ve otonom olarak durum
GÜVENLİK/REHBER
3.
ROBOTUN
TASARIMI
Bu bölümde Güvenlik/Rehber robotun tasarımı
ile ilgili bilgilere yer verilecektir. Gerekli kaynak
taramasını
gerçekleştirdikten
sonra,
eski
çalışmalar ışığında Rehber/Güvenlik robotun
tasarımı
yapılmıştır.
Rehber/Güvenlik
robot
mekatronik bir tasarım olduğu için bu çalışmayı
mekanik tasarım ve elektronik tasarım olarak
ikiye
ayırmak
mümkündür.
Aynı
zamanda
yazılımsal bilgilere de yer verilmiştir.
değiştirir. Güvenlik özellikleri[8] robotun gece
mekatronik
laboratuvarlarına
giren
yabancı
kişileri üniversitenin güvenlik birimlerine haber
etmesini sağlar aynı zamanda mesai saatleri
dışında laboratuvarda oluşabilecek yangın veya
gaz kaçağı gibi olaylarda güvenlik görevlilerine
haber
verir.
sensörlerden
Güvenlik
gelen
bilgi
robot
ultrasonik
ile
mekatronik
laboratuvarlarında yön tanımlamasını yapar, aynı
zamanda mesai saatlerine yaklaşan vakitlerde
robot kendi laboratuvarının önünde konumlanır
ve
rehber
Rehber/Güvenlik
robot
robot
komutuna
işlemcisinden
geçer.
aldığı
komutlarla her gün belirli görevleri yapar. Bu
görevler Fuzzy Logic [9] algoritması ile robota
hareket sağlar. Fuzzy logic ile genel bilgileri
kaynaklardan sağladığımız bilgilerle geliştirdik.
3.1 Mekanik Tasarım
Rehber/Güvenlik robotun mekanik tasarımını
yürüme mekanizması ve gövde olarak iki bölüme
ayırmak mümkündür.
Yürüme mekanizması
bölümünde robotun hareket etmesini sağlayan
bileşenler, çalışma prensipleri ve hesaplamalar
yer almaktadır. Gövde bölümünde ise kullanılan
malzemeler ile sebep sonuç ilişkileri ve
Yürüme Mekanizması:
Yürüme mekanizması
hareket eden mühendislik tasarımları için hayati
derecede önem taşır. Hem robotun dengeli
hareket etmesi için hem de üzerine binen gövde
kuvvetini kaldırabilmesi yürüme mekanizmasının
çok iyi tasarlanması gerekmektedir. Şekil 1 de
Güvenlik/Rehber robotun yürüme mekanizması
görülmektedir.
Fsürtünme = 29.9 N
M x g = Fsürtünme
(3)
M x 9.81 = 29.9 N
M = 3.04 kg
Bu
hesaplamaya
göre
her
bir
motorun
taşıyabileceği yük miktarı 3.04 kg’dır. Bu da
tasarım için yeterli bir miktardır. Tablo 1. yürüme
mekanizmasında
Şekil 1. Yürüme Mekanizması
kullanılan
göstermektedir.
Yürüme mekanizması tasarımı iki aşamalı olarak
Tablo 1. Yürüme Mekanizması Parçaları
gerçekleştirilebilir. İlk aşama yeterli kuvveti
kaldırabilecek torka sahip motorların seçimi ve
Parça
Adet
tekerlek seçimi ikinci aşama ise kullanılacak
kasanın
malzemesinin
ve
biçiminin
4
Vex Robotics Tekerlek
tasarlanmasıdır. Güvenlik/Rehber robotta VEX
Robotics’in
tekerlek
ve
motor
parçaları
4
setleri
kullanılmıştır. Aşağıdaki hesaplama her bir
Vex 3 kablolu Motor
motorun
Alüminyum L bar
4
Destek Panelleri
2
taşıyabileceği
yük
miktarını
kg
cinsinden vermektedir. Bu hesaplamada Fsürtünme
tekerlek ile zemin arasındaki sürtünme kuvvetini,
d tekerlek çapını, r tekerlek yarıçapını, T torku, M
bir tekerleğin üzerine düşen yük miktarını, g yer
çekimi kuvvetini temsil eder.
Fsürtünme x r =T
Yürüme mekanizması tasarımının ikinci aşaması
(1)
kasanın tasarlanmasıdır. Buna göre 4 adet
d = 4 in
alüminyum L bar birbirlerine cıvata ve somun
d= 10.2 cm
yardımıyla birleştirilmiş ve 2 adet alüminyum
r=d/2
(2)
destek paneli yardımıyla kuvvetlendirilmiştir. L
r=10.2 cm /2
barın ölçüleri 51cm x 4 cm, alüminyum destek
r= 5.1 cm
paneli 41cm x 5 cm’dir. Alüminyum parçaların
5.1cm=0.051 m
bu
T = 1.525 N.m
mekatronik
Fsürtünme =( 1.525 x 2 x 100)/(10.2)
dolaşmasını sağlamaktır. Tasarımda alüminyum
ölçülerde
tasarlanmasının
laboratuvarlarında
nedeni
ise
rahatlıkla
malzeme kullanımının sebebi kolay işlenebilirliği
Fakat
ve hafif olmasıdır. Bu parçaların çizimleri SOLID
kısıtlaması nedeniyle bu amaca ulaşılamamış
WORKS yazılımı yardımıyla yapılmıştır.
bunun yerine tasarımda tekrar bir değişikliğe
Gövde:
Güvenlik/Rehber
robot
projesi
üretimdeki
imkânsızlıklar
ve
zaman
gidilmek zorunda kalınmıştır. Yeni tasarıma göre
bünyesinde yapılan çalışmalarda yapılan ilk
yürüme
tasarımda yürüme mekanizması 2 tane tekerlek ve
alüminyum
pleksi glassdan oluşan bir kasadan oluşmaktaydı.
çubukların uzunlukları 98 cm’dir. Şekil 3 de
Gövde tasarımı ise dikdörtgen şeklinde pleksi
robotun en yeni tasarımı gösterilmektedir.
glass
malzemeden
oluşan
mekanizması
çubuk
üzerine
monte
4
adet
düz
edilmiştir.
Bu
parçalardan
oluşmaktaydı. Fakat aşırı yük sebebiyle yürüme
mekanizmasında oluşan hatalar tasarımın başarılı
bir tasarım olmadığını
göstermiştir. Bunun
sonucunda tasarımda değişikliğe gidilip yürüme
mekanizması ve gövde değiştirilmiştir. Yapılan
yeni tasarıma göre gövde 4 adet alüminyum
çubuktan oluşmaktaydı ve bu çubuklar gövdenin
iskeleti niteliği taşımaktaydı. Bu 4 çubuk üzerine
dekota
malzeme
kaplanarak
bir
gövde
oluşturulması planlanmış, bu gövde önünde
dokunmatik ekran ve üzerinde bir kafa yardımıyla
desteklenmiştir. Şekil 2 de planlanan tasarımın
resmi görülmektedir.
Şekil 3. Bekçi/Rehber Robot (Mekanik Yapı)
Son olarak çubukların dışına
pleksi
glass
malzemeden bir kaplama yapılacak ve robotun bu
sene ki son haline ulaşılacaktır.
3.2 Elektronik Tasarım
Güvenlik/Rehber robotun elektronik tasarımı
mekanik tasarımla beraber eş zamanlı olarak
yapılmıştır.
Bu
tasarıma
göre
kullanılacak
elektriksel malzemeler seçilmiş ve gerekli devre
Şekil 2.Tasarım Modeli
şeması bilgisayar destekli programlar (ARESISIS) sayesinde oluşturulmuş ve yazılımsal
veriler
kullanılarak
simülasyonu
yapılmıştır.
Ayrıca bu bölümde yazılımla ilgili bilgilere de
kullanım kolaylığı tercih sebebidir. Şekil 5’te
Pololu MD01D motor sürücü görülmektedir.
yer verilmiştir. Aşağıda elektriksel malzemeler ve
açıklamaları verilmiştir:
Arduino
Güvenlik/Rehber
Uno:
robotun
elektronik tasarımında işlemci olarak Arduino
Uno kullanılmıştır. Arduino Uno’nun tercih
edilmesinin sebepleri kolay programlanabilir
olması,
kullanım kolaylığı
ve
ARES
232
Şekil 5. Pololu MD01D
çeviriciye sahip olması ve bu sayede de bir ara
yüzle bilgisayar ortamından sensör değerlerinin
rahatça okunabilmesidir. Arduino Uno için
kullanılan yazılım C tabanlı Arduino dilidir. Şekil
4’te Arduino Uno işlemcinin şekli görülmektedir.
7809 düzenleyici: Motorların veri sayfasından
elde edilen bilgilere göre motorun maksimum
besleme voltajı 9.1 Volttur. Bu nedenle Li-po
pilin çıkış voltajı olan 11.1 voltun 9.1 volta
düşürülmesi gerekmektedir. Bu sebepten dolayı
7809 düzenleyiciye ihtiyaç duyulmuştur. Böylece
motorlardan yüksek performans elde edilmiştir.
7805
düzenleyici:
Motor
sürücülerin
veri
sayfasında giriş voltajı olarak 5 volt verilmiştir.
Şekil 4. Arduino Uno
Bu nedenle Li-Po pilin çıkış voltajı olan 11.1
voltun 5 volta indirgenmesi gerekmektedir. 7805
Pololu MD01D:
Devre tasarımında 4 adet 2
kablolu VEX motor kullanıldığı için motor
sürücülere ihtiyaç duyulmuştur. Devrede 2 tane
Pololu MD01B motor sürücü kullanılmıştır. Bu
motor
sürücülerin
bulunmaktadır
ve
her
birinde
2
çıkış
her
iki
motor
için
kullanılmıştır. Bunun faydası ise sağda ki iki
motora veya soldaki iki motora aynı anda hareket
verilebiliyor olabilmesidir. Aynı zamanda yüksek
performansta yani yüksek voltaj ve yüksek
akımda iyi çalışan bir motor sürücü olması ve
düzenleyicinin kullanılma sebebi budur. Bu
düzenleyiciden elde edilen voltaj sayesinde motor
sürücüler çalışır hale getirilmiştir.
Ultrasonik sensör: Güvenlik/Rehber robotta 5
adet ultrasonik sensör kullanılmıştır. Bu tip
sensörün
kullanılma
sebebi
mesafeyi
inc
cinsinden gösterebilmesidir. Arduino Uno’da
bulunan
seri
port
sayesinde
okunabilmekte
ve
gerekli
yapılabilmedir.
Sağda
ve
bu
solda
değerler
ayarlamalar
kullanılan
sensörlerin sebebi robotun kendini ortalamasını
sağlamaktır. Öndeki ve arkadaki sensörlerin
Li-Po Pil: Sistemde 11.1 volt ve 3050 mAh
kullanım sebebi engelden kaçmaktır. Son olarak
özelliklere
ortada kullanılan sensörün sebebi ise robotun
Oluşturulan sistem ağır olduğu için motorlardan
durmasını sağlamaktır. Şekil 6’da devrenin baskı
çekilen akım da fazladır. Bu sebepten dolayı bu
devre
özelliklere sahip Li-Po pil seçilmiştir.
şeması
devre
elemanlarıyla
birlikte
verilmiştir.
sahip
bir
pil
kullanılmıştır.
Yazılımsal Bilgiler ve Akış Şeması: Daha
önceden de belirtildiği gibi yazılım dili olarak C
tabanlı Arduino dili kullanılmıştır. Bu kod
robotun engellerden kaçması ve dar bir ortamda
yolu
ortalayarak
hareket
etmesi
için
tasarlanmıştır. Toplamda kullanılan 5 ultrasonik
sensör sırası ile Arduino mikroişlemci kartının
üzerinde
bulunan
analog
pinlere
bağlandı.
Bilgisayar ortamında kullanılan Arduino’nun ara
yüz
programındaki
“analogRead”
ve
“Serial.print” komutları kullanılarak sensörlerden
gelen veriler seri monitöre bastırıldı. Bu değerlere
göre gerekli komutlar kullanılarak robotun bu
sensörlerden gelen verilere göre motor sürücüler
Şekil 6. Baskı Devre Şeması
ve bunlara bağlı olan motorlar yardımı ile
hareketi sağlandı. Şekil 7 deki Akış şemasında
Yukarıdaki devre şemasında “Arduino Pins”
robotun
yazılı olan yere Arduino’nun bacakları devre
davranacağı detaylı olarak verilmiştir.
üzerindeki ilgili pin numaralarına bağlanmıştır.
“Pololu Motor Driver Pins” yazılı olan yere yine
Pololu
motor
sürücülerin
ilgili
pinleri
bağlanmıştır. 7809 ve 7805 düzenleyicilerinin
bacak
numaraları
baskı
devre
şemasında
gösterilmiştir. Ayrıca Li-Po pil ve sensör
bağlantıları
artı
yukarıdaki
baskı
görülmektedir.
eksi
bacakları
devre
ile
şeması
birlikte
üzerinde
mekatronik
laboratuvarlarında
nasıl
4.
SONUÇLAR
VE
PLANLANAN
ÇALIŞMALAR
Lisans Araştırma Projeleri dersi (MECE 407-408)
kapsamında alınan “Rehber Güvenlik Robotun
Otonom olarak Mekatronik Laboratuvarlarında
Hareketinin Sağlanması” projesinin üzerinde
titizlikle
çalışılmıştır.
2011-2012
akademik
yılının güz döneminden başlanmak üzere, robotun
mekanik ve elektronik tasarımı verimli kaynak
taramalarının
ışığında
gerçekleştirilmiştir.
Yapılan
denemeler sonucunda,
başarıyla
çalışmalar
ve
2011-2012 akademik
dönemindeki başarı kıstasına ulaşmıştır. Bu
Şekil 7. Akış Şeması
başarı kıstası daha önceden de belirtildiği gibi
Bekçi/Rehber
Robota güç verildikten sonra ilk önce önünde
herhangi bir engel olup olmadığına bakıyor. Eğer
herhangi bir engel yoksa robot yoluna devam
ediyor. Eğer bir engel varsa engelin solunda mı
sağında mı yoksa tam önünde mi olduğunu
algılıyor. Eğer engel solunda ise robot sol
motorlar çalışırken sağ motorları durduruyor. Bu
şekilde robot sağa dönerek engelden kaçıp yoluna
devam ediyor. Aynı şekilde engel robotun
sağında ise bu sefer robot sağ motorlar çalışırken
sol motorları durduruyor. Bu şekilde robot sola
dönerek engelden kaçıp yoluna devam ediyor.
Eğer engel tam önündeyse robot tüm motorları
durduruyor.
Önündeki
engelden
zaman yoluna devam ediyor.
kurtulduğu
robotun
mekatronik
laboratuvarlarında otonom olarak hareketinin
sağlanmasıdır. Bu sene ki başarılı çalışmalar
projenin gelecek senelerde erişeceği başarılara
yol açar nitelikte olmaktadır. Öte yandan projenin
gelecek
senelerde
planlanan
çalışmaları
da
belirlenmiştir. Bu plana göre Bekçi/Rehber robot
son haline ulaştığında kullanılan kamera ve
yazılım sayesinde yüz tanıma özelliklerine sahip,
tanıdığı ve tanımadığı kişileri ayırt edebilecek
zekâya sahip olacaktır. Ayrıca tanıdığı ve
tanımadığı kişilere göre ses komutu verebilecek
ve ses komutlarını algılayabilecek bir yapı
Bekçi/Rehber
robotun
planlanan
çalışmaları
arasındadır. Düşünülen senaryoya göre çalışma
saatleri içerisinde rehber robot Atılım üniversitesi
mekatronik mühendisliği laboratuvarlarında gelen
misafirleri karşılayacak yüz tanıma özelliği
sayesinde insanları ayırt edebilecek buna göre
sesli
komut
verebilecek
yönlendirebilecektir.
ekran
sayesinde
yönlendirilmeye
ve
Üzerindeki
insanları
dokunmatik
yönlendirilebilecek
göre
insanları
ve
bu
mekatronik
laboratuvarlarında gezdirecek ve sesli komutlarla
laboratuvarlarda yapılan çalışmalar hakkında
insanları bilgilendirecektir. Diğer yandan mesai
saatlerinin dışında güvenlik robot biçiminde
insanlara hizmet etmesi düşünülmüştür. Bu
kapsamda
dumana
duyarlı
yangın
alarmı
sayesinde üniversite görevlileri ile iletişime
geçebilmesi düşünülmüştür. Bunlara ek olarak
yabancı birilerine karşı vereceği alarm tekrardan
üniversite yetkililerini bilgilendirecektir.
Sonuç olarak, MECE 407-408 Lisans Araştırma
Projeleri I-II dersleri kapsamında yürütülen
Güvenlik/Rehber Robot projesi gerek Atılım
Üniversitesinde gerek diğer üniversitelerde örnek
alınması gereken bir proje olarak geleceğe iz
bırakacaktır.
KAYNAKÇA
[1] Kazuhisa S., Yoshinori K., Michie K., Keiichi
Y ,(2007), “Museum Guide Robot with
Effective Head Gestures”, IEEE-International
Conference on Control, Automation and
Systems
[2] Gunhee Kim, Woojin Chung, Kyung- Rock
Kim, Munsang Kim, Sangmok Han, Richard
H. Shinn ,(2004), “ The Autonomous TourGuide Robot Jinny” , IEEE- Internationel
Conference
Intelligent
Robots
and
Systems
[3] Byung-Ok Han, Young-Ho Kim, Kyusung
Cho, and Hyun S. Yang , (2010), “Museum
Tour Guide Robot With Augmented Reality”
,Korea Advanced Institute of Science of
Technology
[4] Yutaka K., Amir N., Charles A. L, (1988), “A
Locomotion Control Method for Autonomous
Vehicles”, IEEE
[5] Guanghua Zong, Luhua Deng, Wei Wang,
(2006),
TEŞEKKÜR
“A
Method
for
Robustness
Improvement of Robot Obstacle Avoidance
Projeleri
on
dersleri
I-II
[6] Dhananjay B., Nitin A., Nguyen T. T , (2008),
tarafından desteklenmiştir (Proje No: LAP-A-
“Path Planning for a Mobile Robot in a
Proje
Atılım
on Robotics and Biomimetics
Üniversitesi
111201).
ve
kapsamında
Algorithm”, IEEE International Conference
çalışmalarımıza
verdikleri
Dynamic Environment” , IEEE-International
katkılardan dolayı Emre GÜNER ve Cahit
Conference on Robotics and Biomimetics
GÜREL’ e teşekkür ederiz. Ayrıca Mekatronik
[7] Guanghua Zong, Luhua Deng, Wei Wang,
laboratuvar sorumluları Meral ADAY ve Handan
(2006),
“A
Method
for
Robustness
KARA’ ya sonsuz şükranlarımızı sunarız.
Improvement of Robot Obstacle Avoidance
Algorithm” , IEEE International Conference
on Robotics and Biomimetics
[8] C.H. Kuo, C.C. Chen, W.C. Wang, Y.C.
Hung, E.C. Lin, (2006), “Remote Control
Based Hybrid-Structure Robot Design for
Home Security Applications”, International
Conference
on
Intelligent
Robots
and
Systems
[9] Homayoun Seraji, Fellow, and Ayanna
Howard, (2002), “Behavior -Based Robot
Navigation on Challenging Terrain: A Fuzzy
Logic Approach”, IEEE Transactions On
Robotics and Automation
SÜRÜ ROBOTLARIN LİDER ROBOT EŞLİĞİNDE HAREKET
ETMESİNİ SAĞLAMAK
Halid ÇAVDAR, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Ertuğrul KAYABAŞI, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Fevzi ŞAHİN [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Fuad ALİEW, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
ÖZET
ABSTRACT
Sürü robotlar, donanım olarak fazla karmaşık
Swarm robotics is a new approach to the
olmayan robotların, çok sayıda ve davranışları
coordination of large numbers of relatively
birbirine bağımlı olan yeni bir yaklaşımdır.
simple and coordinated robots. It is inspected
Doğada
özellikle
form natural life, especially bugs. There are three
böceklerden ilham alınır. Sürü robotlarda istenen
desired features for swarm robots. These are
üç özellik vardır. Bunlar sağlamlık, esneklik ve
robustness, flexibility and scalability [1]. Most of
ölçeklenebilirliktir. Sürü robotlarda bugüne kadar
the researches are sensor based and radio
yapılan araştırmaların algılayıcı tabanlı olduğu,
frequency, infrared light is the most popular
radyo
ışıkların
research sensors for swarm robots. We have
kullanıldığı anlaşıldı fakat kızıl ötesi ışıkların
examined that radio frequency is more common
sürü robotlarda yeterli olarak kullanılmadığı
than infrared technology. In this paper, we
kanısına varılmıştır. Bu bildiride, sürü robotlar
interpreted
hakkında
robotics. Explanation of applied technology on
yaşayan
dalgalarının
daha
yorumlanması,
canlılardan,
ve
kızıl
ötesi
önce
yapılan
araştırmaların
sürü
robotlarda
existed
literature
about
swarm
kullanılan
the swarm robotics was done. Hardware and
teknolojinin incelenmesi, sürü robotlar hakkında
software of the system and used material was
okunan makalelerin yorumlanması, fiziksel olarak
explained.
yapım
aşaması,
kullanılan
malzemelerden
bahsedildi.
ANAHTAR KELİMELER
KEYWORDS
Sürü, Kızılötesi, Algılayıcı
Swarm robot, Infrared, Sensor
sürü içerisindeki bu hareketleri gözlemlenerek
1. GİRİŞ
Bu
araştırmanın
genel
amacı
mekatronik
mühendisliği kapsamı içinde lider araç eşliğinde
toplu olarak lider robotun istediklerini yapmak
sürü halinde hareket etmeleri beklenmektedir. Bu
amaç doğrultusunda birçok çalışma yürütülmekle
beraber yapılan ilk ve en önemli çalışma geniş bir
kaynak taraması yapılmasıdır. Kaynak taraması
yapılacak tasarıma ve üretime yön vermesi
bakımından çok önemlidir. Bu kapsamda yaklaşık
elli adet makale okunmuş ve bu makaleler
sınıflandırma
çizelgesi
yardımıyla
gruplandırılmışlardır. Daha kapsamlı bilgi bir
sonraki bölümde verilmektedir. Kaynak taraması
yapıldıktan sonra tasarım aşamasına geçilmiştir.
Tasarım aşaması mekanik tasarım ve elektronik
sürü zekâsı tabanlı en uygun şekle sokma
algoritmaları geliştirilmiştir [3]. Sürü robotların
dünya üzerinde uygulandığı pek çok alan var.
Sistem kuramı
açısından
bakıldığında
sürü
sistemler daha sağlam, daha esnek ve daha etkili
ve ucuz olduğu söylenebilir. Mesela bir karınca
kolonisini ele alalım. Karıncalardan birinin veya
birkaçının
kaybedilmesi
sistemin
işleyişini
bozmamaktadır (sağlamlık), karıncalar bazen bir
şekilde organize olup bir iş yapabildikleri gibi
başka bir zamanda farklı bir iş için farklı şekilde
organize olabilmektedirler (esneklik) [1]. Bunun
yanı sıra, birkaç karınca bir araya gelerek
normalde her birinin kapasitesinden çok daha
üstünde iş yapabilmektedirler (etkililik) [1].
Ayrıca, her bir karıncanın maliyeti (yetiştirilmesi
tasarım olarak iki bölümden oluşmaktadır.
vs.) çok düşüktür (diğer canlılara, mesela
2. KAYNAK ARAŞTIRMASI
memelilere nazaran) ve bu sebepten dolayı
Bazen tek başlarına hiçbir iş yapamayan varlıklar,
karıncaların kısa süre de çok sayıda üremeleri
toplu hareket ettiklerinde çok zekice davranışlar
mümkün (ucuzluk) [1]. Teknolojideki gelişmeler
[2].
yapay sürü sistemlerinin veya bir başka değişle
sergileyebilmektedir
Bir
topluluğa
ait
bireyler, en iyi bireyin davranışından ya da diğer
robot
bireylerin
kendi
kılmaktadır. Fakat böyle dağınık sistemlerin
deneyimlerinden yararlanarak yorum yapmakta
işlevsel kılınması için yeni etkili koordinasyon
ve
mekanizmalarına ihtiyaç vardır. Bu koordinasyon
bu
davranışlarından
bilgileri
ileride
ve
karşılaşacakları
sürülerinin
üretilmesini
mümkün
problemlerin çözümleri için bir araç olarak
mekanizmaları
kullanmaktadırlar. Örneğin, bir canlı sürüsünü
birbirinden çok farklı sistemler değildir. Bu
oluşturan bireylerden birisi bir tehlike sezdiğinde
koordinasyonu sağlamak için kullanılan teknoloji
bu tehlikeye karşı tepki verir ve bu tepki sürü
genel olarak Radyo Dalgası ve Kızıl Ötesi Işık
içinde ilerleyip tüm bireylerin tehlikeye karşı
teknolojisidir. Mevcut çalışmalarda modelleme
ortak bir davranış sergilemesini sağlar. Canlıların
çeşidine göre sürü robotlar isimlendirilmiştir.
mevcut
olan
sistemlerde
Algılayıcı tabanlı sürü robotlar, çevrelerini
yapmak istediğimiz kızılötesi ışık ile nasıl bu
algılamak için algılayıcılar kullanırlar. Bu tarz
robotları
modelleme en eski ve en yaygın modelleme
aramaya başladık. Grup arkadaşlarımızla bu konu
çeşididir. Mikroskobik modelleme, matematik
hakkında birçok pozitif tartışma yaşadık. Örneğin
tabanlı bir modellemedir. Bu modellemede her
kullanacağımız kızılötesi ışığının frekans aralığı
etkileşimin basit bir matematiksel modellemesi
ne olmalı, seçeceğimiz motorlarımızın torku ne
yapılmaktadır. Bir
kadar
diğer matematik tabanlı
haberleştiririz
olmalı
gibi
sorusunun
konuşmalar
cevabını
yaptık.
Bu
modelleme çeşidi mikroskobik modellemedir.
konuşmalar neticesinde bizim önce birbirlerini
Mikroskobik modellemede sistemin davranışını
takip edecek olan 3 adet 20 x 30 cm ebatlarındaki
belli bir zamanda belli bir yerde fark denklemleri
robot
diye adlandırılan denklemlerin sistemi sürekli
Bilindiği gibi kızılötesi ışıklar ile veri alışverişi
kontrol
modelleme
sağlamak istiyorduk bunu yapmanın tek yolu iste
şeklidir. Son olarak bulunan modelleme CA(
kızılötesi alıcı ve verici devreleri kurmaktı. Bu
Cellular Auto mata)dır [5]. Bu modelleme en
robot arabalarımız birbirlerini takip edebilmesi
basit matematiksel modeller arasında yer alıyor.
için gerekli olan kızılötesi ışıkları bulmaya
İsminden de anlaşılacağı gibi hücrelerden oluşan
yarayan kızılötesi bulucu kullanmak zorundaydık.
bir sistemdir ve sadece belli özelliklerde sistemler
Ve sadece 1 adet kızılötesi bulucu kullanmak
bir araya gelir. Şu ana kadar incelenen sistemler
bizim robot araçlarımız sadece düz bir şekilde
arasında, bizim sistemimize en çok benzerlik
ileriye götürmeye yarayacaktı. Oysaki biz bu 3
gösteren sistem algılayıcı tabanlı olan sistemdir.
robot araba içinde lider (komutan) olarak
Çünkü bizim sistemimiz çevresini algılayıcı ile
seçtiğimiz ilk robot arabamız nereye giderse sağa,
algılayacak. Bu algılayıcının teknolojisi Kızılötesi
sola ve ileri olmak koşulu ile geride kalan diğer
Işık
iki robot aracımızda lider robotumuzu takip
etmesi
ile
teknolojisidir.
modellenen
Daha
önceki
mevcut
arabalarımızı
etmesini
Bizim
sistem
gereken yani lider robotumuzun sağa ve sola
kullanılmasının en büyük nedenlerinden biri diğer
dönüşünü tespit etmek için 2 numaralı ve 3
radyo dalgalı sistemlere göre daha az karmaşık
numaralı robotlarımıza en üç adet kızılötesi ışık
daha az enerji üreten bir sistem olmasıdır.
bulucu monte etmemiz gerektiğini fark ettik.
kızıl
ötesi
3. TASARIM SÜRECİ
Yapmış olduğumuz yayın taramasında sürü
robotların farklı metotlar ile nasıl birbirleri ile
veri alışverişinde bulunduklarını inceledik ve
Bunun
için
gerekliydi.
sistemlerin çoğu Radyo Dalgalı sistemlerdir [6].
sistemimizde
istiyorduk.
tasarlamamız
yapmamız
Lider robotumuz en önde gideceği için lider
robotumuza kızılötesi bulucu monte etmemize
gerek yoktu. Ona sadece kızılötesi ışık kaynağını
monte
etmemiz
yeterliydi.
Bu
takip
algoritmamıza göre lider robotumuzu 2 numaralı
robot, 2numnaralı robotumuzu da 3 numaralı
robotumuz takip edecek böylelikle tüm robot
arabalarımız lider robotumuz nereye giderse
oraya gitmiş yani takip etmiş olacaklardı. Bunu
sağlamak için lider robotumuza kızılötesi ışık
kaynağı, 2 numaralı robotumuzun önün kısmına
kızılötesi bulucu 3 adet arka kısmına ise kızılötesi
ışık kaynağı, 3 numaralı arabamıza ise ön kısmına
sadece 3 adet kızılötesi bulucu monte etmemiz
bizim için yeterli oluyordu. Grup arkadaşlarımla
kızılötesi bulucu ve kızılötesi ışık kaynaklarının
kolayca monte edileceği aynı zamanda göze hitap
eden estetik robot arabalarımız tasarlamalıydık.
Şekil 1. Motor [7]
Yani;
Motor frekansımız 200 Hz ile çalışmasını
istiyoruz dolayısı ile açısal hızımız
W=2*pi*200= 1256 rad/sn
Motor voltajımızı 12 v seçtik çektiği akım 0,3 A.
Bu tasarımdan bir adım önce motorlarımıza karar
vermemiz
gerekliydi
çünkü
tasarımızda
P= 12*0,3= 3,6 N
motorların ebatları da önemliydi. Tork, motordan
P=T*w => 3,6 = T *1256
hareket parçalarına tekerlek, dişli, palet... vb.
T=2.86 cm/kg
iletilen itme kuvveti ya da dönme momentidir.
Yandaki şekilde gösterildiği gibi bir motorun
Frekans Hesabı:
şaftına bağlı bir tekerleğin bulunduğu bir
F=1/T
düzenekte tork, kuvvetin motor şaftına olan
F=38.6khz=38600hz
uzunluk ile çarpımına eşittir. ( T = F x d ). Torkun
birimi Newton metredir (Nm). Bir motorun gücü
T=? 1/38600=2.59*10^-9
o motorun torkunun açısal hızı ile çarpımına
Yani bize T süresinde bu frekansı üretmeli
eşittir. ( P = T x w ) Motor gücü (P), motora
yapacağımız kızıl ötesi kaynağı.
uygulanan voltaj ile motorun çektiği akımın
çarpımına eşittir. ( P = V x I ) Açısal hız ise
motorun frekansının ( motorun bir saniyede
tamamladığı tur sayısının) pi sayısı ile çarpımının
Basit bir şekilde tork hesabımızı yaptıktan sonra
iki katıdır. ( w = 2 x pi x f ) [7]
şekil 1. de seçtiğimiz motorların ebatlarını
ölçtükten sonra CATIA çizim programı ile
robotlarımız tasarlamaya başladık ve şekil 2. deki
Bunun için ise yandaki devreyi kullanarak 38khz
tasarımı ortaya çıkardık.
kızılötesi ışık kaynağını ürettik. Artık robotumuz
yavaş yavaş şekillenmeye başlıyordu. Yapmış
olduğumuz kızılötesi ışık kaynaklarını lider robot
ve 2 numaralı robotun arka kısmını ortalayacak
şekilde monte ettikten sonra sıra 2 ve 3 numaralı
araçlarımızın kızılötesi ışık bulucuları monte
etmeye ve hangi bulucunun o an aktif olduğunu
anlamak için Arduino [9] denilen küçük işlemci
takımını kullanmaya karar verdik. Sırası ile 3
Şekil 2. Tasarımı bitmiş robot şasesi
Artık robotumuzun üretim aşamasına geldik ve
robotumuzu
pleksigalss
denilen
sert
şeffaf
malzemeden lazer aracılığı ile ürettik ardından da
montajlama safhasına çektik. Daha önceden 3
adet
kızılötesi
bulucular
yerleştireceğimizi
söylemiştik fakat bunlar bir hesap yapmamıştık
çünkü aynı markadaki tüm kızılötesi bulucular
aynı
ebattadır.
bulabileceğimiz
Piyasa
38khzlik
standart
frekans
olarak
bulucular
kullanmaya karar verdik. Bunun için aynı
zamanda
38khzlik
kızılötesi
ışık
kaynağı
üretmemiz gerekliydi.
kızılötesi bulucuyu araçlarımızın orta, sağ ve sol
olmak üzere 3 farklı konuma monte edip,
bulucularımızın çalışması için gereken voltajını
ve hangi bulucunun aktif olduğunu anlamamız
için gerekli olan elektronik bağlantıları yaptık.
Donanım
olarak
sadece
motorlarımızı
bağlamamıştık. Motorları en sona bıraktık çünkü
motorlarımızı Arduino ile çalıştırabilmemiz için
motor sürücü dediğimiz ardumoto [10] adlı kiti
kullanamaya karar verdikten sonra ardumoto
[10], arduino ve motorlarımız arasındaki gerekli
olan veri ve enerji alışverişini sağlayacak olan
kablo
bağlantıları
sistemimizin
sağladıktan
donanımsal
sonra
yapılacak
bir
artık
işi
kalmadı. Arduino kitinin kendine özgü olan
kullanarak
programlama
dilini
yazılımımızı
yazmaya
adım
başladık.
adım
Öncelikle
kızılötesi bulucularımızın çalışıp çalışmadığını
anlamak için yazdığımız kod ile bulucuları test
ettik. Fakat burada bir sorunla karşılaştık çünkü
test
Şekil 3. 38khz kızılötesi ışık kaynağı [8]
etmek
için
kızılötesi
ışık
kaynağını
çalıştırdığımızda alıcıların hepsi aynı anda aktif
olduğunu anladık bunun nedeni ise kızılötesi ışık
gelebilmesi için kullanılan malzemeler aşağıdaki
kaynağının yaymış olduğu kızılötesi ışıklar
gibidir.
parabolik
bir
şekilde
yaydığı
için
bizim
Tablo 1. Kullanılan Malzemeler
bulucularımız aynı anda hepsi aktif oluyordu.
3 adet
Arduino UNO kit
3 adet
Ardumoto motor sürücü
6 adet
12 v dc adaptör
9 adet
Tsop 1138 kızılötesi bulucu
2 adet
38khz kızılötesi kaynağı
tahtalar ile dikdörtgen biçiminde kapatarak
30 adet
Cıvata ve somun
bulucumuzun
almasını
6 adet
6mm çapında tekerler
sağladık. Çünkü metal ve tahta kızıl ötesi
3 adet
Robot araba
ışıklarının iletimini sağlamadığı için kaplama
5 metre
2mm zil teli
işlemlerinde bu iki maddeyi kullandık. Bu sorun
2 adet
2m x 2cm x 5 mm
Bunun çözümü olarak kızılötesi ışık kaynağının
etrafını metal silindir ile kaplayarak kızılötesi
ışığın
düz
Ardından
bir
şekilde
kızılötesi
iletilmesi
sağladık.
bulucularımızın
sadece
önden
ışık
etrafını
da çözüldükten sonra artık yazılım kısmına
kaldığımız yerden devam ettik. Tekrar bulucuları
test ettiğimizde artık istediğimiz gibi çalıştığını
gördük.
Ve
Ardumoto
ve
motorları
denemeye
başladık.
arduino
arasındaki
iletişimi
sağladıktan sonra motorlarımızda düzgün bir
şekilde çalıştığını gördük. Son olarak iki yazılımı
kombine ederek tekrar düzenledik yani sağ
bulucu gördüğünde sağa sol bulucu gördüğünde
ise
sola
dönmesi
için
gereken
yazılımı
tamamladıktan sonra artık sistemimiz sorunsuz
bir şekilde çalıştığını gördük ve denemelere
başladık. Bu test sürüşleri sırasında gördük ki bu
robot arabalarımız arasındaki iletişimde bir sorun
yoktu
ve
sistemimiz
tasarladığımız
gibi
çalışıyordu. Bu tasarım esnasında lazer kesimi ile
ürettiğimiz araçlarımızı birbirlerine monte etmek
ve robot arabalarımızın ilk andan çalışır konuma
4.SONUÇ VE GELECEK ÇALIŞMALAR
Seri robotlar adı altında kızıl ötesi
ışınlarıyla birbirini izleyen üç adet araba test
edildi. Test edilen araçların birbirini her zaman
takip etmediği görüldü. Bunun sebepleri arasında
araçların
ağırlıklarının
farklı
olmasından
kaynaklanan sürtünme kuvvetinin her araç için
farklı değerde olmasıdır. Diğer bir sebep ise
araçların güç kaynağı olan bataryaların tükenme
sürelerinin
homojen
olmayışıdır.
Bu
eşit
olamayan homojen, motorlara birim sürede farklı
miktarlarda akım oluşturduğu için motorların
performansları
ve
dolayısı
ile
hızları
eşit
olmamaktadır. Bir başka etken ise sağ ve sol
tekere bağlı olan motorların eşit miktarda tork
üretememesinden araçların istenilen rota üzerinde
hareket edememesidir. Tüm bu sebeplerden
TEŞEKKÜR
dolayı gerek hareket doğrultusunda gerekse
hareket yönüne dik olan yatay ekseni üzerinde
araçlar arasındaki mesafe korunamamıştır. Bu
mesafenin korunamamasından dolayı kızıl ötesi
sensorlar etkin kapsama alanından uzaklaşmıştır.
Bu uzaklaşma kızıl ötesi alıcılarda ve vericilerde
sinyal zayıflamasını ve buna bağlı olarak takip
mesafesinin
korunamaması
sonucunu
doğurmuştur. Tüm bu aksaklıkların giderilmesi
araştırma,
Bu
MECE
407-408
Lisans
ve
Atılım
Üniversitesi
Derslerin
yürütülmesine
ve
proje
çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı Öğr.
Göv. Aylin KONEZ EROĞLU, Yrd. Doç. Dr.
Zühal ERDEN, Aras. Gr. Emre Güner ve emeği
geçen herkese teşekkür ederiz.
araçların önüne bağlanacak olan ve takip ettiği
araç ile doğrusal mesafeyi sabit tutacak olan
mesafe ölçer (sharp) sensörlerin kullanılması ile
mümkün olacaktır.
Daha
aşamalarda
araçların
zaman tekrar sinyaller yardımıyla birbirini bulup
hareketlerine devam etmeleri sağlanabilir. Buna
ilaveten araçların toplu ve ayrı olarak kodlu
verilen
görevleri
yapıp
tekrar
başlangıç noktalarına dönmeleri sağlanabilir.
Örneğin; geliştirilen yazılım desteğiyle sinyaller
halinde
gönderilen
görevin
belirtilen
matematiksel konuma ulaşarak (fotoğraf çekimi,
ses kaydı vb.) istenilen bilgileri uydu takibi
aracığıyla
belirli
[1] E. Bahceci, O. Soysal, E. Sahin, “A Review:
Pattern Formation and Adaptation in Multi-Robot
sonraki
birbirinden bağımsız hareket ederek istenildiği
sinyallerle
KAYNAKLAR
bir
merkeze
ulaştırması
sağlanabilir. Hazırlanan bu rapor doğrultusunda
kızılötesi ile sürü robotların yapımına katkı
sağlamak gelecek nesillere bu konunun daha
ilerisine taşımalarına yardımcı olmak bu raporun
yegâne amacı olmalıdır.
Systems”, 2003.
[2] Çelik, M., Karaboğa, D., Köylü, F., Artificial
Bee
Colony
Innovations
Data
in
Miner
Intelligent
(ABC-Miner),
Systems
and
Applications (INISTA), 96-100, 2011.
[3] Karaboğa, D., Yapay Zekâ Optimizasyon
Algoritmaları, Nobel Yayın Dağıtım, 2011.
[4] Krishnanand, K.N., Ghose, D. Detection of
Multiple Source Locations Using a Glowworm
Metaphor
withApplications
to
Collective
Robotics, IEEE Swarm Intelligence Symposium,
84-91, 2005.
[5]
Banharnsakun,
A.,
Achalakul,
T.,
Sirinaovakul, B.,Artificial Bee Colony Algorithm
on Distributed Environments, Second World
Congress on Nature and Biologically Inspired
Computing, 13-18, 2010.
[6]
Technical
Report
CMU-RI-TR-03-43.
Carnegie Mellon Univ, Pittsburgh, PA, USA,
October 2003.M. Dorigo, E. Şahin, “Swarm
Robotics - Special Issue”, Autonomous Robots,
vol. 17, pp. 111-113, 2004.
[7]Kapıcı,F.,(2008),
“motor
tork
hesabı
”,
http://depositericrobotic.blogspot.com/2012/03/m
otor-tork-hesab-nasl-yaplr.html
[8] Cook,D.,(2006), “38 khz infrared transmitter
withcmos555”,
http://www.robotroom.com/index.html
[9]Bazzı,M.,Cuartielles,D.,Igue,T.,Martıno,G.,Me
llis,David.(2007)
http://arduino.cc/en/Guide/HomePage
[10] Spark fun Electronics
http://www.sparkfun.com/products/9213
KANALLI PERVANE VE DENETİM YÜZEYLERİ KULLANAN UÇAN
ROBOTLAR
Halil İbrahim ASA, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Kutluk Bilge ARIKAN, [email protected] Atılım Üniversitesi,06836,Ankara
kanallı pervane, pil ve elektronik hız kontrol
ÖZET
Bu makalede, sıra dışı robotlar bölümünde hayata
geçirilen
iki
kanallı
pervane
projesi
sunulmaktadır. İki kanallı pervane projesi dikey
olarak iniş ve kalkış yapabilen ve kontrolcü
yüzeyine sahip bir sistemdir. Bu sistem uçan
robotlar
laboratuarında
gerçekleştirilmiş.
Bu
projede iki tane kanallı pervane kullanılmıştır. Bu
pervaneler aynı yönde döndüklerinden dolayı
birim’ine yer verilmiştir. Sistemin tasarımı
sırasında CATİA ® kullanılmıştır. Son bölümde
ise yapılan çalışmalar sırasında bulunan bulgular
verilmiş olup, gelecekte kullanılabilecek olan
yerler verilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Kanallı pervane, Sıra dışı
uçan robot, Uçan robotlar laboratuarı
ABSTRACT
sapma açısında meydana gelen hareketi kontrol
etmek için yaptığımız çalışmalara yer verilmiştir.
In this paper we explain the ducted fan Project in
Kontrolcü yüzeyi sayesinde hareket etme işlevine
the novel flying systems. Ducted fan Project can
sahiptir, ayrıca sapma, yuvarlama ve eğilim
vertical takeoff and landing (VTOL) and has the
açısını kontrol altında tutabilmektedir bu sayede
flap controller unit. This system is to make in the
sistemin havada rahat bir şekilde hareket edilmesi
flying robots laboratory (FRL). Two ducted fan
sağlanmaktadır.
unit is used in this project. These ducted fans turn
Makalenin
giriş
bölümünde
bilgi
same way so system can move yaw angle for this
verilecektir. İkinci bölümde ise projenin amacı
reason we design the controller for the yaw angle.
hakkında
geniş
bölümde
ise
yapılan
araştırmalar
hakkında
genel
verilecektir.
Üçüncü
For the flap controller part systems can move and
araştırması
sırasında
we control the yaw, pitch and roll angle for this
bulunan bulgular detaylı olarak açıklanacaktır.
reason system can easily move in the air.
Açıklanma esnasında sonraki çalışmalara ışık
Beginning of the paper basic definitions and
tutacak bilgilere yer verilmiştir. Daha sonraki
general information are given about the research.
bölümde ise bugüne kadar yapılan çalışmalar ve
Second part of the project aim of the project is
bilgi
literatür
going to be explaining clearly. In chapter three
literature
survey
theoretical
review
information are
and
some
basic
explain clearly,
sıra havada asılı kalma görevlerini de başarıyla
yapabilmektedir.
Fakat
havada
asılı
kalma
theoretical information helps to understand the
hareketinde iken aynı yönde dönen kanallı
future working principle. Next chapter is given
pervanelerden dolayı meydana gelen sapma
the more information up to now and ducted fan
açısındaki denetim yüzeylerindeki kontrolcüler
unit, Battery and electronic speed control (ESC)
ile denge altında tutulmaktadır. Bu kontrolcüler
are given. System is designing in the CATIA ®.
hava akışının tam altında bulunmaktadır. Bu
Final part is explain the finding information and
sayede sistemin manevra kabiliyeti kontrol altına
future works
alınmıştır. Yüzeydeki kontrolcüler sistemin ana
gövdesine bağlanan servo motorlar tarafından
Keywords: Ducted fan, Novel flying system,
hareket ettirilmektedir. Sıra dışı sistemlerin
flying robot laboratory
araştırılması ve imalatı için kurulmuş olan uçan
robotlar laboratuarında ilk defa bu konu üzerinde
1. GİRİŞ
çalışılmıştır. Bu sistemler dünyada birçok türevini
Sivil ve askeri uygulamaların değişen ihtiyacı
barındırmaktadır.
doğrultusunda tasarlanan uçan robotik sistemler
teknoloji [1] tarafından geliştirilen insansız hava
giderek daha fazla önem kazanmaktadır. Askeri
aracı üzerinde pozisyon kontrolü ve kontrol
uygulamalarda sınır güvenliği, gözlem sivil
mekanizması üzerinde çalışılmıştır ve sapma
uygulamalarda ise deprem, sel gibi alanlarda
açısını kontrol edebilmek için kapalı döngü
kullanılmaktadır. Uçan robotik sistemlerin bir
kontrolcüsü tasarlanmıştır. Sistemin pozisyon
diğer özelliği ise otonom olarak çalışmasıdır.
değerlerini ölçmek için atalet ölçme ünitesi
Gelişen ihtiyaçların artmasıyla insansız hava
kullanılmıştır (IMU) kullanılmıştır. Bu projenin
araçları popüler bir araştırma konusu haline
amacı zor koşullar altında havada kalabilme
gelmiştir. İnsansız hava araçların faaliyet alanları
dikey olarak kalkış ve iniş yapabilme ve havada
ise müdahale ve koruma ya da zor koşullarda
asılı kalma yeteneğine sahip olan otonom bir uçan
yüksek manevra kabiliyetinin yanı sıra gözlem
robotik sistemdir. Bu ihtiyaçlar doğrultusunda
yapma görevlerini üstlenmeye başlamışlardır.
yapılan projelerin hızlı bir şekilde tamamlanması
Uzun menzilli uçaklar, füzeler ve helikopterler bu
ve ihtiyaç duyulan alanlarda yeni tasarımlar
görevi
yaparak ihtiyacı karşılamak için uçan robotlar
üstlenen
araçlarıdır.
en
Kanallı
belirgin insansız
pervane
ve
hava
denetim
yüzeylerine sahip olan insansız hava araçları
dikey olarak iniş ve kalkış yapabilmelerinin yanı
Örnek
olarak
ise
Berlin
laboratuvar çalışmalarına devam etmektedir.
2.
DÖNER
ÖZELLİKLERİ
KANATLI
VE
SİSTEMLERİN
LİTERATÜRDEKİ
ÇALIŞMALAR
Döner
kanatlı
2.1 Literatür Araştırması
Kanallı pervane ve denetim yüzeyleri için yapılan
literatüre araştırması sırasında bulunan bulgular
sistemler
genel
olarak
açıklanacaktır. İlk olarak servo motor kontrolü
incelendiğinde üç ile altı palli olan döner kanatın
kullanılarak yapılan kanallı pervane ve denetim
fırçasız motor ile bağlanıp, etrafının da hava
yüzeyleri incelenecektir [3] . Bu sistem askeri ve
geçirmez malzemeyle kaplanıp itme gücünü
sivil alanlarda kullanılacaktır. Bu yüzden sisteme
arttıran sistemlerdir. Hava akışının olduğu yere
kamera entegre edilmiş olup sınır güvenliği ve
denetim yüzeyleri bağlanan sistemlerin havadaki
arama kurtarma çalışmaları sırasında gereken bir
hareketleri kontrol edilmiş olacaktır. Bu sayede
işlev görecektir. Kontrolcü tasarımı sırasında
dikey olarak iniş kalkış yapabilmenin yanı sıra
kapalı döngü kontrol sistemi tasarımı yapılmıştır.
havada asılı kalma becerisini elde edecektir.
Pozisyonu ölmek için ise atalet ölçme ünitesi
Fakat literatürdeki çalışmalar iki tane birbirine zıt
kullanılmıştır (IMU) . Bu sistemdeki ana problem
yönlü dönen döner kanallı pervanelere ve ya bir
ise hız bilgisi ile pozisyon bilgisini küresel
tane fırçasız motor kullanılarak yapılan projelere
konumlama (GPS) sisteminden bulamamasıdır.
sahiptir. Tek motorlu çalışmalarda ise fırçasız
motora dönen kanat ekleyip etrafında hava
geçirmez malzemeyle kapadıktan sonra ise servo
kontrollü denetim yüzeyleri kullanılmıştır. Bu
yüzden havada hareketi sırasında döner kanallı
pervanelerden dolayı sapma açısı oluşmaz.
Kullanılan dört tane denetim yüzeyleri sadece
pozisyon değişimi için kullanılır. Dört tane
denetim
yüzeyi
kullanmasındaki
sebep
ise
sistemin sapma, yuvarlama, eğilim açısını kontrol
altında tutabilmek için kullanılmıştır [2] . Fakat
tek döner kanalı olan sistemlerde ise sistemin
çalışması
esnasında
sapma
açısı
meydana
gelmektedir. Bu değeri kontrol etmek için
denetim yüzeyleri sayısı ise sistemin karakteristik
özeliklerine göre değişim göstermektedir.
Diğer
bir
çalışma
ise
özel
görevler
için
tasarlanmış kanal pervanedir [4] .Bu sistemin
oldukça
küçük
operasyonlarda
olmasının
alan
sebebi
araştırması
askeri
yapması
gerekliliğidir. Sisteme ayrıca kamera monte
edilmiştir böylece kurtarma görevleri sırasında
daha
detaylı
bir
araştırma
yapma
imkânı
sağlamaktadır. Boylamsal ve yatay hız bilgilerini
doğru
tanımlamasının
yanında
eğim
ve
yuvarlanma açısından gelen açı değerlerini doğru
olarak
almaktadır.
Fakat
sistemindeki
ana
problem ise zorlu koşullar altında dengesiz bir
aerodinamik yapı göstermesidir.
Diğer bir çalışma ise zorlu koşullar altında
çalışmasının yanında düşman takibi yapmak için
üretilen kanallı pervanedir [5] .Bu sistemde dört
adet denetim yüzeyi bulunmaktadır. Ayrıca bir
ise kontrol etmek için kontrolcü tasarlanacaktır.
tane fırçasız motor kullanılmaktadır. Sistemin ana
Şekil 1 ise kullanılacak olan kanallı pervaneleri
problemi ise pozisyon bilgisinin doğru şekilde
göstermektedir.
tespit edememesidir.
Diğer bir çalışma ise boylamsal ve yatay hız
bilgilerinin kontrol edilmesinin yanında sapma
açısından
gelen
hareketi
kontrol
edilmesi
amaçlanmıştır [6,7] .Kanallı pervane sistemi
tamamen otonom olarak çalışmaktadır. Sistemin
amacı
ise
daha
çok
sivil
uygulamalarda
kullanılmak amacı ile yapılmış olmasıdır. Bu
uygulamalar ise orman yangınlar sel ve deprem
gibi doğal afetler. Diğerlerinden boyut olarak
Şekil 1. Kanallı Pervane
daha büyüktür ve monte edilmiş kamerası
Bu kanalı pervaneler altı palli döner kanadın
bulunmaktadır. Son olarak ise sürekli otonom bir
fırçasız motora bağlanıp hava geçirmez bir
yapıda hareket etme kabiliyetinin yanında zorlu
yüzeye sahiptir. Böylece itme kuvvetini daha
koşullar
tasarlanmıştır.
fazla elde edebiliriz. Hava akımının altına Bu
Sistemin ana problemi ise yükseklik bilgisini tam
kanallı pervaneler aynı yöne döndüğünden dolayı
olarak eşleyememesidir.
sistemde sapma açısı meydana getirmektedir.
görev
yapması
için
Şekil 2 de ise kanallı pervanenin dönüş yönünü
Bu
başlık
altında
çalışmaların
yanı
bu
göstermektedir, Ayrıca sistemin pallerinin dönme
ana
sıra
kadar
yapılan
esnasında itme kuvvetinin yönü de gösterilmiştir.
projenin
amacı
Bu sebepten dolayı sistemin kendi etrafında
açıklanmıştır.
dönmeye başlamaktadır. Sistemin havalandıktan
3.1 Projenin Amacı ve Yapısı
sonra sapma açısından dolayı dengesiz bir durum
Projenin amacı ise iki tane kanallı pervane
kullanarak dikey olarak iniş ve kalkış yapabilen
bir sistemin yanında, havada sabit olarak durma
hareketi yapacaktır. Ayrıca sistemin motorlarının
aynı yönde dönmesinden dolayı meydana gelen
sapma açısındaki hareketi kontrol etmek ve yatay
olarak hareket esnasında meydana gelen hareketi
almaktadır. Bu yüzden dolayı denetim yüzeyi çok
önemli bir etken olmaktadır. Denetim sistemi dört
adet denetim yüzeyine sahiptir. Bu denetim
sistemleri gövdeye servo ile bağlanmaktadır.
Koyulan denetim yüzeyi sayesinde sapma açısı
kontrol altına alınmaya çalışılmıştır.
Yüzeyleri [4]
Kanallı pervanelerin birbirine cıvata yarımıyla
birleştirdikten
sonra
etrafını
pleksiglas
ile
çevirdikten sonra hava geçirmez bir yapıya sahip
olacaktır. Şekil 4 ise kanallı pervanenin catia
çizimini gösterilmektedir.
Şekil 2. Kanallı Pervana Çalışma Prensibi [4]
Şekil 3 ise sistemin sahip olduğu dört tane
denetim yüzeylerini göstermektedir [8]. Bu
denetim yüzeyleri gövdeye servolar ile bağlanmış
olup sistemi sapma, yunuslama ve sapma
açısından meydana gelecek olan hareketi kontrol
etmek
için
kullanılacaktır.
Ayrıca
Şekil 4. Kanallı Pervanenin CATIA ® çizimi
denetim
yüzeyleri beraber çalışarak sistemi yatay yolda
hareket etmesini sağlamaktadır. Motorun dönme
yönüne ters yönde hareket ederek motorun
dönmesinden oluşan sapma hareketine ters yönde
bir kuvvet oluşturarak sistemin havada asılı
Kanallı pervane kullanarak dikey olarak Sistemin
enerji ihtiyacını karşılayabilmek için 3050 mAH,
25 C değerinde 11,1 volt değerinde bir tane lipo
pilini
alınmıştır.
Şekil
3
ise
göstermektedir.
kalmasına sağlamaktadır.
Şekil 5.Li-Po Pili
Şekil 3. Kanallı Pervanenin Denetim
lipo
pilini
Bu değerlerde sistemin havada uçuş süresi bir
.
motor için 9.028 dakika iki motor için ise 4.514
dakika olarak hesaplanmıştır. İlerki çalışmalarda
sistemin uçuş süresini artırmak için sistemin
pilini değiştirebiliriz. Elektronik hız kontrolü
(ESC) için ise 30 amperlik iki tane elektronik hız
kontrolcüsü alınmıştır. Şekil 4 ise Elektronik hız
kontrolcüsünü göstermektedir. Bu özelliklerdeki
elektronik
hız
kontrolcüsü
fırçasız
motor
Şekil 6 Sistemin Prototipi
tarafından önerilmektedir. Bu elektronik hız
kontrolcüden iki tane alınmıştır.
4. SONUÇLAR
Sonuç olarak proje hakkında literatüre
araştırması yapılmış olup kanalı pervane ve
denetim yüzeyleri kullanan robotlar hakkında
bilgi
verilmiş
ve
teknik
özelliklerine
değinilmiştir. Ayrıca seçilen malzemeler
hakkında bilgi verilmiştir. Proje teknik olarak
catiada çizilip montajı yapılmıştır.
Ayrıca
açı değerleri kontrolü hakkında kullanılan
yöntemler ve yapılması gerekli işlemler
belirtilmiştir ayrıca servo motor kontrolü
Şekil 5 Elektronik Hız Kontrolcüsü (ESC)
Sistemin ilk örneğinde Kanallı pervaneler yan
yana birbirine bağlanmış olup etrafı plekssiglas
ile çevrilmiştir. Şekil 6 ise bunu detaylı bir
şekilde göstermektedir. Bu kanallı pervanelerin
altına her birine iki tane servo motor
yerleştirilecek olup sistemin kontrolcü tasarımına
geçilecektir.
denetim yüzeyi hakkında bilgi verilmiş olup
ayrıca bu sistemlere örnekler belirtilmiştir.
Sistemin yapılması için gerekli malzemeler
temin edilmiştir. Önceden temin edilmiş olan
kanalı
pervane
hakkında
detaylı
bilgi
verilmiştir. Fakat sistemin kendisinin üretimi
yapılamadığı
yapılamamıştır.
için
Bu
sitemin
yüzden
montajı
kontrolcü
tasarımına tam olarak geçilememiştir. Ayrıca
sistemin entegre edilmesi yapılmamıştır.
sayısı arttırılarak her eksende daha etkili bir
5.GELECEKTEKİ ÇALIŞMALAR
Sistemin fiziksel üretimi yapılamadığından
dolayı sistemin montajı ve sistemin kontrolcü
tasarımı tam olarak yapılamamıştır. Fakat
gelecekte sistemin fiziksel üretimi yapılacak
olup
ve
alınan
malzemelerin
montajı
yapıldıktan sonra motorların çalışma rejimi
ile itme kuvveti arasındaki ilişki iki motor
içinde yapılacaktır, ayrıca ataletsel testi
yapılacaktır. Bu testlerin ardından sistemin
montajı ve gerekli olan testler bitmiş olup
sistemin kontrolcüsü ile detaylı çalışılacaktır.
kontrol sağlana bilir.
6.TEŞEKKÜR
Bu
araştırma,
MECE
407-408
Lisans
ve
Atılım
Üniversitesi
tarafından desteklenmiştir.(Proje No: LAPA-111201) Derslerin yürütülmesine ve proje
çalışmalarımıza
verdikleri
katkılarından
dolayı Zuhal Erden, Cahit Gürel, Emre
Günel, Doğanç Küçük ve Meral Aday’a
teşekkür ederiz.
Böylece sistemin pozisyon bilgisi yani sapma
açısınınsa ve yunuslama açısında meydana
gelen hareket için kontrolcü tasarlanacaktır.
7.KAYNAKÇA
[1] Pflimlin M J , Soueres P, ve Hamel T. (2004),
kalma
“Hovering flight stabilization in wind gusts
esnasında meydana gelen hareketi kontrol
for ducted fan UAV”,43rd IEEE Conference
edilecektir. Bu sayede sistem havada asılı
on Decision and Control
Böylelikle
sistem
havada
asılı
kalacaktır ayrıca sistemin dikey olarak iniş
[2] Chriette A , “An analysis of the zero-
ve kalkış görevini başarıyla tamamlayacaktır.
dynamics for visiual servo control of a ducted
Ayrıca tasarlanan kontrolcü sayesinde sistem
fan
kalkış hareketinin sonra yatay olarak hareket
Conference on Robotics and Automation
etme
kabiliyetini
sağlayacaktır.
UAV”(2006),IEEE
International
Uzak
[3] Bras L F, Mahony R,Hamel T ve Binetti P,
gelecekte ise ağırlık merkezi ile yönelim
(2006),“Adaptive filtering and image based
konusu incelenecek ve sisteme uyarlanmaya
visual servo control of a ducted fan flying
çalışılacaktır. Bu sayede sistem yunuslama
robot
ve yuvarlanma eksenlerindeki hareketleri
Congerence on Decision & Control ,
”
Proceedins
of
the
45thIEEE
kontrol edile bilecektir. Ayrıca, şu anda
[4] Changhong W, Yuanwei L, Boqi X ve
tasarlanan kanallı pervane sistemi iki adet
Guoxing Y (2010), “Modeling Control and
döner kanat parçası kullanmaktadır ancak
Flight testing for a Sauncer Ducted Fan
bahsedilen bu döner kanatların
UAV”,IEEE Conference on Decision and
gelecekte,
Control
[5] Naldi R, Marconi L ve Sala A (2008) BarCohen, Y, “Modeling and Control of a
Miniature Ducted-Fan in Fast Forward
Flight”, American Control Conference
(Erişim: 13-06-2008)
[6] Marconi L.ve Naldi R.(2006) “ Nonlinear
Robust Control of a Reduced –Complexity
Ducted MAV for Trajectory Tracking”
Procedings of the 45th IEEE Conference
On Decision and Control
[7] Pflimlin M , Binetti P Soureres P Hamel T
Trouchet D (2010) “ Modeling and alttitude
control analysis of a ducted-fan micro aerial
vehicle”
http://www.elsevler.com/locate/conengrac
(Erişim:27.10.2009)
[8] Pflimlin M, J, Hamel T, Soueres P, Mahony,
R (2006) , “ A Hierarchical Control Strategy
for the Autonomous Navigation of a Ducted
Fan Flying Robot” ,Proceedings of the IEEE
Internation conference
BÜYÜK DÖRT ROTORLU İNSANSIZ HAVA ARACI TASARIMI
Ahmed AKSAL, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Kutluk Bilge ARIKAN, kbarikan@ atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
ÖZET
ABSTRACT
Bu makalede, dört adet döner kanatları ile dikey
This paper presents a quad rotor robotic system
olarak havalanabilen, yönelim ve seyir denetimini
with a high mass and inertia which could
sağlayabilecek eyleyicilere sahip yüksek kütleli
vertically hover, and has actuators for providing
ve ataletli bir robotik sistem sunulmaktadır.
orientation and navigation control. The aim of the
Sistemin
taşıyabilecek
design is developing a flying platform which has
kapasitede olan uçan robotik bir platform
load carrying capacity. Four rotor helicopter
geliştirmektir. Dört rotorlu helikopter olarak
platform as known as quad-rotor consists of a pair
bilinen bu alışılmış platform, bir çift ters yönlere
of a counter rotating propellers, body is
dönen pervanelerden oluşur, ağırlık merkezine
symmetrical according to center of gravity of the
göre simetriktir ve ağırlık merkezi sistemin
system ant it is coincident with the body
referans eksenlerine çakışıktır. Sistemin mekanik
reference frame. Mechanical design of the system
tasarımı detaylı şekilde anlatılmıştır. Sistemin
is described in detail. By neglecting the
aerodinamik özellikleri ihmal edilip, onun yerine
aerodynamic properties, instead a linear equation
hız kontrol ünitelerinin çalışma rejimleri ile itki
is fitted by using the relationship between duty
kuvveti
denklem
ratio and thrust force. Mathematical model of the
oluşturulmuştur. Sistemin matematiksel modeli
system is stated by using Newton-Euler dynamic
Newton-Euler
equations of motion.
tasarım
amacı
arasında
dinamik
yük
doğrusal
hareket
denklemleri
kullanılarak belirtilmiştir.
ANAHTAR KELİMELER: Uçan Robot, Dikey
KEYWORDS: Flying Robot, Vertical Take Off
Landing, Newton-Euler, Attitude Control
Kalkış ve İniş, Newton-Euler, Yönelim Denetimi 1. GİRİŞ
Günümüzde dört rotorlu döner kanatlı dikey iniş
kalkış yapabilen platformlar üzerine yoğun
çalışmalar yapılmaktadır. Günümüzde, bu tip
sistemler “sıradan sistemler” olarak adlandırılır
ve genellikle algılayıcı platformlar olarak, arama,
tarama
ve
tanımlama
amacıyla
kullanılır.
*Elemanların yerleşim düzeni
*Titreşim azaltıcı çalışmalar
*Sistemin yapısal güvenilirliği
Araştırmanın amacı ise bu platformları yük
*Malzeme seçimi ve bunun laboratuar ve atölye
taşıma araçları haline getirebilmektir. Örnek
imkânları doğrultusunda üretilebilirliği
verilirse sıradan sistemler 400 gr yük taşıma
Ön planda tutularak sistem tasarımı, mühendislik
kapasitesine sahiptir. Halbuki tasarlanan bu
çizim, benzetim ve sonlu eleman yöntemi
platform 1 kg yük taşıma kapasitesine sahiptir.
programları kullanılarak sistem iyileştirildi.
Ayrıca sistem dışarıda, rüzgar ve benzeri rahatsız
edicilerden etkilenmeyecek şekilde tasarlanmıştır.
İleriki bölümlerde mekanik tasarımdan detaylı
2.1 Frekans Analizi
şekilde bahsedilmiş ve matematiksel model
Sistemin ana elemanları, motorlar ve koruma
belirtilmiştir. Sistemin, enerjisini verimli şekilde
elemanları yerleştirildikten sonra sistemin ana
kullanabilmesi ve dış etkilerden korunabilmesi
boyutları üzerinden tasarıma başlandı. Şekil 1’de
için optimal denetimci yöntemleri kullanılmalıdır.
Solidworks®’un frekans analiz raporundan elde
Bu sayede yük taşırken oluşacak atalet ve kütle
edilen bir resim verilmiştir.
değişimleriyle daha az enerji harcayarak başa
çıkılabilir.
2. YAPISAL TASARIM
Sistem tasarımına laboratuarda bulunan Hacker
A50-14s fırçasız motorlar ve Thunderbird 54
elektrik fırçasız motor kontrol üniteleri temel
alınarak
başlandı.
İlk
olarak
motorlardan
alınabilecek maksimum kuvvetler DriveCalc®
istatistiksel simülasyon programı kullanılarak
tahmin edildi ve sistem için (15x8) pervaneler
seçildi. Buna göre sistemin ağırlığı belirlendi.
Tasarım kısıtlamaları olarak:
*Ağırlık kısıtlamaları
Şekil 1.Solidworks® Frekans Analiz Ekranından
Görüntü
Frekans analizinde dikkat edilmesi gereken
husus, sistemin yapısal tınlaşım frekanslarının,
Tablo 2. Frekans Analiz Sonuçları
Mod
Numarası
Rezonans
frekansı(rad/s)
Rezonans
frekansı (Hz)
olabildiğince
1
134.46
21.4
uzaklaştırılmasıdır [1,2]. Bu sebeple sistem,
2
134.47
21.401
motorların
3
140.51
22.363
4
150.89
24.015
5
163.75
26.062
robotun havada asılı kalması sırasında oluşan
motor
titreşimlerinden
olduğu
bölgelerden
benzetim
programında sabitlenmiş ve çözüm sonuçları
birbirlerine
yaklaşana
kadar
ağ
boyutları
küçültülüp
benzetim
tekrarlanmıştır
[3,4].
Sistemin analizi yapılırken kullanılan çözücü
özellikleri ve ağ sayıları Tablo 1’de belirtilmiştir.
Maksimum görülen frekans motorların dönüş
frekansından
yeterli
ölçüde
uzak
olduğu
görülmektedir.
Tablo 1. Sonlu Eleman Çözücü Özellikleri
Kullanılan Ağ
Standard Ağ
Jacobian Noktaları
4
Eleman Boyutu
10.2568mm
Tolerans
0.512838mm
Ağ kalitesi
Yüksek
Toplam boğum
46566
2.2 Statik Analiz
Sistemin matematiksel modeli kurulurken katı
model varsayımı yapılabilmesi için, sistemin
motorları
tarafından
üretilen
kuvvetlere
dayanabilmesi yanı sıra esneme miktarının da
tespit edilmesi gerekmektedir. Bu sebepten ötürü,
motor tutuculardan, motorların teorik olarak
Sistem, havada asılı kalırken gereken kuvvetleri
üretebileceği maksimum kuvvet uygulanarak
üretirken motorların dönüş hızları ve motorların
sistem analizi yapıldı. Bu analiz sonucu, sistemin
ulaşabileceği
ağırlığı,
maksimum
dönüş
hızları
güvenilirlikten
ödün
vermeden
belirlenmiştir. Motorların dönüş hızları 523.6
azaltılmaya çalışıldı. Tablo 3’te bu analiz sonucu
rad/s
elde edilen sonuçlar belirtilmiştir.
ile
1256.64
rad/s
arasında
olduğu
DriveCalc® programı kullanılarak belirlendi.
Solidworks®
programında
yapılan
sonuçları Tablo 2’de belirtilmiştir.
analizin
üretildi. Sistemin tamamlanmış prototipi ve
Tablo 3. Statik Analiz Sonuçları
İsim
Tip
En az
En çok
Basınç
Von
0.23N/m2
3.2*107
Mises
Kaydırım
yerleşim düzeni Şekil 2’de görülebilir.
N/m2
Bileşke
0
3.32 mm
Kaydırım
Yukarıdaki analizler sonucu, uygulanan kuvvetler
sonucu meydana gelen basınçlara dayanabilen
malzemeler
miktarının
seçilmelidir.
milimetre
Ayrıca
mertebesinde
kayma
olması
Şekil 2. Üretilen Prototip
nedeniyle katı model varsayımının geçerli olduğu
görülmektedir. Seçilen malzemeler Tablo 4’te
belirtilmiştir.
3.MODELLEME
Projenin tasarım kısmında, ilerideki kontrol
Tablo 4. Ana Gövde İçin Seçilen Malzemeler
aşamalarına
dikkat
edilip
buna
göre
yol
alınmıştır. Kontrol edilebilir bir sistem tasarımı
İsim
Malzeme
Amaç
Boyut
Gövde
6063-T5
Ana
100x100x
gerekli basitleştirmeleri yapabilmek için bazı
30 cm
varsayımlara gidilmesi öngörülmüştür. Bunlar;
alüminyum elemanları
tutmak
Motor
6082-T6

Motor ve 102.11x40
Tutucu alüminyum gövdeyi
birbirine
bağlamak
hedeflenmiştir

x13
mm

Seçilen bu malzemeler ile sistemin ana gövde ve
motor tutucularının tasarımı tamamlandı ve

ve
sistem
modellenmesinde
Sistemin fiziksel karakteristiğinin katı kabul
edilmesi
Sistemin tamamen simetrik olması sonucu
eylemsizlik matrisinin köşegen kabul
edilmesi
Döner kanatların ürettiği kuvvetlerin,
kanatların dönüş hızlarının karesiyle doğru
orantılı kabul edilmesi sonucu yapılan
yaklaşımın aerodinamik davranışa yakın
olması
Havada asılı kalma durumu
Şekil 3’te sistemin genel durumu görülebilir,
“b” gövde için “e” ise yerin referans
eksenlerini belirtmek için kullanılmıştır.
(10)
Sistemin genel durum vektörü ise aşağıdaki
gibidir.
(11)
Sistemin itki kuvvetleri ise motorların itki
kuvvetleri ve hız kontrol ünitelerinin PWM
sinyallerinin çalışma rejimleri arasında cebirsel
denklem tanımlanarak elde edilmiştir. Şekil 4’te
motor kontrol ünitelerine verilen çalışma rejimleri
ile itki kuverleri arasındaki ilişki gösterilmiştir.
Şekil 3. Genel Durum[5]
Gövde hareket algılayıcıları referans eksenine
yerleştirileceği için alınan veriler yerin referans
ekseniyle bağıntılı olmalıdır. Bu sebeple sistem
uygun dönüş matrisleriyle çarpılmalıdır [5].
(1)
(2)
(3)
Sonuç olarak çeviri matrisi Eşitlik 4’teki gibi
yazılır.
R=RxRyRz
Şekil 4. İtki Kuvvetleri ve Hız Denetim Üniteleri
Arasındaki İlişki
(4)
Sistem ekseni üzerindeki çizgisel hız oranı
bileşenlerine ayrılmış ve Eşitlik 5’te verilmiştir.
Bu
değerler
kullanılarak
Matlab®
birinci
Curve
dereceden
Fitting
Tool
denklemlere
dönüştürülmüştür. Kuvvetleri birimi Newton’dur.
(7)
(8)
(9)
F1=2.382*rejim-83.49
(12)
F2=2.323*rejim-80.76
(13)
F3=2.339*rejim-80.34
(14)
F4=2.024*rejim-67.7
(15)
Dolayısıyla, toplam itki kuvveti şu şekilde ifade
edilir:
(16)
(21)
Ve moment kuvvetleri aşağıdaki denklemlerle
Girdi
belirlenir:
(17)
matrisi
B,
dört
motorun
rejimlerinden oluşan girdi vektörü u, ve Jacobian
metodu kullanılarak doğrusallaştırıldı.
(18)
(19)
çalışma
( 22)
Ve,
Burada L, motorlar ile sistemin ağırlık merkezi
(23)
arasındaki uzaklık olarak belirlenmiştir ve bu
uzaklık 0.4 metredir. Bir sabit sayı olan “c” ise
GX-2 ataletsel ölçüm algılayıcısı kullanılarak
itki kuvvetleri ve gövdenin dikey ekseni etrafında
sistemin
oluşan momentle ilgili bir kat sayıdır.
ölçülebilmekte olduğu için C matrisi 6x6 özdeşlik
Böylece doğrusal olmayan dinamik denklemler
belirlenmiştir.
üç
eksenindeki
açılar
ve
açılar
matrisi haline gelir. Düz geçiş matrisi D ise,
sistemin girdi ve çıktıları arasında doğrudan bir
bağlantı olmadığı için sıfır alınır. Böylece çıkış
matrisi aşağıdaki gibidir.
3.1Dinamik Denklemlerin Doğrusallaştırılması
Dinamik denklemler sistemin havada asılı kalma
durumu baz alınarak, jacobianlar kullanılarak
doğrusallaştırılma yöntemi izlenmiştir.
(20)
Verilen n genel durum denklemi, y=f(x), ve n
genel durum değişkeni x1,…,xn, kullanılarak
jacobian
hesaplanır;
matrisi
aşağıda
gösterildiği
gibi
(24)
p: yunuslama açısal hızı,
q:yuvarlanma açısal hızı,
r: rota açısal hızı,
yunuslama açısı,
: yuvarlanma açısı,
rota açısıdır.
Handan Kara, Mehmet Çakmak ve Mehmet
4.SONUÇLAR
Bu makalede dört adet döner kanatlı, dikey olarak
Aday’a teşekkür ederim.
sağlayabilecek eyleyicilere sahip yüksek ataletli
robotik sistem tasarımı ve detayları ile ilgili
yapılan çalışmalar anlatılmıştır. Sistemin fiziksel
ve matematiksel modeli tamamlanmış, sistem
parametreleri
ölçülüp
denetimci
üzerine
çalışmalar yapılacaktır.
ataletsel değişimlere dirençli olan denetimci
yöntemleri uygulanmak daha isabetli bir yöntem
olur [6]. Bu yöntemlerden bazıları “Gürbüz
Denetimci” ve “H∞ Denetimci” algoritmalarıdır
Tasarlanan
[1] Kelly, Graham S., (2012), “Mechanical
Vibrations Theory and Applications”, 200
First Stamford Place, Stamford, CT06902,
Cengage Learning
[2] Krodkiewski, J., M.,(2008), “Mechanical
Sistem yük taşıma amaçlı olarak tasarlandığı için
[7].
KAYNAKÇA
MATLAB
http://www.mech.eng.unimelb.edu.au/dynam
ics/14lec.pdf
(Erişim: 16.11.2011)
ve
[3] Budynas, Richard G.,Nisbet,Keith J,(2008),
Simulink yazılımları ile benzetim çalışmaları
“Shigley’s Mechanical Engineering Design”,
yapılacaktır. Tasarlanan denetleyici ve benzetim
New Yory, NY10020 , McGraw - Hill
ortamındaki uyum test edilecek, bu doğrultuda
Compaines,Inc.
denetleyicide
denetimciler
Vibration”,
düzenlemelere
gidilecektir.
Denetleyici tasarımı ve ilgili uçuş testleri,
bundan
çalışmanın
sonraki
aşamalarını
oluşturacaktır.
[4] Roylance, D., (2001), “Finite Element
Analysis”,
http://ocw.mit.edu/courses/materials-scienceand-engineering/3-11-mechanics-ofmaterials-fall-1999/modules/fea.pdf
(Erişim:16.11.2011)
TEŞEKKÜR
Bu
araştırma,
[5] Kıvrak, Arda Ö., (2006), “Design of Control
MECE
407-408
Lisans
ve
Atılım
Üniversitesi
Derslerin
yürütülmesine
ve
proje
çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı Anıl
Güçlü, Mete Aydemir, Cahit Gürel, Meral Aday,
Systems For A Quadrotor Flight Vehicle
Equipped With Inertial Sensors”,
acikarsiv.atilim.edu.tr/browse/156/168.pdf
(Erişim: 10.03.2012)
[6] Kirk, Donald E. , (1998) , ” Optimal Control
Theory: An Introduction”,Dover Publications
[7] Pounds P., Mahony R. ve Corke P., (2010),
“Modelling and Control of a Large Quadrotor
Robot”, Control Engineering Practice,Vol.
18, pp. 691-699, Elsevier.
YUSUFCUK BÖCEĞİNİN KANAT HAREKETLERİNİ TAKLİT EDEN
ROBOT TASARIMI VE ÜRETİMİ
Alper TÜRKER, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Mustafa Said AKSAL, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
Abdulkadir ERDEN, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara
imitates the wing locomotion of the dragonfly.
Also this project was done under the MECE 407
ÖZET
and MECE 408 under graduate research project
Bu bildiri MECE 407 ve MECE 408 mezuniyet
öncesi araştırma projesi dersleri kapsamında
yusufçuk böceğinin kanat hareketlerini taklit
etmek
için
tasarlanan
ve
üretilen
çeşitli
prototiplerle ilgili bilgi içermektedir. Ayrıca,
bildiride yusufçuk böceğinin kanatlarının açı
değişimleri ve kanat kinematiği de bildiride
bulunmaktadır. Bundan başka, geliştirilen servo
motorlu, kızaklı krank mekanizmalı ve İskoç
mekanizmalı prototipler arasındaki farkları ve
benzerlikleri,
avantaj
ve
dezavantajları
da
bildiriye eklenmiştir. Dahası, Seçilen proje
kapsamında bio-benzetim ile kavramsal tasarım
courses. Moreover, paper includes the wing
kinematic and the angle changes while stroking.
Furthermore, similarities and differences and also
advantages and disadvantages of developed
prototypes, which were made from servo motors,
slider
crank
mechanism
and
scotch
yoke
mechanism, were also discussed. Additionally,
Literature survey about selected project and
description of project were done by using bioinspired conceptual design process (BICD).
KEYWORDS
(BBKT) metodu kullanılarak literatür taraması
Dragonfly like robot, wing kinematic, slider
hazırlanmıştır.
crank mechanism, scotch yoke mechanism, BICD
ANAHTAR KELİMELER:
Yusufçuk benzeri robot, kanat kinematiği, kızaklı
krank mekanizması, İskoç mekanizması, BBKT
1. GİRİŞ
2011 ve 2012 yıllarında MECE 407 ve MECE
408 mezuniyet öncesi araştırma projesi dersleri
kapsamında
yusufçuk
böceğinin
kanat
ABSTRACT
hareketlerini taklit eden bir robot’un yapılması
This paper includes information about designing
planlanmıştır.
and manufacturing a dragonfly like robot which
nedeni, böceğin dünyadaki diğer bütün uçan
Yusufçuk
böceğinin
seçilme
böceklerden daha güçlü olması ve bu sayede çok
hareketi sağlayacak olan mekanizmalar üzerine
üstün manevra kabiliyetine sahip olmasıdır.
yapılmıştır.
Öyle ki, yusufçuk böceği bu üstün gücü
nedeniyle avlarına havada angaje olabilir, havada
180 derecelik çok keskin dönüşler yapabilir ve
hatta bazı türleri saatte 90 kilometre hızlara
ulaşabilir [1]. Yusufçuk böceğinin bu bahsedilen
üstün hareket ve kaldırma kuvvetleri Mece 407 ve
Mece 408 dersleri kapsamında proje olarak
seçilmesinin temel nedenleridir. Dahası proje
esnasında
bio-benzetim
(bio-esinlenme)
kavramsal tasarımı kullanılarak projenin tanımı
hazırlanmıştır. Ayrıca proje esnasında yusufçuk
böceğinin kanat hareketlerini taklit edebilecek
çeşitli tipte çözümler üretilmiş ve denemmiş ve
sonuç olarak içlerinden en iyisi seçilmiştir. Buna
ek olarak projede yalnızca yusufçuk böceğinin
kanat hareketlerine ve kanatlarının şekil ve
boyutlarına odaklanılmıştır. Bu yüzden yusufçuk
2. ARAŞTIRMA PROJESİNİN HEDEFLERİ
VE MOTİVASYONU
Bilindiği üzere insansız hava araçları günümüzün
nerdeyse en popüler mekatronik ürünlerindendir.
Bu kadar popüler olmalarının nedeni, ucuz ve
kullanımlarının göreceli olarak kolay olmasıdır.
Ayrıca insansız hava araçlarını kullanacak olan
personelin eğitim masrafları da insanlı uçaklara
göre daha azdır. Bu özellikleri nedeniyle insansız
hava araçları kendilerine sivil ve askeri birçok
uygulamada yer bulmuşlardır. Özellikle askeri
uygulamalarda personel kaybı riskini yüksek
olduğu operasyonlarda keşif, gözlem, istihbarat
ve düşman kuvvetlere müdahale görevlerini etkili
şekilde yerine getirmektedir.
böceğinin aerodinamik veya uçuşunu etkileyen
Operasyonel özelliklerinden dolayı insansız hava
başka özellikleri incelenmemiştir.
araçları özellikle askeri kullanımlarda kullanıcıya
Proje kapsamında geliştirilen prototipin uçması
planlanmamış sadece yusufçuk böceğinin kanat
hareketlerini taklit edecek bir masa üstü model
olması planlanmıştır ve çalışmalar bu doğrultuda
yapılmıştır. Bütün bunlara ek olarak MECE 407
ve MECE 408 dersleri kapsamında bio-esinlenme
laboratuarında daha önce benzeri bir çalışma
olmadığından ötürü çok detaylı bir literatür
taraması yapılmıştır ve bu tarama önceden de
bahsedildiği gibi sadece kanat kinematiği ve
birçok avantaj sunmaktadır ve görevleri yerine
getirmekte genellikle iki farklı tip insansız hava
aracı kullanılmaktadır. Bunlar sabit kanatlı ve
döner kanatlı olmak üzere iki tipe ayrılmaktadır.
Birçok avantajının yanı sıra bu tip platformların
askeri kullanımlarda önemli bir dezavantajı da
vardır. Bu da radara yakalanmamalarına rağmen
özellikle gün ışında düşman tarafından kolaylıkla
çıplak gözle tespit edilmeleri ve pahalı olmayan
sistemler aracılığı ile etkisiz hale getirilmeleridir.
Bunun nedeni insansız hava araçlarının ne kadar
yıllarını
küçük de olsa göze yapay görünmeleri ve bu
kanıtlanmış, Akira Azuma’nın çalışmalarından
yüzden kolaylıkla tespit edilmelerine neden
faydalanılmıştır.
olmaktadır
insansız
fakat
hava
araçları
konvansiyonel hava araçları gibi değil de bir
böcek gibi kanat çırparak havada kalabilseler
tespit edilmeleri güçleşecektir.
harcamış
olan
ve
güvenirliliği
Yusufçuk böceğinin kanat hareketleri genel
olarak iki tip açı değişimi ihtiva etmektedir.
Bunlar kanadın hücum açısının değişimi ve
çırpınma esnasında kanadın gövde ile yaptığı açı
Bu sebeple projenin amacı ve motivasyonu,
değişimi olan çırpınma açısıdır.
insansız hava araçlarına bir biyolojik canlı
görünümü vererek onlara havada dahi olsalar
kamuflaj sağlamak ve aracın tespit edilmeden
düşman bölgesi üzerinde operasyonuna devam
etmesini sağlamaktır.
3. LİTERATÜR TARAMASI
Önceden de belirtildiği gibi yusufçuk böceğinin
kanat hareketlerini taklit edecek olan robot masa
üstü bir model olarak tasarlanmış ve uçmaması
planlanmıştır
ve
literatür
taraması
da
bu
doğrultuda sınırlandırılmıştır. Literatür taraması
Şekil 3.1. Yusufçuk böceğinin kanatlarının
genel olarak üç kısımdan oluşmaktadır bunlar
hücum ve çırpınma açısı değişimleri [3]
kanatların çırpınma esnasındaki açı değişimleri,
kanatların şekli ve boyutları ve ayrıca kanat
açılarını taklit edecek olan mekanizmadır. Bu
bağlamda öncelikle kanatlardaki açı değişimleri
incelenmiştir.
Şekil 3.1 de görüldüğü üzere yusufçuk böceği
kanatlarını aşağı doğru çırparken kanatların
hücum açısı nerdeyse yüzeye paralel olacak
şekilde döndürmekte ve bu sayede kanatların
İklim koşulları nedeni ile laboratuarımızda
havayla temas eden yüzey alanını artırarak
bulunan yüksek hızlı kamera yusufçuk böceğini
maksimum kaldırma kuvveti elde etmektedir.
doğada bulamadığımızdan, dolayı kullanılamamış
Ayrıca yukarı çırpınma esnasında ise kanat
açı
literatürden
hücum açılarını artırarak kanatların havayla temas
sağlanmıştır. Bu bağlam da literatürde bu konuda
eden yüzey alanını azaltmakta ve bu sayede
değişimleri
direk
olarak
kanatlara
etki
eden
hava
sürtünmesini
düşürmektedir.
değişimleri çalışmalarında verdiği grafiklerden
elle cetvel ve pergel kullanılarak çıkarılmıştır.
Bahsedilen bu hücum açısı değişimi böceğin
uçmasını sağlamaktadır aksi taktirde böcek aşağı
ve yukarı çırpınma esnasında birbirine zıt
üreterek
kuvvetler
gelecektir.
uçması
Literatürde
imkansız
kanatların
Tablo 3.1. Hareket periyotuna göre hücum
açısı değişimleri
hale
Ön
çırpınma
Arka
Periyot
kanat(derece)
kanat(derece)
0
-46,35
26,27
T/16
7,73
18,85
T/8
15,45
24,41
yusufçuk böceği ön ve arka kanatlarını faklı
3T/16
16,1
33,9
fazlarda çırpabilmekte ve bu durum böceğin
T/4
20,1
52,53
istenilen açıya dönmesini sağlamaktadır. Ancak,
5T/16
30,9
23,17
yusufçuk böceği ön ve arka kanatlarını aynı fazda
3T/8
49,5
7,42
çırparak
7T/16
71,7
6,18
T/2
61,5
-15,45
9T/16
22,25
-26,88
5T/16
9,27
-34,3
1,5
-49,44
3T/4
-9,25
-47,82
13T/16
-24,72
-15,75
-50,9
1,55
-74,16
6,18
-46,35
26,27
esnasında
esnemesi
tarafından
de
incelenmiş
birçok
araştırmacı
fakat
konunun
karışıklığından dolayı projeye dahil edilmemiştir.
Ayrıca
literatürden
maksimum
edinilen
kaldırma
bilgilere
kuvveti
göre
elde
etmektedir [4].
Bu bağlamda üretilen maksimum kuvvetin
etkilerini de gözlemlemek ve farklı fazlardaki
çırpınmanın getirdiği karışıklardan sakınmak için
11T/16
üretilecek olan prototipin ön ve arka kanatları
aynı fazda çırpınacaktır. Literatürden edinilen
7T/16
bilgilere göre yusufçuk böceği ani dönüşler için
dört
kanadından
birini
dönüş
esnasında
15T/16
T
çırpınmadan sabit şekilde tutabilmektedir [5].
Ancak prototipteki mekanizma kompleksliğini
azaltmak için bu konu projeye dahil edilmemiştir.
Tablo 3.1 de görülen açı değişimi Excel programı
Önceden de bahsedildiği gibi açı değişimleri hem
kullanılarak grafik haline getirilmiştir ve aynı
hücum açısı hem de çırpınma açısı direkt olarak
işlem
Akira Azumanın çalışmalarından elde edilmiştir.
uygulanmıştır. Görüldüğü üzere hücum açısı
Fakat Azuma açık bir şekilde hücum ve çırpınma
değişimleri düzgün bir sinüzoidal dalga değildir.
açı değişimlerini paylaşmadığından dolayı, açı
çırpınma
açısı
değişimleri
içinde
ve bu uygulamada mekanizma tipine bağlı olarak
Tablo 3.2. Hareket periyotuna göre çırpınma
problemler çıkabilmektedir.
açısı değişimleri
Ön
Periyot
Arka
kanat(derece)
kanat(derece)
0
-44,8
-8
T/16
-41,5
12,8
T/8
-33,6
25,6
3T/16
-20,8
38,4
T/4
-3,2
48
5T/16
16
47
3T/8
30,4
40
7T/16
38,4
27,2
T/2
40
9,2
9T/16
36,8
-6,4
5T/8
28,8
-22,4
11T/16
14,4
-36
3T/4
-3,2
-43,2
13T/16
-20,8
-41,8
7T/16
-32,8
-36,8
15T/16
-43,2
-22,4
-44,8
-8
Şekil 3.2. Ön kanat hücum açısı değişimi grafiği
T
Tablo 3.2 de ise ön ve arka kanat için çırpınma
açısı
değişimleri
verilmiştir.
Buradan
da
anlaşılacağı gibi çırpınma açısı değişimleri
Şekil 3.3. Arka kanat hücum açısı değişimi
hücum açısı değişimlerine nazaran çok düzgün ve
grafiği
prototip tarafından taklit edilmesi göreceli olarak
Şekil 3.2, Şekil 3.3, Şekil 3.4 ve Şekil 3.5 deki açı
daha kolaydır. Her ne kadar hem hücum açısı
değişimleri
değişimlerinde
mekanizma
tipine
göre
çeşitli
bilgisayar yazılımları kullanılarak düzeltilmiştir.
hem
de
çırpınma
açısı
değişimlerinde ön ve arka kanat arasında faz farkı
olsa da masa üstü platformunda mekanizmaya
bağlı olarak açılar aynı fazda uygulanacak veya
gerçek kanat boyutunun nerdeyse beş katı
farklı fazlar taklit edilecektir. Burada belirleyici
kullanılmıştır. Kanatlar önceden de bahsedildiği
unsur mekanizmanın tipi ve eyleyicilerin bu faz
gibi ön kanat ve arka kanat olarak ikiye
farkını taklit edip edemeyeceği ile alakalıdır.
ayrılmıştır ve ön ile arka kanatların şekli ve
boyutları farklıdır. (Şekil 3.6. ve Şekil 3.7)
Şekil 3.6. Yusufçuk böceği ön kanadı [6]
Şekil 3.4. Ön kanat çırpınma açısı değişimi
grafiği
Şekil 3.7. Yusufçuk böceği arka kanadı [6]
Bu
kanat
şekilleri
ve
boyutları
yusufçuk
Şekil 3.5. Arka kanat çırpınma açısı değişimi
böceklerinin türlerine ve yaşadıkları ortama göre
grafiği
hem boyut hem de şekil açısından farklılık
Kanat boyutları ve şekli direkt olarak literatürden
göstermektedir. Fakat prototip kapsamında açı
alınmıştır ve bazı prototiplerde bir’e bir ölçü
değerlerinin de alındığı sıkça bulunan bir tür olan
kullanılırken bazı modellerde yaklaşık olarak
Sympetrum vulgatum’un kanatları kullanılmıştır.
Bunlara ek olarak açı değişimlerini taklit edecek
Bütün bunlara ek olarak literatürde yusufçuk
mekanizmayla
taraması
böceği tarzı robot üretimi ile ilgili yapılan
yapılmıştır ve göreceli olarak yüksek frekanslı açı
çalışmalarda malzeme olarak büyük ölçüde hafif
değişimlerini taklit etmek için kızaklı krank
ve dayanıklı malzemeler kullanılmıştır. Bu
mekanizmasının
malzemeler genellikle robot gövdesinde karbon
da
ilgili
iyi
bir
literatür
çözüm
olduğu
görülmüştür.
fiber tüpler ve alüminyumdur. Bazı kısımlarda
Çünkü doğada yusufçuk böcekleri kanatlarını 20
ila 90 hertz arasında çırpmaktadır ki bu çok
yüksek bir frekans aralığıdır ve bu frekans
değerlerine çıkmanın en etkili hızlı ve ucuz
yöntemi kızaklı krank mekanizması kullanmaktır
hızlı
prototiplendirme
makinesinde
üretilen
parçalar kullanılmıştır. Kanatlarda is genellikle
termal yazıcılarda işlenen polyester filimler
kullanılmaktadır. Literatürden elde edilen açı
değişimleri, mekanizma yapısı ve kullanılan
malzemeler ve kanat şekli ve boyu hakkındaki
[7].
bilgiler kullanılarak çeşitli uçmayan, masaüstü ve
yusufçuk böceğinin yalnızca kanat hareketlerini
taklit eden farklı mekanizmalara sahip prototipler
Şekil 3.8 deki yapı ve Denklem 3.1 ve Denklem
3.2 kullanılarak geliştirilmiştir.
4.1 Kanat tasarımı
Daha öncede belirtildiği gibi kanatların boyutları
ve şekilleri direkt olarak literatürden alınmıştır.
Bu bağlamda Şekil 4.1.1 ve Şekil 4.1.2 de
görüldüğü gibi çeşitli prototipler için kanatlar
CATIA programı kullanılarak çizilmiştir. Örneğin
servo motor kullanan masa üstü platformu gerçek
yusufçuk böceğinin beş katı büyüklüktedir bu
Şekil 3.8. Kızaklı krank mekanizmasının şematik
yüzden kanatlar da gerçeğinden beş kat büyüktür.
çizimi [7]
Ancak kızaklı krank mekanizması kullanan
z = r * cos(q )+l * cos(sin^-1(r=l * sin(q ))) (3.1)
sistemde
ise
kanatların
bire
bir
ölçüleri
kullanılmıştır. Aynı zamanda mühendislik çizimi
f = tan^-1((h-b-z)=a)
(3.2)
yapılan bu kanatlar polyester film benzeri bir
malzemeden lazer kesim makinesi ile kesilerek
olarak servo motorlar Arduino mikro kontrolcü
üretilmiş ancak lazerin gücü kanat malzemesini
ünitesi ile sürülmüştür ve açı değişimleriyle ilgili
yakmaması için düşürülmüştür.
bilgi
sisteme
buradan
sağlanmıştır.
Servo
motorların seçilmesinin sebebi bu tip motorların
mikro
kontrolcülerle
sürülmelerine
olanak
kolay
bir
şekilde
sağlamalarıdır.
Ayrıca
birbirinden bağımsız sekiz servo ile ön ve arka
kantlar arasındaki çırpınma ve hücum açısı
değişimi farklı fazlarda da çalıştırıla bilmektedir.
Bunlara ek olarak servo motorların literatür
çalışmasından
Şekil 4.1.1. Ön kanat CATIA çizimi
elde
edilen
açı
değerlerine
ulaşması için bir yazılım yazılmış ve sisteme
uygulanmıştır. Bunun dışında sistemin kanatları
polyester film benzeri bir malzemeden yapılmış
gövdesi ise kalınlığı yerine göre farklılık gösteren
pleksiglas’tan
yine
lazer
kesim
cihazında
kesilerek üretilmiştir. (Şekil 4.2.1)
Şekil 4.1.1. Ön kanat CATIA çizimi
4.2 Servolu Prototip
Adından da alışılacağı üzere bu prototip çırpınma
ve hücum açısı değişimlerini taklit etmek için
servo motorlar kullanmaktadır. Hücum açısı için
birer adet ve çırpınma açısı içinde birer adet
olmak üzere prototipte toplam olarak sekiz mikro
servo kullanılmıştır. Ayrıca servoların boyutları
Şekil 4.2.1. Servolu yusufçuk prototipi
4.3 Kızaklı krank mekanizmalı prototip
nedeniyle prototipin büyüklüğü gerçek yusufçuk
Bu prototip adından da anlaşılacağı gibi açı
böceğinin yaklaşık beş katına çıkarılmıştır. Ek
değerlerini taklit etmek için bir kızaklı krank
mekanizmasına sahiptir. Bilindiği üzere bu
mekanizma dairesel hareketi etkin bir biçimde
doğrusal harekete çevirmektedir.
4.4 İskoç mekanizmalı gelişmiş prototip
Bu
prototipteki
mekanizmalı
mekanizma
prototip
ile
kızaklı
ayni
krank
prensibi
Ek olarak prototipin boyutları Denklem 3.1 ve 3.2
paylaşmaktadır ancak kızaklı krank mekanizması
kullanılarak hesaplanmıştır. Bu sisteme güç,
küçük prototip için fazla titreşim üretmektedir.
harici bir güç kaynağından sağlanmaktadır.
İskoç mekanizması ise hareket eden pistonun bir
yatağının
olmasından
titreşimler
oldukça
geliştirilme
aşamasındadır;
deneyler
ve
dolayı
istenmeyen
azalmaktadır.
gözlemler
ancak
sonucu
Hala
yapılan
en
uygun
mekanizma olarak seçilmiştir. Bu sistemde
kızaklı krank mekanizması gibi doğrudan harici
güç kaynağı ile beslenmektedir.
5.
SONUÇLAR
VE
GELECEKTEKİ
ÇALIŞMALAR
Geliştirilen prototipler ışığında, kanatlarla ilgili
Şekil 4.3.1. Kızaklı krank mekanizmalı yusufçuk
hem boyut hem de şekil olarak hiçbir problemle
karşılaşılmamıştır.
prototipi
Servolu
prototip
ise
geliştirilen
protoipler
arasında açıları en iyi şekilde taklit etmesiyle öne
Şekil 4.3.1 de görülen sistem üzerinde kızaklı
çıkmıştır. Ek olarak servolu prototip kanatların
krank mekanizması test edilmiş ve daha küçük
farklı
olan bir prototipe uyarlanmıştır.
sağlamaktadır. Fakat sistem ancak 0.5 ile 1 hertz
Bu
küçük
prototipte
uzaktan
kumandalı
fazlarda
çalışmasına
da
olanak
arsında çalışmaktadır ve öteki prototiplere göre
helikopter parçaları kullanılmıştır fakat sitemin
oldukça
ağır
ve
büyüktür.
Kızaklı
krank
titreşiminin fazla olmasından dolayı kızaklı krank
mekanizmalı ve İskoç mekanizmalı prototipler ise
mekanizması terk edilmiş ve yine aynı prensiple
yüksek frekanslarda servolu siteme göre daha
çalışan İskoç mekanizması kullanılmıştır ve
yüksek performans sağlamıştır ve sistem 2-3
sistemdeki titreşimlerin azaldığı gözlemlenmiştir.
hertz aralığında çalışmıştır. Ancak bu iki sistemde
ön ve arka kanatlar aynı fazda çalışmaktadırlar.
Ek olarak az parça gereksinimi olduğundan bu
sistemler servolu sisteme göre oldukça hafiftir.
KAYNAKÇA
[1] Bomphrey, R. J., 2004, “Dragonfly flight:
Gelecekteki çalışmalar iki ana başlığa ayrılabilir.
Free-flight and tethered flow visualizations
Birincisi yakın gelecek ve ikincisi uzak gelecek.
reveal a diverse array of unsteady lift-
Yakın gelecekte İskoç
bitirilecek
ve
testler
mekanizmalı
sistem
generating mechanisms, controlled primarily
detaylı
şekilde
via angle of attack,” Journal of Experimental
gerçekleştirilecektir. Uzak gelecekte ise sistemin
bütün iskeleti hızlı prototiplendirme makinesinde
Biology, vol. 207, pp. 4299–4323.
[2] Azuma, A., 1984, “Flight Mechanics of a
tekrardan üretilmelidir. Çünkü güncel sistemde
Dragonfly,”
uzaktan
Research,
kumandalı
helikopter
parçaları
kullanılmakta ve bunlar ihtiyacı karşılamaktan
uzaktır. Ayrıca birçok gereksiz ağırlık ve parça
içermektedir.
Institute
Faculty
of
of
Interdisciplinary
Engineering,
The
University of Tokyo, Japan, Tokyo.
Azuma,
[3]
A.,
1996,
“Aerodynamic
characteristics of the wings and body of a
haricinde
Belirtilenlerin
İskoç
mekanizması
kanatları göreceli olarak yüksek frekanslarda
öteki prototiplere göre daha stabil şekilde
çalışmaktadır. Ek olarak detaylı bir çalışma ile
dairesel parçaya farklı merkezli bağlantılar
açılarak ön ve arka kanatlar arasında faz farkı
dragonfly,” Journal of Experimental Biology,
vol. 199, pp. 281–294.
[4] Dickinson, M. H., Lehmann, F. O., and Sane,
S.
S.,
1999,
“Wing
rotation
and
the
aerodynamic basis of insect flight,” Science,
vol. 284, no. 5422, pp.
[5] Hu, Z., 2008, “Design and Experiments of a
elde edilebilir.
Dragonfly-Inspired Robot,” Department of
TEŞEKKÜR
Mechanical
Projeleri
dersleri
I-II
ve
Atılım
Derslerin
yürütülmesine
University
of
Delaware, Newark, DE – US.
kapsamında
[6] Appleton, F. M., 1974, "Dragonflies and
Üniversitesi
flight," Nature Canada, vol.3(3), pp. 25-29.
Engineering,
ve
proje
[7] Sun, M., 2005, “A computational study of the
aerodynamics
and
forewing-hinwing
çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı,
interaction of a model dragonfly in forward
Sayın hocalarımız Yrd. Doç. Dr. Zühal ERDEN,
flight,” Journal of Experimental Biology, vol.
Öğr. Gör. Aylin KONEZ EROĞLU ve Arş. Gör.
208, pp. 3785–3804.
Cahit GÜLER’e teşekkürü bir borç biliriz.
İNSAN YÜRÜMESİNİN KİNEMATİK ANALİZİ
Dalyan KIRBAŞ, [email protected] Atılım Üniversitesi, Ankara
Muhammed SATILMIŞ, satilmis.muhammed@ atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, Ankara
Ruşen YILDIRIM, [email protected] Atılım Üniversitesi, Ankara
Süleyman Can SİVRİOĞLU, sivrioglu.scan@ atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, Ankara
Abdulkadir ERDEN, [email protected] Atılım Üniversitesi, Ankara
ÖZET
Bu
ABSTRACT
çalışmada
hareketinin
In this study, kinematic analysis of human
kinematik analizi biyo benzetim mühendislik
walking motion was made by bio-engineering
yöntemi
sağlıklı
simulation. Five subjects with healthy gait,
yürüyüşü olan denek, yürüyüş bandı üzerinde
walking on a treadmill, fast walking, running,
yürüme,
hareketleri
walking speeds of movements taken from the
literatürden alınan yürüme hızları ile işbu
literature of this movement has been built with
hareketler yaptırılarak hızlı kamera ile açı, hız,
high speed camera angle, speed, time values were
zaman değerleri alınarak analizler elde edilmiştir,
obtained from analyzes based on this analysis, the
işbu analizlerin ortalamaları alınarak fiziksel
physical model is based on the average, were
model çalışmalarına başlanmıştır. Yapılan fiziksel
initiated. Movement of people walking in the
model
yürüyüş
light of the analysis of the physical model at the
hareketinin bire bir aynısını yapmakta aynı
same time making the same shape and size of a
zamanda şekil ve ebat olarak da beş deneğin
one-to-five subjects as the average leg size. After
ortalama bacak ebatlarındadır. İlk olarak PVC
the first prototype to be successful than those
materyalinden
made of PVC material, prototype, plexi-glass
ile
insan
yürüyüş
yapılmıştır.
hızlı
Beş
yürüme,
analizler
ön
adet
koşma
ışığında
üretim
insan
yapılmış
daha
sonrasında ön üretimin başarılı olması dolayısıyla
plastik
cam
materyalinden
gerçek
model
üretilmiştir.
ANAHTAR KELİMELER:
Biyo Benzetim, Kinematik Analiz, İnsan Yürüyüş
Hareketi, Hızlı Kamera.
material thus produced a real model.
KEYWORDS:
Bio-inspired,
Kinematic
Analysis,
Walking Motion, High Speed Camera.
Human
doğrultusunda; normal yürüme 4 km/saat hızında,
1.GİRİŞ
Gerek mühendislik çalışmaları gerekse medikal
çalışmalar olsun, insan yürüyüşü teknolojik ve
bilimsel açılardan incelemeye alınmıştır. İnsan
yürümesine ait çalışmalar genellikle bir kuvvet
algılayıcısı
yardımıyla
incelemelerden
incelenmiş
bulunan
bulgularla
ve
bu
çeşitli
yorumlara uygun veriler ortaya çıkmıştır. Bazı
araştırmalarda, yürüme şekillerini sınıflandırmak
için ve insanın diğer canlılardan ne derece farklı
yürüdüğünü ortaya koymak için çalışmalar
yapılmıştır. Diğer bir alanda ise insan benzeri
robotlar ya da insan üzerine adapte edilebilecek
yapay
bacaklar
yapmak
üzere
araştırmalar
yapılmış ve çeşitli sonuçlara varılmıştır. Bu
projede yürüme ve koşma hareketinin kinematik
analizi yapılmış ve sonuçları ardından gelebilecek
diğer araştırma projelerine kılavuz olarak elde
edilmiştir. Bu çalışmada öncelikli olarak yürüme
analizinin
yapılacağı
çalışma
ortamı
hazırlanmıştır. Bu hazırlıklarda yürüme bandı
kurulmuş, yürüme bandını net bir şekilde kayıt
altına almayı sağlayacak ışık ve kamera düzeni
hazırlanmıştır.
çalışabilen
Kamera
hızlı
hazırlandıktan
2000
kameradır.
sonra,
daha
fps
hız
ile
Çekim
ortamı
önce
yapılan
çalışmalardan elde edilen veriler eşliğinde 18-55
yaş arası ve 55-110 kg olan insan yürüyüşünün
hız değerleri elde edilmiş ve bu değerler
doğrultusunda yürüme bandı ayarlanmış ve bu
bantta yürüyecek denekler bulunmuştur. Denekler
var olan çalışmalardan elde edilen veriler
hızlı yürüme 6.5 km/saat hızla ve koşma 10
km/saat
hızlarla
çekimlere
başlamıştır.
Çekimlerden elde edilen veriler ışığında “Tema
Motion” görüntü inceleme ve işleme programında
gerekli analizler yapılmış ve elde edilen analizler
sayesinde
3
boyutlu
ön
bir
platform
hazırlanmıştır. İşbu çalışmalar insan yürüyüşünün
kinematik
analizinin
elde
edilmesi
için
yapılmıştır. Çalışmanın amacı insan yürüyüşünü
elde bulunan envanterler ile elde etmek ve bu
analizler doğrultusunda fiziksel model yaparak
biyo benzetim mühendislik yöntemi ile insan
bacağının şekil ve davranış olarak bire bir
özelliklerini taşıyan bir fiziksel model imal
etmektir. Bu çalışmanın endüstriyel, medikal ve
savunma
sanayine
yönelik
tasarımlara
ışık
tutmasını ve kuvvet platformu edinilmesi durumu
dahilinde işbu tasarımların oluşumunun ilk
basamağı olması projenin amacıdır. Makalenin
ikinci
bölümünde
bu
projenin
amacı,
motivasyonu, faaliyet alanı ve yöntem biliminden
bahsedilmiştir. Makalenin üçüncü bölümünde bu
araştırmayla ilişkili daha önceki çalışmalar
incelenmiş ve makalenin dördüncü bölümünde
araştırma
açıklanmıştır.
sürecinde
Sonuç
yapılan
bölümünde
çalışmalar
ise
bu
araştırmanın sonucunda elde ettiğimiz verilere, bu
araştırmanın teknolojik gelişmelere katkısı ve bu
araştırmanın mevcut teknoloji ile arasındaki
benzerlikler ve farklara yer verilmiştir.
2.ARAŞTIRMANIN AMACI,
MOTİVASYONU, FAALİYET ALANI VE
YÖNTEM BİLİMİ
kullanılmıştır. Biyo benzetim tasarım; biyolojik
Bu projenin temel amacı, biyo benzetim yöntem
yaratıcı ve yeni yapay ürünler geliştirmeye
bilimini
yönelik tüm faaliyetlerin kümesi (mühendislik ve
kullanarak
insan
yürümesini
etki uyandıran fikirler (yapılar, malzemeler,
süreçler ve fonksiyonlar) ile mühendislik alanında
ve
koşmasını taklit etmektir. Ayrıca, bu projenin
mühendislik olmayan) olarak tanımlanır.[2]
ikincil amacı ise deneyler, toplanılan veriler ve
Çalışmalar sonunda başarılı bir fiziksel model
kinematik
oluşturulması ve insan bacağının kinematik
hesaplamalar
yardımıyla
bir
simülasyon oluşturmaktır. Elde edilen simülasyon
hareketlerinin
ve veriler dahilinde oluşturulacak olan ön
hedeflenmektedir. Bu yapılan fiziksel model
çalışmanın,
yürüme
topladığımız
veriler
arasındaki
bire
bandı
üzerinde
bir
sağlanması
tıpkı
insanın
benzerliklerini ve farklılıklarını gözlemlemek
yürüyüşünün
insan yürüyüşünün taklit edilebilirliği hakkında
çalışmanın başarılı olması sonucu endüstriyel,
bilgi vermektedir.
medikal ve savunma sanayinde kullanılacak
İnsan yürüyüşü kinematik, statik ve dinamik
tasarımlara ışık tutabilmesi projenin hedefidir.
açıdan
Bildirinin sonraki bölümünde daha önce yapılan
incelenebilme
özelliğine
sahiptir.
Kinematik, hareketi, sebep ve tesirlerini göz
hareketlerini
bir
yapacaktır.
Bu
araştırmalar hakkında bilgi verilmiştir.
önüne almadan inceleyen mekaniğin bir bölümü
[1]
ve aynı zamanda kinematik, hareketin ve
3.VAROLAN ÇALIŞMALAR
ondan doğan hız ve ivmenin açılarıyla uyumunun
Bilimsel yürüme analizi öncüsü 1680 yılında
anlaşılmasıyla
proje
hayvan yürümesi üzerine çalışmalar yapan De
kapsamında insan yürüyüşü kinematik olarak
Motu Animalium Aristoteles idi[3]. 1890'larda,
incelenmiştir. Ancak bu projeden elde edilen
Alman anatomist Christian Wilhelm Braune ve
verilerin kullanım alanı çok geniştir. Bu projede
Otto Fischer yüklü ve yüksüz koşullar altında
elde edilen veriler medikal sektörde, savunma
insan yürüyüşün biyomekanik üzerine bir dizi
sanayinde
makale
ve
kavranabilir
robotik
ve
sistemler
bu
içerisinde
Fotoğrafçılık
yayınlamıştır.[4]
kullanılabilir. Bu proje esasında tüm yürüme
sinematografinin
mekanizmalarının temelidir ve yardımlarıyla
yürüyüşü ile insan yürüyüşü arasındaki fark gözle
yürümek için protezler, rehabilitasyon cihazları
görülür
ve robotik yürüme aygıtları geliştirilebilir.
Muybridge ile Étienne-Jules Marey 1900'ların
Veri toplama ve toplanılan veriyi işleme kısmında
başlarında bu gelişmelere öncülük etti. Genellikle
bilimsel yöntem olarak biyo benzetim tasarımı
yürüme
hale
analizi
gelişimiyle
gelmeye
birlikte
ve
başladı.
sonuçlarına
göre
hayvan
Eadweard
ortopedik
cerrahi, tedavi içeren rejimlerin gelişmesi, 1980'li
Literatürü özetlemek gerekirse insan yürüme
yıllarda önemli ölçüde ilerledi. Birçok önde gelen
analizi
ortopedik hastaneler dünya çapında artık rutin
gözlemlenmiş
tedavi planları tasarlamak ve takip izlenmesi için
zamanlarda teknolojinin gelişmesiyle birlikte
kullanılır yürüyüş laboratuarları oluşturdu.
pediatrik rahatsızlıkları düzeltmek amacı ile
Serebral parsi ve Parkinson gibi hastalıklara sahip
medikal ve biyomedikal alanda çalışmalara
olan hastaların yürümesi incelenmeye başlandı.
başlanmıştır. Diğer bir yandan savunma sanayi
Modern
sistemlerin
çalışmaları da iki bacak üzerinde ilerleyebilen
geliştirilmesi; araştırma laboratuarları, havacılık
sistemler oluşturmak için çalışmalara başlamıştır.
ve uzay sanayi ile işbirliği aracılığıyla bazı temel
Ancak her iki çalışmanın da bu projeyle
birkaç hastanede 1970'lerin sonunda ve 1980'lerin
benzerlikleri ve farklılıkları vardır. En temel
başında daha teknolojik boyutlara ulaştı.[5]
benzerlik bu çalışmalar esnasında kullanılan
Kronofotografi hareketi kayıt etmek için bilinen
yüksek hızlı kameralar ve eklemlere yerleştirilen
en yaygın ve kullanışlı yöntemdir. Seçici
işaretleyicilerdir. En temek farklılık ise diğer
aydınlatma ile tek bir fotoğraf görüntüleri yürüme
çalışmalarda birden fazla kamera kullanılması ve
analizi
gerçek açıları elde edebilmek için kullanılan
bilgisayar
yardımcı
tabanlı
olmak
için
geçmişte
genel
olarak
ve
üzerine
pediatrik
açıdan
çalışılmıştır.
Son
kullanılmıştır.[6]. Tek veya birden çok kameradan
kuvvet platformlarıdır.
görüntüleri kullanarak sine-film ya da video
Bildirinin bir sonraki bölümünde proje esnasında
kayıtları eklem açıları ve hızları ölçmek için
yapılan çalışmalara yer verilmiştir.
kullanılabilir. Bu yöntem, büyük ölçüde analiz
işlemini
kolaylaştırır
ve
analiz
yazılımı
4. DENEY SETİ
geliştirilmesi desteği ile üç boyutlu analiz için
Çalışmanın ilk aşamasında kullanılan bilimsel
olanak sağlar. Aynı anda, birden fazla kamera
yöntemin çözüm bazlı biyo benzetim tasarımı
(genellikle 5-12 kamera) kullanarak ve yansıtıcı
olması nedeniyle deneyler yapılmaya başlandı.
işaretleri
Deneyler kapsamında 5 adet denek, 3 farklı fazda
(pasif
pişaretcileri)
kullanarak,
hale
(4 km/saat yavaş yürüme, 6.5 km/saat hızlı
yerleştirilen
yürüme ve 10 km/saat koşma) yürütülmüş, hızlı
belirleyiciler (markers) ve yansıma kaydetmek
yürütülmüş ve koşturulmuştur. Platformun ve
için filtreler ile eşleşen yüksek güçlü ışınları
çekim
(kızılötesi
deneklerin bacak eklemlerine işaretler (markers)
hareketleri
çok
getirebiliriz.
Kameralar,
veya
hassas
yakın
kırmızı) kullanmaktadır.[7]
ölçülebilir
vücuda
kızılötesi,
genellikle
ortamının
hazırlanmasından
sonra
konularak video çekimleri hızlı kamera ile
yapılmıştır. Platformun konumlandırılması Şekil
4.1 de gösterilmiştir.
Tablo 4.1 Deney fazlarına uygun kamera hızları
DENEY FAZI
KAMERA HIZI
4 km/saat
50 fps - 1:1 sec.
6.5 km/saat
125 fps - 1:1 sec.
10 km/saat
500 fps - 1:1 sec.
4.1. Sistem Analizi
Hızlı
kameranın
yazılımı
sayesinde
eklem
yerlerinin hareket esnasındaki açı, hız değerleri
çıkartılmıştır. Bu değerler çıkartılırken her bir
marker sırayla analiz programına işletilmiş,
programın
sürecinin
çevre
koşullarından
etkilenmemesi için hızlı kameranın ve yürüyüş
bantının yeri sabitlenmiş ve kameranın hızlı
kamera ile uyumlu lensinin odaklanma mesafesi
de
deney
esnasında
sapma
durumlarında
kullanıcı olarak devreye girilmiştir. Bu değerlerin
Şekil 4.1 Deney Düzeneği
Deney
analizden
değiştirilmemiştir.
Deneylerden elde ettiğimiz verilerin işlendiği
yazılım programında yardım sağlaması amacıyla
yürüme bandının üzerine belli bir ölçü konulmuş,
iş bu sayede asıl amacı piksel ölçmek olan analiz
zamanla olan ilişki grafikleri çıkartılarak hızzaman ve açı zaman değerleri analizler için
hazırlanmıştır.
İş
bu
çalışmalarda
yürüyüşe sahip ve literatürdeki yaş ve kilo
kriterlerine uyan denekler stabil bir şekilde
yürüme, hızlı yürüme ve koşma hareketleri
yaptırılarak çekimler yapılmıştır. Model üzerinde
kullanılan hız-zaman ve açı grafiği Şekil 4.2 de
gösterilmiştir.
programına belirli ölçünün kaç piksel olduğu
hesaplattırılmış ve analiz kolaylaştırılmıştır.
Deney ortamının yetersiz ışık kaynağından ötürü
ilave ışık kaynakları kullanılarak elde edilen
verilerin
analiz
esnasında
daha
sağlıklı
verimli
kullanılabilir hale gelmesi sağlanmıştır. Gözlem
methodu ile deneyin çekileceği 3 ayrı faz için 3
ayrı kamera ayarı tespit edilmiştir. Tablo 4.1 de
iş bu ayarlarla ilgili veriler mevcuttur.
Şekil 4.2 Hız-zaman ve açı grafiği
Beş adet denek ile üç farklı fazda çekim
kinematik analizinin modellemesi yapılmıştır.
yapılmasından dolayı elimizde kullanıma elverişli
Şekil 4.3 de ön modelin bir görüntüsü vardır.
15 adet veri ve yaklaşık 75 adet döngümüz vardı.
Bu döngülerden hangisinin en kararlı olduğunu
anlamak için Matlab programında karşılaştırmalar
yapılmış ve en kararlı olduğuna karar verilen
döngü üzerinde çeşitli matematiksel yöntemlerle
tam bir kararlı döngü haline getirilmiştir.
Kararlı hale getirilen ve analiz programında elde
edilen veriler eksi değerlere ve geniş açı
değerlerine ulaştığı için ve aynı zamanda
kullandığımız
mikroişlemci
katmanları
bu
değerleri kabul etmediği için, bu değerlerin
düzenlenmesi
gerekmektedir.
düzenlemelerden
sonra
Gerekli
mikroişlemcinin
kullandığı yazılım dilinde kodları yazılmış ve açı
değerleri bu kodlara eklenmiştir.
4.2. Prototip Üretimi
Analizlerin yapılmasından sonra uygun malzeme
ve motor araştırmalarına başlanmıştır. Bu seçim
Şekil 4.3 Ön modellenmiş insan bacağı
işlemi sonunda çift taraflı servo motor ve pleksi
glas materyaline karar verilmiştir. Motorların
proje ekibinin eline ulaşmasından sonra ilk
prototip PVC materyalinden yapılmış, prototipin
başarılı olmasından dolayı lazer kesim ile plastik
camdan imal edilmiş ve motorlar yerleştirilmiştir.
3 boyutlu bir görüntü yakalamak ve dayanıklılığı
sağlamak açısından çift taraflı robot servo
5.SONUÇ
Bu proje çerçevesinde yapılan çalışmaların ve
deneylerin
sonuçları
sıradaki
gibi
maddelendirilmiştir;
a) İnsan yürümesinin ve koşmasının taklit
edilebilir olduğu kanıtlanmıştır.
motorları kullanılmıştır. Montaj işleminden sonra
b) Gerekli tasarımlar dahilinde ilk model
çift taraflı servo motorların analizler sonucu
üretilmiş ve modelin, deneylerden elde edilen
olması gereken açı ve hız değerleri işlemci
analizlerle uyuştuğu gözlenmiştir.
yardımıyla motorlara aktarılmış, insan bacağının
c)
İnsan
haricinde
yürüyüşünün
2
eksenli
kuvvet
olarak
platformu
gözlenebileceği
ispatlanmıştır. Ancak 3. Eksende yapılan açılar
için tek kameranın uygun olmadığı; kuvvet
platformuna ya da ikinci bir kameraya ihtiyaç
olduğu anlaşılmıştır.
gibi maddelendirilmiştir:
a)
Yapılan çalışma insan bacağının yürüme,
hızlı yürüme ve koşma hareketlerinin biyo
benzetim
tasarım
yoluyla
yapılmasını
protez sektörünü geliştirecektir.
b) İnsan yürümesini üç mod da inceleyen
a) İnsan yürüme hareketinin kinematik analizi
yapılmasından sonra kuvvet platformu elde
edildikten sonra dinamik analizinin yapılması
mümkün olur.
çalışma kinematik analizi ilk defa üç ayrı mod da
incelenmesini sağlamıştır. Genelde var olan
projelerde tek bir faz destek alınarak çalışılmıştır.
Kuvvet platformunun alınmasından
b) İnsan bacağından sonra insan ayağının da
dinamik analizleri mümkün olacaktır. Bu iki
analizinin birleştirilmesi durumunda protez olarak
bir
mekatronik
tasarım
yapılabilir.
sonra dış
kabuk ve yük taşımak ve daha hızlı hareket
etmeyi sağlayan, genellikli endüstri ve savunma
sanayinde kullanılan dış kabuk mekatronik
cihazının yapılmasındaki en önemli çalışmalardan
olacaktır.
c) Dış kabuk (eksoskeleton) tasarımı; savunma
sanayi, endüstri ve medikal alanda kullanılacak
cihaz yapılabilir hale gelecektir. Bu mekatronik
cihaz insan bacağından daha üstün fonksiyonları
insana sağlar.
hepsi için ilk basamaktır. Kuvvet platformu ile
analizlerin
c)
Bu çalışmada amaçlanan denek yaş aralığı
18 – 55 olmasına rağmen mevcut şartlardan
dolayı deneklerin mevcut özellikleri 20 – 25 yaş
arası olduğu için yapılmış olan kinematikler bu
doğrultularda yönlenmiştir.
İnsan bacağının kinematik analizi bu çalışmaların
yapılacak
benzerlikleri aşağıdaki gibi maddelendirilmiştir;
sağlayacaktır ve bu çalışmalar başta medikal
Projenin teknolojik gelişmelere katkısı aşağıdaki
kullanılabilinecek
Projenin mevcut teknolojiler ile olan farkları ve
insan
yürüyüşünün
kinematik analizleri ile birleşmesi sonucunda bu
endüstriyel, savunmaya ve medikale yönelik
çalışmalar geliştirilebilir hale gelecektir.
d) Literatür araştırmalarında yapılan ve bu
çalışmaya
benzer
özellikler
taşıyan
diğer
projelerde kullanılan araç ve gereçlerin ( basınç
sensörleri, profesyonel yürüyüş bantları, bez
işaretleyiciler, özel salonlar vb.) bu projede yer
alamaması nedeniyle, teknik analizlerde ve de
araştırmanın video kaydı sırasında karşımıza
teknik problemler olarak ortaya çıkmıştır.
[7] Robertson DG (2004), “Research Methods in
TEŞEKKÜR
Bu araştıma, MECE 407-408 Lisans Araştırma
Projeleri
I-II
dersleri
ve
Atılım
kapsamında
Üniversitesi
Derslerin
yürütülmesine
ve
proje
Yrd. Doç. Dr. Zuhal ERDEN, Öğr. Gör. Aylin
KONEZ EROĞLU, Araş. Gör. Cahit GÜREL,
Araş Gör. Emre GÜNER’e teşekkür ederiz.
KAYNAKÇA
[1] Chan & Rogers (1994), “Kinematic Analysis
of Gait” , http://moon.ouhsc.edu/dthompso/gait/knmatics/gait.htm (Erişim: 08.05.2012)
[2] Erden A, “Bio-mimetic/Bio-inspired Design” http://mechatronics.atilim.edu.tr /courses/mece401/mece401_Index.htm (Erişim: 03.03.2012)
[3] Whittle, Michael (2007), “Gait Analysis: an
Introduction (4 ed.)”. http://www.amazon.com
/An-Introduction-Gait-Analysis-4e/dp/075068831/ (Erişim: 10.11.2011)
[4] Fischer, Otto; Braune, Wilhelm (1895), “Der
Gang des Menschen: Versuche am unbelasteten
und belasteten Menschen”
[5] DH Sutherland (2002), "The evolution of clinical gait analysis: Part II Kinematics"
[6] RB Davis, S Õunpuu, D Tyburski, JR Gage
(1991), "A gait analysis data collection and
reduction technique".
Biomechanics, Champaign IL:Human Kinetics”.

MeMÖK2012 Bildiri Kita - 6. Ulusal Mekatronik Mühendisliği Öğrenci

Transkript

Benzer belgeler

İKİNCİ ÖĞRETİM BÖLÜMLERİMİZDEN %10`a GİREN

Henri BERGSON`dan - FELSEF e

Küresel ekonomik kriz ve kapitalizm

e- MOLECUBE SEGWAY PUMA

RobotOkulu e-Dergisi Sayı 4

Fizik-1 Uygulama-5