memÖk2012 bildiri kita

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


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


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) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara

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

Bu bildiride, uçan robotlar laboratuarında (URL)

hayata geçirilen projelerden iki tanesine yer

verilmektedir. Bu projelerden ilki melez robotlar

bölümüne, diğeri ise sıra dışı morfolojik uçan

robotlar bölümüne aittir. Bu iki farklı projenin

ortak yönleri döner kanatlı, dikey olarak iniş

kalkış yapabilen, yönelim denetimini

gerçekleştirebilecek eyleyici yapısına sahip

sistemler olmalarıdır. Birbirlerinden ayrılıkları

noktalarda ise melez sistemin sahip olduğu çekiş

motorlarının karadaki ve havadaki durumlarının

sistem üzerindeki dinamik etkileri ve bu iki ortam

arasındaki geçişidir. Sıra dışı morfolojik sistemde

ise sistem yapısının istenilen ağırlık merkezine

göre değiştirilebilmesi, sahip olduğu farklı

dinamik yapıların analizleri ve olanak tanıdığı

değişik manevra yetenekleri konuları üzerinde

durulmaktadır. Bildirinin ilerleyen kısımlarında

yapısal analizlere yer verilmektedir. Matlab®

Simulink kullanılarak elde edilen grafiksel

sonuçlar sergilenmiş ve tartışılmıştır.

ANAHTAR KELİMELER:

Melez uçan robotlar, sıra dışı uçan robotlar,

Morfolojik yapı

ABSTRACT

In this paper, in flying robots laboratory (FRL)

two projects are implemented. The first of these

projects are part of a hybrid robots, the other

belongs to the novel morphological robots. The

common features of these two projects are

being rotary wing, which can take off and

land vertically and also having actuators which

enables the attitude control of the systems. In

division points, there are some subjects that

focused on dynamic effects of traction wheels,

that belongs to hybrid robot, in ground and air

locomotion and transition of these two modes, in

novel system features are easy to replace the

center of gravity, morphing structure to analyze

different dynamical behaviors, enables different

maneuverability characters. The following parts

of the paper, structural analysis are placed.

Matlab Simulink software is used for the

controller design. The graphical results are

presented and discussed by using this software.

KEYWORDS

Hybrid Flying Robots, Novel Flying Robots,

Morphological Structure


1. GİRİŞ

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 takım müdahaleleri

gerçekleştirebilecek 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

Bölümü, Uçan Robotlar Laboratuvarı (URL), sıra

dışı ve melez uçan robotların araştırılması,

tasarımı, geliştirilmesi ve imalatı konularında söz

sahibi olma vizyonuna sahip olan bir araştırma

laboratuarıdır. URL melez robot çalışmalarının

ana ekseninde yer alan, “İki Tekerlekli İki Döner

Kanat Sistemine sahip Melez Robotik Sistem

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

Bu kısımda, melez ve morfolojik sıra dışı

robotların tasarım aşamalarına yer verilmiştir. İlk

kısımda melez sistemin tasarımı aşamalar halinde

anlatılmaktadır. İkinci kısımda ise morfolojik sıra

dışı sistemin tasarım süreci sırasıyla

anlatılmaktadır.


2.1 Melez Uçan Robot

“Flying Wheels” iki pervane ve iki çekiş

tekerinden meydana gelen eksik tahrikli melez

robot sınıfına ait bir robottur. Eksik tahrikli

sistemlerde, sistem için gereken eyleyici sayısı

sistemin sahip olduğu serbestlik derecesinden

azdır. Bu tür sistemlerde hareket farklı yollarla

sisteme kazandırılabilmektedir. “Flying Wheels”

tekerleri kullanarak sistemdeki yunuslama

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

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.

Şekil 1. Sistemin yunuslama hareketi gösterimi

Teker Tasarımı

Yunuslama hareketi sistem için kritik önem arz

ettiğinden bu hareketi oluşturan tekerlerin

tasarımı da aynı oranda önem taşımaktadır. Melez

uçan robot yapısal büyüklüğü nedeniyle yüksek

atalete sahiptir. Bu denli yüksek ataletli sistem

gövdelerinin hareketi için yine uygun ataletli

teker tasarımları gerekmektedir. Teker tasarımları

Şekil 2’ de sırasıyla gösterilmektedir.

Şekil 2. Teker tasarım aşamaları

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

tasarlanan katı model tasarımı ve sistemin son

hali gösterilmektedir.


Şekil 3. Katı & gerçek model gösterimleri

Sistemin katı modellenmesinden sonra sistemin

titreşim analizleri kontrol edilmiştir. Motorların

çalışma esnasında sistem üzerine uyguladığı

titreşim, sistemin doğal frekansına yakın olduğu

taktirde sistem bütünlülüğünü tehdit eden bir etki

ortaya çıkmaktadır. CATIA® frekans analiz

yazılımı kullanılarak birden fazla sayıda frekans

değeri Tablo 1’ de gözlemlenmiştir.

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

Tablo 2. Motor karakteristik değerleri

Çalışma Rejimi (%) İtme (g) RPM

53 2891,868

5670

54 3262,686 5970

55 3573,36 6030

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

dışında gerçekleştirilmelidir.

Veri Toplama

Sistemleri sürebilmek için üzerindeki sürme

birimleriyle ilgili gereken bazı verilerin test

yapılarak toplanması gerekmektedir. Bu veriler

daha sonra bazı ayarlamalarla sistem kontrolcüsü

için kullanılmaktadır. Test basitçe bir tartı ve

sürme biriminin karşılıklı bağlanması aracılığıyla

gerçekleştirildi. Gerekli veriler Şekil 4 ve Şekil 5’

te verilmiştir.

Şekil 4. Çalışma rejimi-itme kuvveti ilişkisi sol

motor

Şekil 5. Çalışma rejimi-itme kuvveti ilişkisi sağ

motor


Şekil 4 ve 5’ teki grafiklerden sistemi yerden

kaldırmaya yetecek olan itme kuvvetini sağlayan

birkaç nokta doğrusal hale getirilerek uygun bir

denklem elde edildi.

itmesol_motor=(333.52*çalışma rejimi)-14782 (1)

itmesağ_motor=(367.5*çalışma rejimi)-16443 (2)

Atalet Testi

Bu test sistemin ataletsel değerlerini bulmak için

kullanılmıştır. Test, basit sarkaç modeline göre

hazırlanmıştır. Veri almak için sistem üzerine

ataletsel ölçüm birimi Microstrain GX2

kullanıldı. Sisteme basit bir başlangıç salınımı

verildi ve bu salınım Matlab® kullanılarak Şekil

6 ‘da görüldüğü gibidir.

Şekil 6. Ataletsel sanılım çıktıları

Uçuş Dinamiği Modellemesi

Bu bölümde sistem dinamikleri ve bu dinamiklere

bağlı matematiksel modellemeler elde

edilmektedir. Modelleme bölümü belli başlı

varsayımlara dayanmaktadır. Bu varsayımları

sıralamak gerekirse:

Sistem yapısı bir bütün halindedir.

DC motorların sahip olduğu indüktans

küçük olduğundan ihmal edilmiştir.

Tekerlerdeki DC motorlar özdeş kabul

edilmiştir.

Tekerlere aynı gerilim uygulandığı

varsayılmıştır.

Sisteme ait serbest cisim diyagramı Şekil 7’ de

verilmiştir.

Şekil 7. Melez uçan robot serbest cisim diyagramı

Sistem modellemesi Newton-Euler metoduna

göre yapılmıştır. Bu metoda göre kontrolcü

döngüsünde olması gereken durumlar sırasıyla

hesaplanmıştır.[1]

= 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)

= ( p q ) / Iz * ( Ix – Iy ) + (( F1 – F2 ) * d) / Iz b(8)

=

(9)

Doğrusallaştırma

Denklemlerin doğrusallaştırılması sistemin

havada asılı kalma durumuna göre

gerçekleştirilmiştir. Doğrusallaştırma jacobianlar

kullanılarak yapılmıştır.

x= [0 0 0 0 0 0 0] (10)

Jacobian matrisi eşitlik (11) de gösterildiği

gibidir.

(11)

Bu matrise göre, x0 ... xn sistemin durumlarını

belirtmektedir.

Girdi matrisi u ve B ise aynı yöntemle

doğrusallaştırıldı.

(12)

Ataletsel ölçüm birimi (GX2) sayesinde sisteme

ait Euler açıları elde edildi. Sistemin

gözlemlenebilirlik ve kontrol edilebilirlik

matrislerine bakıldığında 7x7 lik özdeş bir matris

elde edilmektedir. Bu yapılara göre oluşan çıktı

matrisi ise eşitlik (13) teki gibidir.

(13)

Denetimci Tasarımı

Denetleyici tasarımının birincil hedefi sistemin

yapısında bulunan kararsızlık problemini

çözmektir. Bu sistemde yuvarlanma ve

yunuslama dinamikleri için denetleyici

tasarlanmıştır. Bu işlemleri gerçekleştirebilmek

için kutup yerleştirme tekniği kullanılmıştır. Bu

yöntem sistemin kutuplarını istediğimiz yere

çekmemize ve durumlarını denetlememize imkan

sağlamaktadır.

Kutup yerleştirme tekniği durum – uzay modeline

göre yazıldığında aşağıdaki denklemler elde

edilmektedir.

= A x + B u (14)

y = C x (15)

u = - F x (16)

Sistemi kapalı – döngüye göre yeniden

yazıldığında ise eşitlik 16 ve 17 deki hale

dönüşmektedir.

= ( A – B F ) x (17)

y = C x (18)


x=Sistemin durum değişkeni,

u = Sisteme uygulanan girdi ( Çalışma rejimi(%)

ve gerilim ),

A=Sistem matrisi,

B=Girdi matrisi,

C=Çıktı matrisi,

D=Doğrudan geçiş matrisi.

3. SIRADIŞI SİSTEM

Bildirinin bu bölümünde sıra dışı sistemden

bahsedilmektedir. Sıra dışı sistem geçmiş

dönemlerdeki iki çalışmadan esinlenerek ve bu

çalışmaların mevcut parçaları kullanılarak hayata

geçirilmiştir. Bu sistemlerden ilki melez robottur.

Bu robot, döner kanatları ile dikey olarak

havalanabilen, yönelim ve seyir denetimini

sağlayabilecek eyleyici konfigürasyonuna sahip,

karada iki çekiş motoru ve bunlara bağlı

tekerlekleri ile hareketini sağlayan bir

platformdur. Bu proje iki tekerlekli üç döner

kanat sistemine sahip melez robotik sistem

tasarımı başlığı altında tanımlanmıştır [2]. 2W2R

(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 8. Melez sistemin izometrik görünümü

Sistemi oluşturan sistemlerden bir diğeri yine

geçmiş senelere ait bir sıra dışı sistemdir. Bu

Sistemde diğeri gibi döner kanatları ile dikey

olarak havalanabilen, yönelim ve seyir denetimini


bir fırçasız motor, iki adet servo motor ve

bunlara bağlı fırçasız motorları kontrol edebilen

ve hareketini sağlayan bir platformdur [3]. Bu

sistem üç döner kanat sistemine sahip sıra dışı

sistem olarak adlandırılmıştır. Sistemde, birbirine

zıt yönlerde dönen iki adet pervane fırçalı

motorlara bağlıdır, bu fırçalı motorlar ise adaptör

parçalar yardımıyla iki adet servo motora

bağlanmıştır. Fırçasız motor ise, bu iki

pervanenin bağlantı noktalarını referans alacak

şekilde tam karşısına bağlanmıştır (Şekil.9).

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

dikey olarak havalanabilecek, yönelim ve seyir

denetimini sağlayabilecek eyleyici

konfigürasyonuna sahip, bir fırçasız motor, iki

adet servo motor ve bunlara bağlı fırçasız

motorları kontrol edebilecek, pil ve hız kontrol

ünitesinin bağlı olduğu parça gövdede farklı

pozisyonlara kolayca kaydırılarak sistemin ağırlık

merkezinin yeri değiştirilebilmektedir ve buna

bağlı olarak sistemin üzerindeki farklı dinamik

etkilerini gözlemlemek hedeflenmiştir (Şekil. 10).

Şekil. 10 Sıradışı morfolojik sistem

3.1. Sistemin Yapısı

Sistemin gövdesi 12x12 alüminyumdan olup

geçmiş yıllardaki çalışma olan eğik motorlu sıra

dışı sistemden sökülmüştür. Alüminyum

parçaların birbirine sabitlenmesi sağlayacak

adaptör parçalar hızlı prototipleme cihazı

kullanılarak üretilmiştir (şekil. 11).

Şekil 11. Adaptör parçaları

Sistemde kullanılan E-max 2550 fırçasız motor

2W2R sisteminden sökülerek sıra dışı sisteme

monte edilmiştir. Fırçasız motorun hızını kontrol

edebilmek için Castle firmasının Thunderbird 54

amperlik hız kontrol ünitesi kullanılmıştır.

Kullanılan fırçalı motorları ve bağlı oldukları

pervaneler dranganfly firmasına aittir. Ayrıca

fırçalı motorları sürmek için pololu firmasının

motor sürücü kartı kullanılmıştır (Şekil. 12).

Şekil 12. Motor sürücü

Sistemin elektronik parçalarını sürebilmek için ve

güç kaynaklarını sağlayabilmek için bir devre

tasarlanmıştır (Şekil. 13). Bu devre aynı zamanda

sistemin bilgisayar ile arasındaki bağlantıyı da

sağlamaktadır. Sistem Matlab® Simulik

ortamında Humusoft 614 kartı 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

motorların beslemesini sağlamaktadır. İki adet

5volt servo besleme çıkışına ve sinyal girşine

sahiptir. 5volt pilden alınan voltajın Lm7805

voltaj regülatörü yardımıyla elde edilmektedir.

Şekil 13. Besleme devresi

3.2 Veri Toplama

Sistemin tüm parçaları monte edildikten sonra

hassas terazi yardımıyla sistemin ağırlığı

ölçülmüştür. Ölçülen ağırlık 1050 gramdır.

Eşitlik(19) ve Eşitlik(20) ‘de gösterildiği gibi

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

civarındadır. İki tane Draganfly motor için toplam

itme 250 gram olarak kabul edilmiştir. Sonuç

olarak toplam itki 1550 gramdır.

ğı ı

Sistemin fırçasız motorunun itme kuvveti basit

bir mekaniksel yapı ile ölçülmüştür. Milin bir

ucuna motor adaptör parça ile sabitlenip diğer ucu

hassas terazi üzerine konulmuştur. Moment

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

oluşturulmuştur.

Şekil 14. Çalışma rejimi ve İtme kuvveti

Elde edilen grafik Eşitlik (21)’e göre

doğrusallaştırılarak çalışma rejimi ve itme

kuvveti arasında bir denklem elde edilmiştir

(Şekil 14).

Motor itme kuvveti = 95,093 * çalışma rejimi -

211,68 (21)

Elde edilen bu denklem sistemin kontrolcüsüne

gömülüp ataletsel ölçüm biriminden gelen

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

36 38 40 42 44 46 48 50

İtm

e ku

vvet

i (g)

Çalışma rejimi %


verilere göre çalışma rejimi hesaplanarak itme

kuvveti elde edilecektir.

3.3 Sistemin Kontrolü

Sistemin kontrolü için doğrusal ikinci derecen

düzenleyici kullanılmasına karar verilmiştir

(LQR-Doğrusal Karesel Ayarlayıcı) (Şekil. 15).

Şekil 15. Doğrusal Karesel Ayarlayıcı

Kontrol üncünün blok şemasında bulunan durum

uzayı bloğuna gömülecek olan dinamik model

üzerinde halen çalışılmaktadır. Dinamik model

elde edildikten sonra sistemin kontrolü üzerinde

çalışmalara başlanacaktır.

SONUÇ VE GELECEK ÇALIŞMALAR

Bu bildiride melez uçan robot tasarımı ve

dinamik modellemesi, kontrolü ile ilgili yapılan,

sıra dışı uçan sistemin yapım aşaması ve

elektronik parçaları, kullanılacak kontrolcünün

seçimi ile ilgili çalışmalar anlatılmıştır. Dinamik

modellemeler Newton-Euler yöntemine göre elde

edilmiş ve denetleyici tasarımı yapılmıştır. Melez

sistem benzetim çalışmaları ve aynı zamanda sıra

dışı sistem için dinamik modelleme çalışmaları

devam etmektedir. Sıra dışı sistem dinamik

modellemesi çıkarıldıktan sonra benzetim

işlemlerine başlanacaktır.

TEŞEKKÜRLER

Bu araştırma, MECE 407-408 Lisans Araştırma

Projeleri I-II dersleri kapsamında

gerçekleştirilmiş ve Atılım Üniversitesi

tarafından desteklenmiştir (Proje No: LAP-A-

111201). Derslerin yürütülmesine ve proje

çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı

Doç. Dr. Zuhal ERDEN, Öğrt. Grv. Aylin

KONEZ EROĞLU, Cahit GÜREL, Ayça

GÖÇMEN, teşekkür ederiz.

KAYNAKÇA

[1] Küçük D., (2010), “Design of Two Wheeled

Twin Rotored Hybrid Robotic Platform”,

Yüksek Lisans Tezi, Mekatronik

Mühendisliği Bölümü, Atılım Üniversitesi.

[2] Tok B., Çelik M. K. (2011), “Melez Uçan

Robot Araştırmaları” Mekatronik

Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK

2011), Mekatronik Mühendisliği Bölümü,

Atılım Üniversitesi.

[3] Bilgin Ö.M., Gülümser B. (2011), “Sıra dışı

Uçan Robotlar Üzerinde Araştırmalar”,

Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi

(MeMÖK 2011), Mekatronik Mühendisliği

Bölümü, Atılım Üniversitesi.


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

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

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 ayrıntılı şekilde açıklanacaktır.

Ardından yapılan çalışmalar detayları ile

aktarılacaktır. Diğer bir deyişle, proje amacı

motivasyon kapsam ve yöntemi; deneysel

çalışmalar, uygulama için gerekli formül ve

çıkarımları takiben bu çalışmaların

ASELSAN’dan gelen dört tekerli kara aracına

uygulanması açıklanacaktır. Son olarak elde

edilen bulgular değerlendirilecek, gelecekte

kullanılabileceği yerler belirtilip bildiri

sonlandırılacaktır.

ANAHTAR KELİMELER: Optik akış, optik

fare, mekatronik laboratuarı, iç ortam, hız ve

uzaklık, engelden kaçınma, navigasyon

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

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]


research are given. After general information,

optical flow phenomena and literature review for

current studies are mentioned. Then, related

studies are described in detail. That is to say,

objective, motivation, scope and methodology of

the research project; experimental studies; some

basic theoretical information and assumptions and

after that integration of these to the 4-wheeled

unmanned car donated by ASELSAN are going to

be explored. Finally, all the findings and future

works are evaluated and report is concluded.

KEYWORDS: Optic Flow, optic mouse,

mechatronics laboratory, indoor environment,

velocity and distance, obstacle avoidance,

navigation

1. GİRİŞ

Optik akış kısaca nesnelerin hareketinin göz veya

kamera ile göreceli olarak algılanması ve

yorumlanmasıdır. Araçta sabit hızla giderken

trafik levhasının levhaya yaklaştıkça hızlanması

ve büyümesi, trafik levhasını geçtikten sonra ise

tam tersi olarak görünmesi örnek verilebilir [1, 2].

Hayvanlar özellikle uçan böcekler ve kuşlar

hareket halindeyken belirtilen özelliği kullanarak

çevrelerini algılayıp yol bulma işlemini

gerçekleştirmektedirler. Ayrıca robot

teknolojilerinde de optik akış çeşitli yöntemlerle

farklı amaçlar için kullanılmaktadır.

Optik akışın kullanıldığı başlıca alanlar; konum

ve hız bulunması, engelden kaçınma, video

sıkıştırılması, optik farelerin çalışması, harita

oluşturulması, cisim tanıma ve takip etme, hareket

algılaması, robot navigasyonu, görsel odometri

şeklinde sıralanabilir.

Makalenin geri kalanı aşağıda belirtildiği gibi

düzenlenmiştir. Bölüm 2’de optik akış

mantığından ve literatürde var olan çalışmalardan

bahsedilmiştir. Bölüm 3’te proje amacına

değinilmiş, belirlenen hipotez sunulmuş, yapılan

deneysel çalışmalar aktarılmış ve belirlenen

yöntemler ASELSAN’dan gelen dört tekerli

araçta uygulanmıştır. Bölüm 4’te gelecek

çalışmalar ve sonuçlar aktarılmış ve bildiri

sonlandırılmıştır.

2. OPTİK AKIŞ MANTIĞI VE

LİTERATÜRDE VAR OLAN ÇALIŞMALAR

Bu bölüm altında optik akış mantığı açıklık

kazanacak ve literatürde var olan çalışmalara

değinilecektir.

2.1 Optik Akış Mantığı

Genel olarak optik akış, çevre hareketlerinin

algılanıp incelendikten sonra yorumlanmasıdır.

Arabada ya da trende oturup camdan bakıldığında

ağaçlar, yer, binalar gibi cisimler farklı hızlarda

hareket ediyormuş gibi gözükür. Gözlemcinin ve

cisimlerin arasındaki mesafeye göre bu hızlar


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

gözlemciye göre konumu arasında matematiksel

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

alırken, aynı cisim hareket yönünde

bulunduğunda optik akış değeri minimum

olmaktadır.

Optik akış değerinin teknik olarak

değerlendirilebilmesi için kameralar

kullanılmaktadır. Kamera ile çekilen iki resim

karşılaştırıldığında aradaki görüntü farkına

bakılarak optik akış değeri bulunabilmektedir.

2.2 Literatürde Var Olan Çalışmalar

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,

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

anlık olarak hız bilgisini de gönderebilmektedir.

Son olarak Kathage ve Kim [5], ADSN 5090 ve

bir çift kamera kullanarak yaptıkları sistemde 5

km/s kadar araç hızı ölçebilmişlerdir. Sistemde

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

araştırmasında Ribeiro [6], engelden kaçmayı

robotun izlediği yolun biçimlendirilerek

beklenmedik engellerden kaçabilme

metodolojileri olarak tanımlamış; robotun

vereceği tepkinin o anki konumu ve sensör

bilgisine göre değişim gösterebileceğini söylemiş

ve düzenek hazırlarken Bug’s algoritmasından

(engel görülene kadar doğruca belirlenen hedefe

robotun ilerlemesi) yararlanmıştır. Ribeiro’nun

araştırmasından farklı olarak Suohila ve Karim

[7], yaptıkları çalışmalarda robotun önündeki

kamerayla birlikte 2 farklı yöntem kullanarak

engelden kaçmayı başarmışlardır. Bu

yöntemlerden ilki görüntüdeki optik akış

vektörlerinin bölgesel yoğunluğu dikkate alınarak

robota yön bilgisi aktarılması (denge stratejisi);

diğeri ise çevresindeki objelerin optik akış

değerlendirmesi ve robotun hızı kullanılarak

çıkarılan derinlik haritasıyla birlikte robotun

amaçlanan hedefe hiç bir temas yaşanmadan

ulaşmasıdır.

Takip eden bölümde literatür araştırmasından da

elde edilen bilgilerle, optik akış araştırma projesi

kapsamında yapılan çalışmalar kronolojik bir

sıraya göre ayrıntılı bir şekilde açıklanacaktır.

3. YAPILAN ÇALIŞMALAR

Bu başlık altında proje amacı motivasyon kapsam

ve yöntemi; ayrıca deneysel çalışmalar, uygulama

için gerekli formül ve çıkarımlar; son olarak bu

çalışmaların ASELSAN’dan gelen dört tekerli

kara aracına uygulanması açıklanmıştır.

3.1 Proje Amacı, Motivasyon, Kapsamı Ve

Yöntemi

Optik akış özelliğini kullanabilmek için birkaç iyi

bilinen algoritma yanında optik akış sensörleri de

mevcuttur. Bu sensörler sadece bir görevi

gerçekleştirmek için özellikle mikrokontrol

tabanlı modüller veya hesaplama yeteneğine sahip

kameralar için entegre edilmiştir. Bu projenin

amacı, optik akışın ilgilendiğimiz robotlara

aktarılması ve belirli uygulamaların elde edilmesi,

araştırmalara ve mevcut literatüre bir ölçüde

teorik / pratik katkılar sağlamaktır. Optik akış

uygulaması bu projede ASELSAN’dan gelen dört

tekerli insansız kara aracında engelden kaçınma

ve hız ve konum belirleme olarak

sınırlandırılmıştır.

3.2 Hipotez

Optik akış uygulamasının robotik alanında

olgunlaşmamış bir durumu olmasına karşın,

birçok ilerlemenin gözlemlendiği etkin bir

araştırma konusu olması bakımından, LED optik

farenin çipinde bulunan optik akış uygulaması

konum belirleme, hareket kontrolü ve engelden

kaçınma konularında dört tekerli insansız kara

aracında alternatif sunabilmektedir.


3.3 Deneysel Çalışmalar

Bu bölümde proje kapsamında yapılan deneyler

ve çalışmalar açıklanacaktır.

Sarkaç Deneyi: Optik akışın 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.

Şekil 1. Sarkaç Düzeneği

Deneyde elde edilen sonuçlar göstermektedir ki,

optik akış değeri, çizgisel hızı daha büyük olan uç

kısımda daha büyüktür (Şekil 2).

Şekil 2. Optik akış değerinin sarkaç üzerindeki

değişimi

Şekil 2’de görüldüğü gibi optik akış değerleri

dönen cisimlerde belli bir hata payını da

beraberinde getirebilir. Ancak bu durum hızlı

çekim yapılarak en aza indirilebilir. Bunun için

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

değerlendirilmiştir. Piksel sayısını arttırıp

azaltarak sabit bir uzaklıktan optik akış değerleri

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 akış değeri aracılığıyla

saptanamamaktadır.


Dönen cisimlerde optik akış görülebilmesi için,

cisim yoğunluk değişkeni olarak adlandırılan

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).

Şekil 3. Dönen cisimde optik akış gözlenmesi

Her ne kadar yoğunluk değişkeninin hareket yönü

olan z ekseni doğrultusundaki değişimi

gözlenebilse de, çizginin teğet eksenindeki

değişim hâlâ gözlenememektedir.

3.4 Belirlenen Aracın Üzerindeki Uygulamalar

Bu başlık altında aracın tanımlanması, gerekli

malzemelerin belirlenmesi, gerekli olan formül

ve çıkarımlar yapılıp bunların araca entegre

edilmesi ayrıntılı olarak anlatılacaktır.

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

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.

Şekil 5. Araçtaki dc motorlar


Aracın sağ tarafında bulunan iki tekerlek bir dc

motora bağlıdır; aynı durum sol taraf için de

geçerlidir. Sağ ve sol tekerlekler dc motorun

ucuna bağlı bulunan palet sistemiyle kontrol

edilmektedirler (Şekil 6).

Şekil 6. Araçtaki palet sistemi ve enkoder

Uygulama için Gerekli Formül ve Çıkarımlar:

Bu başlık altında kullanılacak olan optik akış

sensörünün çalışma mantığı ve optik akış

değerinin hız bilgisine dönüştürülmesi

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

cisimlerin optik akış değerleri sırasıyla -3,+5 ve

+10 olduğu varsayılsın.

Bu durumda sensörün vereceği optik akış değeri

Eşitlik (1) ile belirlenir.

SayisiCisimlerin

erleriOACisimlerineriOASensör

_

deg__deg__

(1)

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

bilgileri hareket edilen gerçek uzaklık değerlerine

dönüştürebilmek için yüksekliği göz önüne almak

önemlidir. Şekil 7’de göründüğü gibi aynı mesafe

gidilmesine rağmen yükseklik değerleri farklı

olduğundan optik akış değerleri farklılık

göstermektedir ve optik akış değerleri yükseklik

ile ters orantılıdır.

Şekil 7. Yükseklikle değişen optik akış değeri


Sensörün uçağın üzerinde olduğu ve 2 piksel

olduğu düşünülürse, yere göre 1 metre

yüksekliğindeki uçağın optik akış değeri 2

değerini alacakken, yere göre 2 metre

yüksekliğindeki uçağın optik akış değeri 1

değerini alacaktır. Bu ters orantı bağıntısı Eşitlik

(2)’de belirtilmiştir.

eriOAYukseklik

deg_

1 (2)

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.).

Şekil 8. Görüş açısının pikselle ilişkisi

Sensörün görüş alanının bulunabilmesi için

trigonometrik ve geometrik bilgiler

kullanıldığında Eşitlik (3)’teki gibi bir bağıntı

elde edilir. Bu eşitlikte yükseklik metre, görüş

açısı derece cinsinden yazılmalıdır.

YukseklikAcisiGorus

AlanıGorus *)2

_tan(*2_

(3)

Piksel başına düşen alan, görüş alanının piksel

sayısına orantılanmasıyla bulunur. Optik akış

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.

2

_tan2*

__

*deg_ AcisiGorus

SayıPikselSensor

YukselikeriOAMesafe

(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

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

sensörün geldiği yere ufak bir delik açılması

şeklinde sıralanabilir. Sensörün geldiği yere açılan

delik sayesinde sensörün aracın altından görüntü

alarak optik akış değeri vermesi

sağlanabilmektedir ve araçta başka herhangi bir

değişikliğe gerek görülmemiştir.

Sensör ve gerekli bağlantılarına değinilecek

olursa; sensörün çalışması ve veri alınmasını

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 9. Bacak (pin) bağlantıları

Sensör ve bacak bağlantılarından sonra gerekli

değişkenlerin bulunmasından bahsedilecek

olunursa; aracın yerden yüksekliği sabit olduğu

varsayımı yapılıp sensörün optik akış değer

formülünde bu değişken sabit olarak alınmıştır.

Ayrıca sensörün görüş açısının da sabit

olmasından dolayı tek değişken olarak sensörden

gelecek olan optik akış değeri kabul edilmiştir.

Sensörün lensinin bitiminden alınan ölçümlere

göre sensörün yerden yüksekliği 7.5 cm (Şekil

10). Sensörün üzerinde bulunan 8mm M12x0.5

özelliklerine sahip merceğin görüş açısı ise 11

olarak belirlenmiştir.

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

dolayı kaymalara karşı kesin olarak aracın tam

hareketinin gözlenmesi mümkündür. Ek olarak

optik akış kullanılarak herhangi bir sistem

üzerinde uygulanabilecek şekilde engelden kaçma

ve yol bulma işlemi de bilgisayar ortamında

MATLAB ile gerçekleştirilmiştir. Buradan


çıkarılan sonuçlar ise engelden kaçma/yol bulma

işleminin, görüntü işleme yoluyla

yapılmasındansa optik akış sensörleri kullanılarak

yapılması, görüntü işlemede gerekli olan işlemci

ve ekstra güç tüketiminin önüne geçecektir.

Bunun yanı sıra optik akış sensörleri çok yüksek

çerçevelerde görüntü işlemeyi gerçekleştirdikleri

için hızlı hareket eden veya hızlı tepki vermesi

gereken mekatronik ürünlerde de kullanılabileceği

görülmüştür.

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/

(Erişim: 03.04.2012)

[3] Scheffer, Z., (2007), “Optical Speedometer”,

Technical Report Submitted in Partial

Fulfillment of the Engineering Technology

Senior Design Project Course ETG 4950C

[4] Chahl J.& Hine B.(2008), ”Insect-Inspired

optical flow navigation sensor”,

http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa

.gov/20110016297_2011017327.pdf

(Erişim: 10.05.2012)

[5] Kathage R. & Kim J., (2006), “Experimental

results of a Differntial Optic-Flow System”,

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)

http://centeye.com/technology/optical-flow/

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

Sürdürülemez enerji kaynaklarının tüketimi ve

fosil yakıtlarının kısıtlılığı gelecek yaşantımız

için tehdit oluşturmaktadır. Enerji kaynaklarının

pahalılığı, çevreye verilen tahribat ve çevre

kirliliği, yenilenebilir ve sonsuz enerji

kaynaklarının kullanımını gerektirmektedir.

Yenilenebilir enerji teknolojileri zararsız enerji

kaynağıdır ve bilindik enerji teknolojilerine

nazaran daha az çevre ile etkileşim halindedir.

Güneş enerjisi bu enerji kaynaklarından biri ve

sonsuz enerjidir. Bu çalışma; Stirling motorunun

tasarımının ve üretiminin nasıl yapılacağını,

çukur ayna ile birleştirilip güneş takip sistemiyle

güneş ışınlarını bir noktada toplayarak,

maksimum güneş enerjisini mekanik enerjiye

çevrilmesini içermektedir.

ANAHTAR KELİMELER:

Stirling motor, çukur ayna, takip sistemi

ABSTRACT

Consuming of unsustainable energy sources and

limitation of fossil fuel become threat for the

future life. Because of high cost energy,

destruction of environment and environment

pollution are caused that required to using

sustainable and finite energy generation.

Renewable energy technologies are clean sources

of energy and it has lower environmental impact

than conventional energy technologies. One of

them is solar energy as finite energy. In this study

shows that how to design and manufacture the

Stirling Engine, it combined with parabolic

mirror collect sunrays in focus point and thanks

to developing a tracking system, obtained

maximum useable mechanical energy from the

sun, converted from solar energy to mechanical

energy.

KEYWORDS:

Stirling engine, parabolic mirror, tracking system


1. GİRİŞ

Mece 407- 408 araştırma projesinin amacı güneş

enerjisini kullanarak, parabolik ayna ve stirling

motor ile elektrik enerjisi üretmektir. Mece 407-

408 araştırma projemizin ana başlıklar güneş

takip sistemi, stirling motor ve çukur ayna olarak

3’e ayrılmaktadır. İlk olarak takip sistemi güneşi

takip ederek verimliliği en yüksek seviyede

tutmayı sağlamaktadır,bu takip LDR

sensörlerinden gelen bilgilerin mikro işlemciler

sayesinde işlenerek, çift eksenli takip sistemi adı

verilen sistemin sürülmesi ile sağlamaktadır.

Çukur ayna olarak adlandırılan ayna çeşiti şekil

olarak çanak anteni anımsatmaktadır, bu ayna

güneş enerjisini bir noktada odaklayarak yüksek

derecede ısı elde etmeyi sağlamaktadır, ısı tek

noktada toplandığından bu noktaya odak noktası

denmektedir. Yaptığımız hesaplamalarda MECE

407-408 araştırma projesinde kullanılan çukur

aynanın odak noktasın merkezinden 75 cm

uzakda bulunduğu tespit edilmiş ve yapılan

ölçümlerde bu ısının 915 dereceye kadar

çıkabildiği gözlenmiştir. Bu proje kapsamında

yapılan araştırmalar stirling motorun ısı enerjisini

haraket enerjisine çevirmede en iyi yol olduğunu

göstermektedir. Bu motor dıştan yanmalı bir

motor çeşitidir, stirling motorun çalışma prensibi

ısınan havanın genleşerek pistonu itmesi ve

bunun sonucunda hareketin elde edilmesinden

oluşmaktadır. Son olarak bütün projenin amacı

güneş enerjisinden yüksek ısı enerjisi elde ederek,

bu yüksek enerji ile stirling motorundan hareket

enerjisi elde etmekdir.

2. SİSTEMİN ANA KISIMLARI

2.1 Stirling Motor

Stirling motoru, sıcak hava motoru olarakta

bilinen dıştan yanmalı bir ısı makinası tipidir.

Temel çalışma prensibi sıcaklık değişimine bağlı

olarak ısınan ve soğuyan havanın genleşip

sıkışarak basınç yaratmasıdır. Isı değişim prosesi,

Carnot çevriminin pratik olarak uygulanması ile

ısının mekanik harekete dönüşümünün ideal

verime yakın olmasına izin verir. Stirling

motorları dıştan ısı vermeli motorlar olduğundan,

içten yanmalı motorlara ve diğer ısı motorlarına

göre bir çok üstünlükleri vardır. Her türlü yakıt

ve ısı kaynağı kullanılabilmektedir. Özellikle

güneş enerjisi uygulamalarında elde edilen

başarılı sonuçlarla giderek artan enerji ve çevre

sorunlarına karşı alternatif bir enerji dönüştürücü

olarak kullanılmaya başlanmıştır. Stirling

motorları gürültüsüz ve titreşimsiz çalışmaları,

yüksek termik verimleri, çevreci motor ve uzun

ömürlü olmaları nedenleriyle, sulama

alanlarından uzay teknolojisine ve elektrik

uygulamalarına kadar birçok alanda

kullanılmaktadır. Bunun yanısıra yeterli tork ve

özgül güç değerleri ile basit tasarımları

araştırmacıları bu motorlar üzerinde çalışmaya

yönelten başlıca nedenlerdir. Günümüzde 4 temel

stirling motor çeşiti kullanılmaktadır. Bunlar

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 piston), rejenaratör

(regenerator), biyel (connection rod), silindirler

(cylinders), ve volan (flywheel) parçalarıdır.

Gama stirling motoru ile ilgili literatür

araştırmaları yapıldıktan sonra gama stirling

motorunun prototipini elde etmek için mini bir

gama stirling motorunun CATIA programında her

parçası olmasada ana parçaları çizilerek montajı

Şekil 1’de gösterildiği gibi yapılmıştır. Bu sayede

stirling motorunun parçaları hakkında daha iyi

bilgi sahibi edinildi. Stirling motorunun teknik

çizimleri yapıldıktan sonra kinematik analizleri

yapılmaya çalışıldı ama kinetik analizler tam

verimli bir şekilde yapılamadı. Literatür

araştırmalarında stirling motorun parçaları tam

detaylı anlatılmadığı için ana parçaların, parça

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 1. Gama Stirling Motor Prototipi

Pistonlar birbiriyle eş merkezli olmayan ayrı

silindirlere sahiptir. Silindirler birbirine paraleldir

ve ölü hacmi en aza indirecek şekilde Şekil

2’deki gibi yerleştirilmiştir. Alt kısımda bulunan

silindir, çalışma hacminin azaltılıp, arttırılmasını

yani iş akışkanının sıkıştırılıp, genişletilmesini

sağlamaktadır. Üst kısımdaki silindir ise, yer

değiştirme pistonu aracılığı ile iş akışkanının

soğutulup, ısıtılması görevini yerine

getirmektedir. Tasarımın avantajı mekanik olarak

basit olmasıdır.

Şekil 2. Gama Stirling Motor Yapısı [1]

Stirling moturun sıcaklık çevrimi Carnot

çevrimine dayanır. 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

olarak adlandırılır ve motordaki gücü üreten

pistondur. Carnot çevriminden bilindiği üzere

sıcak ve soğuk ısı kaynaklarının sıcaklıkları

arasındaki fark arttıkça ısıl verimin arttığı

bilinmektedir. Dolayısıyla bu sıcaklık farkını

arttırmak için Stirling çevriminde sistem içi ısı

geçişi yapılır; bu sistem içi ısı geçişine literatürde

rejenerasyon adı verilmektedir. “Stirling motorun

performansı rejenerasyonun performansından

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)

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)

Şekil 3. Stirling Çevrimi P-V Diagramı

(Carnot Cycle) [3]

Stirling motorun performansı P-V diyagrama göre

hesaplanılabilir. Motor hacmi, iç geometri hesabı

kullanılarak kolayca hesaplanır. Hacim,

kullanılacak olan gazın kütlesi ve uygulanacak

olan sıcaklık seçildikten sonra basınç ideal gaz

formülü kullanılarak hesaplanır.

Şekil 4. Schmidt Teorisi [4]

Stirling motorun P-V diagram denklemleri ve

model hesaplaması Schmidt teorisine

dayanmaktadır. Formülde kullanılacak olan

semboller Şekil 4’te gösterilmektedir. Denklemin

bir kısmı aşağıdaki gibidir. 1 numaralı denklem

genişleyen hacim denklemidir. 2 numaralı

denklem sıkışan hacim denklemidir.


SEE DE

VV (1 cos x) V

2

(1)

SE SCC DC

V VV (1 cos x) (1 cos(x dx) V

2 2

(2)

Toplam momental hacim- V bir sonraki 3

numaralı denklemde tanımlanmıştır.

E R CV V V V (3)

Motor basıncı – P, ortalama basınç - Pmean,

minimum basınç - Pmin ve maksimum basınç -

Pmax aşağıdaki 4 numralı denklemler kullanılarak

bulunur.

2

meanP 1 c Pmin(1 c) Pmax(1 c)P

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,

piston ve silindirlerin teknik çizimleri yapılmıştır.

Üretim için kullanılacak malzeme özellikleri

alüminyum profil no: 5686 seçilmiştir. Isı

transferinin 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

çizimleri yapılmıştır ancak Stirling motorunun

üretim safhasına geçilememiştir.

2.2 Parabolik Ayna

Parabolik aynalar güneşten gelen ışınları bir

noktada toplayarak odaklamaktadır. Işınların

toplandığı bu noktaya aynanın odak noktası

denmektedir. Güneş ışınlarını tek noktada

toplamasında parabol olarak özel bir şekle

sahiptir. Parabolik aynalara parabolik yansıtıcılar

ya da parabolik çanak ta denilmektedir. Aynaya

gelen güneş ışınları Şekil 5’te gösterildiği gibi bir

noktada odaklanmıştır ve F noktası aynanın odak

noktasıdır.

Şekil 5. Parabolik Aynanın Odak Noktası [5]

Projede kullanılan aynanın çapı 65 cm, derinliği

3.5 cmdir ve 1.5 kg ağırlığındadır. Aynanın odak

noktası 5 numaralı formülle bulunmaktadır.

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 alanı otomotiv sektörüdür.

Örneğin, arabaların farlarında 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.

Şekil 6. Test Edilmiş Sıcaklık Değeri

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 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

ve fiyat azalmıştır.

Şekil 7. İki Eksenli Takip Sistemi

Elektronik Kısım: Elektronik kısım kontrolcü,

güç kaynağı ve ışık sensörlerinden oluşmaktadır.

Elektronik kısmın ana amacı güneşi en verimli

şekilde takip etmektir. Güneş takibi için LDR

yani ışık sensörü kullanılmaktadır, dört adet ışık

sensörü birbirini görmeyecek şekildi

yerleştirilmiştir. Bu yerleştirme sayesinde yüksek

verim elde edilmektedir. LDR1, LDR2, LDR3 ve

LDR4 den elde edilen veriler 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

olarak Arduino Mega kullanılmaktadır. Ayrıca,

elektronik devre bağlantıları Şekil.9’da

gösterilmektedir.

Şekil 8. LDR Pozisyonu

Şekil 9. Elektronik Devre

Tablo 1. LDR Verileri

LDR1 LDR2 LDR3 LDR4

IŞIKLI ORTAM 852 894 830 865

AZ IŞIKLI ORTAM 481 502 440 454

KARANLIK ORTAM 366 380 320 335

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

verilmiş ve teknik özelliklerine değinilmiştir.

Stirling motorunun prototipi teknik olarak

çizilmiş ve montajı çizim programı olan Catia

programında yapılmıştır. Buna ek olarak Stirling

çevriminin teorik analizine ve termodinamik

analiz yöntemlerine yer verilmiştir. Bir diğer

önemli parçası olan güneş takip sistemi iki

eksenli olarak tasarlanıp, güneş takibi için gerekli

olan yazılım programı yazılmış ve LDR devre

tasarımı yapılmıştır. Son olarak güneş ışınlarını

bir noktada toplayan çukur ayna temin edilerek

güneş takip sistemine montajı yapılıp, güneş takip

sistemi çalıştırılmıştır. Sonuç olarak, Stirling

motorunun üretimi yapılamadığından güneş

enerjisinden elektrik enerjisi üretimi yapılamamış

fakat çukur ayna ile güneş enerjisinden yeterli ısı

elde edilmiştir.

4. GELECEKTEKİ ÇALIŞMALAR

Gelecekte yapılacak çalışmalar arasında, stirling

motor üretimi yapılacaktır ve güneş takip

sistemininin üzerinde bulunan çukur aynanın

odak noktasına gelecek şekilde monte edilip ısı

enerjisinden haraket enerjisi elde edilecektir. İki

eksende hareket edebilen güneş takip sistemi

rüzgardan ve doğal olaylardan etkilenmemesi için

sistemin esnekliğinin azaltılması ve

mukavemetinin arttırılması gerekmektedir.

TEŞEKKÜR

Bu araştıma, MECE 407-408 Lisans

Araştırma Projeleri I-II dersleri kapsamında




çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı Yrd.

Doç. Dr. Zuhal ERDEN’e teşekkür ederiz.

KAYNAKÇA

[1]http://www.ohio.edu/mechanical/stirling/engin

es/gamma.html

(Erişim: 12.12.2011 )

[2] Watanabe, H., Fujisawa, Y. (2000),

“Characteristics of Stirling Engine Regenerator”,

Naotsugu Isshiki-Tokyo Institute Technology

p.1248

[3] Gheith, R., Alouiand F. and Ben Nasrallah S.,

(2011), “Experimental Study of a Beta Stirling

Thermal Machine Type Functioning in Receiver

and Engine Modes ”, Journal of Applied Fluid

Mechanics, Vol. 4, No. 2, Issue 1, pp. 33-42

[4] Hirata, K., “Chmidt Theory for Stirling

Engine”, 1997

[5] www.wikipedia.org/wiki/Parabolic_reflector

(Erişim: 04.04.2012 )

http://www.ohio.edu/mechanical/stirling/engines/gamma.html

http://www.ohio.edu/mechanical/stirling/engines/gamma.html


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

Gün geçtikçe robotlar toplumda önemli rol

üstlenmektedirler. Bu robotlar biz insanların

yaptıkları işleri daha kolay ve konforlu hale

getirmek için tasarlanmaktadır. İnsansı robot yüz

de eğitim, eğlence veya bilgi verme alanlarında

kullanılan bir robot türüdür. Bu amaca yönelik

olarak, insansı robot yüz tasarımı Atılım

Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü

bünyesinde yapılmaktadır. Bu çalışmada insansı

robot yüz, konuşma, burun (koku algılama) işitme

ve görme duygusu özellikleri destekler. Konuşma

sistemi aynı zamanda sese uygun çene hareketini

gerçekleştirmektedir. Bu özellikler, robot

üzerinde otomatik olarak çalışır. Bu makale giriş,

kaynak taraması, insansı robot yüz tasarımı ve

sonuç bölümlerinden oluşmaktadır.

ANAHTAR KELİMELER:

İnsansı robot yüzü, Konuşma, Burun (koku

algılama), Duyma, Görme

ABSTRACT

Day by day, robots play an important role in

society. The robots are designed to make human’s

jobs easier and more comfortable. Humanoid face

robot is a kind of robot which are used for

education, entertainment and informational.

Toward this goal, the humanoid face robot design

is done within the Atılım University, Department

of Mechatronics Engineering. The humanoid face

robot supports sense of features that are speech,

nose (smell detection), hearing and vision. The

speech system carries out jaw movement with

respect to sound. These features will

automatically run on the robot. This article

involves introduction, literature survey, design of

the humanoid face robot and conclusion parts.

KEYWORDS

Humanoid robot face, Speech, Nose (Smelling

detection), Hearing, Sighting


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

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 de sahiptir. Bu özelliği

sayesinde çevresindeki görsel 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.

Kaynak 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.

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 önce yapılan projeler

incelenmiştir. Bu projelere 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.

Konuşma ve koku alma sistemi elektronik

bölümde incelenmiştir.

3.1 Mekanik Tasarım

İnsansı robot yüzün çene hareket sistemi bu

bölümde incelenmiştir. Çene hareket

mekanizması dönme hareketini sağlayan servo

motor ve bu hareketi yüzden ayrı olan çene

parçası ile bağlayan bağlantı aparatı ile

sağlanmıştır. Servolara sese uygun hareketi

sağlaması için Arduino işlemcisi kullanılmıştır.

Bu devre elektronik tasarım bölümünde detaylı

olarak anlatılacaktır.

Yüzün genel yapısında hazır oyuncak maskeler

kullanılmıştır. Şekil 1’de robot yüzün genel

görünümü verilmiştir.

Şekil 1. İnsansı Robot Yüz

Çenenin hareketli olabilmesi için maskeden çene

bölümü kesilerek alınmıştır ve daha önce

bahsettiğimiz gibi servo motora bağlanmıştır

(Şekil 2). Servo ile çene arasındaki bağlantıyı

kurabilmek için alüminyum bar tasarlanmıştır. Bu

bar alüminyum plakadan kesilerek ve belirli

yerlerine servo bağlantısı yapılabilmesi için vida

delikleri delinerek üretilmiştir. Delikler açıldıktan

sonra çene ile bağlanacak ucu 90 derecelik açı ile

bükülmüştür. Sistemde gene alüminyumdan

üretilmiş kasa bulunmaktadır. Servo motor ve

kafa bu kasaya bağlanmıştır. Tüm sistem bu

kasaya bağlıdır. Sistemde alüminyum

seçilmesinin nedeni kolay bükülebilir ve kolay

işlene bilir bir madde olmasıdır.


Şekil 2. Servo-Çene Mekanizması

Ayrıca sistemde kafanın sağa ve sola dönebilmesi

için ikinci bir servo kullanılmıştır. Bu servo ile alt

şase ve kafa arasında bağlantı kurularak dönmesi

sağlanmıştır. Şekil 3’de bu bağlantı gösterilmiştir.

Şekil 3. Alt Servo Sistemi

Yüz mekanizmasında kullanılan parçalar Tablo

1’de gösterilmiştir.

Tablo 1. Yüz Mekanizması Parçaları

Parça Adet

Oyuncak Maske 1

Çene 1

Servo 2

Alüminyum bar 1

Alüminyum kasa 1

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

bağlanmıştır. Servo Digital (PWM) bacaklarından

9. Bacağa bağlanarak PWM sinyali alınmıştır.


İstenilen açı değerlerini servoya aktarabilmek için

bu PWM girişleri kullanılmalıdır.

Şekil 4. Arduino Ses Devresi

Ses sinyalleri bilgisayar üzerinden alınmaktadır.

TTS5 konuşma programı ile yazılan metni okuma

sağlanmıştır. Çıkan ses sinyalleri iki kanala

ayrılarak biri ses-servo devresine diğeri ise

hoparlöre aktarılmıştır.

Gelen ses sinyallerini servo için anlamlı bir açısal

değere çevirmesi için, gelen sinyaller belirli bir

çarpan ile çarpılarak yükseltilmiştir. 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

olarak C/C++ kullanılmaktadır. Programın genel

görünüşü Şekil 5’de gösterilmiştir.

Şekil 5. Arduino AraYüz Programı

İkinci olarak koku tanıma sistemini

inceleyeceğiz. Bu sistemde çeşitli gaz sensörleri

MQ4 (Şekil 6), MQ7 (Şekil 7) ve işlemci olarak

yine ARDUINO UNO (Şekil 8) kullanılmıştır.

Şekil 6. MQ4


Şekil 7. MQ7

Şekil 8. Arduino Uno

MQ4 metan gazı sensörüdür. Bu basit bir-

sıkıştırılmış 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

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 9. Gaz Sensör Devresi

Bu sistemde MQ4 ve MQ7 sensörleri aynı anda

kullanılmıştır. Sistem bu sensörlerin

kombinasyonları ile çalışmaktadır. Belirli gaz

seviyelerinin üzerine çıkıldığı zaman

sensörlerimizden analog alınan veriler Arduino

üzerinden yazılım yardımı ile işlenerek konuşma

sistemine aktarılmaktadır. Buda bize ortamdaki

gazın cinsi ve seviyesi hakkında bilgi

vermektedir.


İnsansı robot yüzün elektronik parçaları Tablo

2’de gösterilmiştir.

Tablo 2. Elektronik Parça Listesi

Parça Adet

SERVO 1

ARDUINO UNO 1

LI-PO 7,4 V 1

MQ4 GAZ SENSÖR 1

MQ7 GAZ SENSÖR 1

USB KABLO 1

SES KABLOSU 1

PC 1

HOPERLÖR 1

KULAKLIK JAKI 1

DİRENÇ 1

KONDANSATÖR 1

4. SONUÇLAR VE GELECEK HEDEFLER

Proje bu seneki hedefine ulaşmıştır. Robot bir

insan gibi konuşması ile birlikte çene hareketini

senkronize bir biçimde sağlamaktadır. Koku alma

özelliği de bu sistemle otonom şekilde

çalışabilmektedir. İnsansı robot yüz projenin

gelecek çalışması gerçek bir insan yüzüne en

yakın sistemi yapmaktır. Örneğin yüz ifadelerini,

daha gerçekçi şekilde, ağız, göz, ifadeleriyle

destekleyerek yapmaktır. Koku alma sisteminde

de şu an için sadece zararlı gazları ayırt

etmektedir. Gelecek çalışma olarak bütün

kokuları tanıyabilmelidir. Örneğin parfüm yada

farklı kokuları sınıflandırmalıdır. Projeye ek

olarak görme ve ses algılama sistemleri

eklenecektir. Görme sisteminde insanları ve

objeleri ayırt edecektir. Ses algılamada ise

insanların söyledikleri komutlara cevap

verebilmelidir. Sonuç olarak insansı robot yüz

gerçek bir yüzün yapabileceği her şeyi

yapabilmelidir.

Sonuç olarak, MECE 407-408 Lisans Araştırma

Projeleri I-II dersleri kapsamında yürütülen

İnsansı Robot Yüz projesi bu seneki hedefine

ulaşmıştır ve gelecek çalışmalar için önemli bir

adımdır.

TEŞEKKÜR







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_attention-

ijcai99.pdf

[2] Cynthia Breazeal, Michael Siegel, Matt

Berlin, Jesse Gray., (2008), “Mobile,

Dexterous, Social Robots for 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/SkullKit-

Sept-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

Bu makalede, döner kanatları ile dikey olarak



dört rotorlu uçan robotun yapısal tasarımı,

matematiksel olarak modellenmesi ve yönelim

denetimcisi tasarımı sunulmaktadır. Ayrıca,

alışılagelmişin dışında bir uçan robot

çerçevesinde, iki farklı manipülatör

alternatiflerinin (Delta Robot ve 2 serbestlik

derecesine sahip robot kol) sisteme entegrasyonu

çalışmaları sunulmaktadır. Uçan robotun dinamik

modeli Newton-Euler denklemleri ile elde edilmiş

olup, sistemin yönelim denetimi için

Matlab/Simulink ortamında geliştirilmiş ve

Simulink Real Time Windows Target kullanılarak

gerçek zamanlı uygulaması yapılmıştır. Sistemin

yönelim denetimi için Doğrusal Karesel

Düzenleyici (LQR) tasarlanmıştır.

ANAHTAR KELİMELER:

Sıra dışı uçan robotlar, Dikey iniş kalkış, Robot

kol, Delta Robot, Gerçek zamanlı denetim, LQR.

ABSTRACT

In this article, a VTOL (vertical take-off and

landing) type UAV (unmanned air vehicle) novel

flying robotic platform, having an attitude

stabilization and orientation has been presented.

The structural design process of novel quad-rotor,

mathematical model and also designing of a

controller processes are given. Furthermore,

studying on the integration of two robot

manipulator alternatives to the system which are

Delta Robot and 2 DOF robot arm, has been

presented. Dynamical model of the system is

obtained by using Newton-Euler formulations.

The control system is developed in

Matlab/Simulink and real time implementation is

achieved by using Simulink Real Time Windows

Target utility. Lineer Quadratic Regulator is

designed for the stabilization of the attitude

dynamics.

KEYWORDS

Novel Flying platforms, VTOL, 2 DOF Robot

Arm, Delta Robot, Real Time Control, LQR.


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

araştırılması, 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 olan robotik

manipülatör çalışmaları da 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. Bu

çalışmada LQR tabanlı denetleyici 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 Newton-

Euler 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.


2. YAPISAL TASARIM

Sistem tasarımına başlarken, Uçan Robotlar

Laboratuarında mevcut olan Himax 2025-4200

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 var olan motor üniteleri için

üretilebilecek maksimum itme kuvvetleri

hesaplanmıştır. Alınan toplam kuvvetin %60’ı

sistemin ağırlığı ve yük kapasitesi için ayrılmıştır.

Geriye kalan %40’lık kısım sistemin yönelim

denetimi ve stabilizasyonu için kullanılmıştır.

Buna göre sistemin toplam ağırlığı ortalama

olarak 2kg civarında olması beklenmiştir.

Tasarım aşamasında bazı kısıtlamalar dikkate

alınmıştır [4]. Ağırlık kısıtlamaları, uzunluk

kısıtlamaları(Maksimum çap=1m, rotorlar arası

uzaklık=60cm), malzeme seçimi, titreşim azaltıcı

çalışmalar ve sistemin yapısal güvenilirliği

bunlardan bazılarıdır. Bu sınırlamalar göz önünde

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

gerekmektedir. Bu sebeple sistem, motorların

olduğu bölgelerden benzetim programında

sabitlenmiş ve çözüm sonuçları birbirlerine

yaklaşana kadar ağ boyutları küçültülüp benzetim

tekrarlanmış olup gösterilmiştir (Şekil 1).

Şekil 1. Solidworks® Frekans Analiz Sonucu

Sistem, havada asılı olduğu durumdaki motorların

dönüş hızları 193.73rad/s ile 644rad/s arasında

olduğu hesaplanmıştır. Tablo 1 de, Solidworks®

programında yapılan analizin sonuçları

verilmiştir. Buradaki maksimum görülen frekans,

motorların dönüş frekansından yeterli ölçüde

uzak olduğu görülmektedir.

Tablo 1. Frekans Analiz Sonuçları

Mod

Numarası

Rezonans

frekansı(rad/sec)

Rezonans

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


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,

motor tutuculardan, motorların teorik olarak

üretebileceği maksimum kuvvet uygulanarak

sistemin statik analizi yapılmıştır (Şekil 2).

Şekil 2. Solidworks® Statik Analiz Sonucu

Statik analiz simülasyonu sonucu sistem

üzerindeki maksimum basınç 13.8MPa,

maksimum kaydırım 1.4mm bulunmuştur.

Yapılan analizler sonucunda, sistem üzerinde

meydana gelen basınçlara ve yüzey gerilimlerine

dayanabilen malzeme olarak Aliminyum

seçilmiştir. Tüm analizler sonucunda, sistemin

yapısal tasarımı iyileştirilmiş olup üretime

başlanmıştır. Şekil 3 de sistemin 3 boyutlu katı

model ve fiziksel model gösterilmiştir.

Şekil 3. Sistemin 3 Boyutlu Katı Modeli ve

Fiziksel Hali

3. MANİPÜLATOR TASARIMLARI

Bu bölümde Delta Robot ve 2 serbestlik

derecesine sahip robot kol tasarımları

bulunmaktadır. Buradaki amaç, tasarlanan

manipülatörlerin uçan sisteme bütünleştirilmesi

göz önünde bulundurularak sıra dışı bir sistem

elde etmektir. Alışılagelmişin dışında olan bu

sistemin kullanılma nedenleri şunlardır:

*Sistemin çalışma esnasında, ağırlık merkezinin

yerinin manipülatör yardımıyla değiştirilerek,

uçan platformun yönlendirilmesi,

*Entegre edilen sistemin hızlı tepkiler vermesiyle

oluşan etkilerin, uçan sistemin stabilizasyonuna

yardımcı olması,

*Sistemin kontrolcüsünü test etmek amacıyla,

dışarıdan manipülatör sayesinde sisteme

bildiğimiz bir rahatsızlık vermek,

*Sistemin eğilip yerdeki bir objeyi dürtmek, tutup

çekmek ve taşımak için bir manipülatör

kullanmak.


3.1 Delta Robot

Delta Robot 3 eksende hareket kabiliyeti olan

paralel manipülatördür. Bu sistemin en önemli

avantajı çok hızlı çalışması ve tepki vermesidir.

Bu yüzden uçan sistemimize uygun bir

manipülatör olduğundan modellenip

tasarlanmıştır. Delta Robotun ters kinematik

modeli Şekil 4 baz alınarak çıkarılmıştır.

Şekil 4. Delta Robotun Eklem Yerleri [5]

Ters kinematikte, verilen x,y,z koordinatlarına

göre motorların gideceği açılar hesaplanmıştır.

Şekil 5 de geometrik ilişkiler kullanılmıştır.

Şekil 5. Delta Robotun Geometrik Pozisyonu [5]

30√

(1)

,√

, 0,√

, (2)

3

0,√

, 0

(4)

√

√

(5)

J 0, yJ , zJ

� tan (6)

Şekil 6 da, �1 bulunduktan sonra, sistemi XY

düzleminde Z eksenine dik olarak 120 derece saat

yönünün tersinden döndürülmesiyle �2 ve �3

hesaplanmıştır.

Şekil 6. Deltanın XY Düzlemindeki Hareketi [5]


Kinematik denklemler sonucunda katı modelleme

programı kullanılarak Delta robotun simülasyonu

yapılmıştır. Sistem üretilip, servo motorlarla

sürülerek laboratuarımızda test edilip doğruluğu

görülmüştür. Şekil 7 de, robotun katı modeli ve

fiziksel hali, Şekil 8 de, uçan sisteme entegre

edilmiş hali gösterilmiştir.

Şekil 7. Delta Robotun Katı modeli ve gerçek hali

Şekil 8. Delta Robotun Uçan Sisteme Entegresi

3.2 Robot Kol

Şekil 9 da, 2 serbestlik derecesine sahip robot

kolun ileri kinematik denklemleri çıkarılmıştır.

Şekil 9. Robot Kolun XY Eksenindeki Durumu

cosѲ cos Ѳ Ѳ (7)

sinѲ sin Ѳ Ѳ (8)

Şekil 10 da, tasarlanan 2 serbestlik derecesine

sahip robot gösterilmiştir.

Şekil 10. Robot Kolun Fiziksel Hali

4. DİNAMİK MODELLEME

Sistem modellenmesinde gerekli basitleştirmeleri

yapabilmek için bazı varsayımlara gidilmesi

öngörülmüştür. Bunlar;

*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 11 deki serbest cisim diagramında, sistemin

genel durumu görülebilir, “b” gövde için “e” ise

yerin referans eksenlerini belirtmek için

kullanılmıştır [6].


Şekil 11. Genel Durum

Sistemin yönelim dinamiği için kullanılacak

genel durum vektörü;

(9)

Bunların zamana göre değişimlerini veren

denklemler;

(10)

(11)

1 . .0 cos0 . .

(12)

(13)

(14)

(15)

I=0.05146 0 0

0 0.05146 00 0 0.09420

(16)

Sistem üzerinde oluşan kuvvetler ve momentler

itki testinden elde edilen motor modelleri ile

bulunmuştur (Şekil 12).

Şekil 12. İtme Kuvveti ile Çalışma Rejimi İlişkisi

F1=(36.04*rejim1-1104 /1000)*9.81 (17)

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)

L=0.3m

4.1 Denklemlerin Doğrusallaştırılması

Dinamik denklemler sistemin havada asılı kalma

durumu baz alınarak, jacobianlar kullanılarak

doğrusallaştırılma yöntemi izlenmiştir [6].

0 0 0 0 0 0 (24)

Verilen n genel durum denklemi, y= f(x), ve n

genel durum değişkeni x1,…,xn, kullanılarak

Jacobian matrisi aşağıda gösterildiği gibi

hesaplanır;

1

1

1

2…

2

1

2

2… (25)


Girdi matrisi, B, dört motorun çalışma

rejimlerinden oluşan girdi vektörü , u, ve jacobian

metodu kullanılarak doğrusallaştırıldı.

(26)

GX-2 ataletsel ölçüm algılayıcısı kullanılarak

sistemin üç eksenindeki açılar ve açılar hızları

ölçülebilmekte olduğu için C matrisi 6x6 özdeşlik

matrisi haline gelir. Düz geçiş matrisi D ise,

sistemin girdi ve çıktıları arasında doğrudan bir

bağlantı olmadığı için sıfır alınır. Böylece çıkış

matrisi

(27)

5. DENETLEYİCİ TASARIMI

Dört rotorlu uçan sistemlerin kontrolü için

literatürde bir çok alternatif vardır [6, 7, 8].

Sistemin kontrolü için değişken geri beslemeli

Doğrusal Karesel Düzenleyici tasarımı

yapılmıştır. Bu kontrolcünün kullanılma nedeni,

sisteme uygulanması kolay ve ideal sonuçlar

verebilmesidir. Ayrıca birden fazla girişi ve çıkışı

olan sistemlerde dirençli bir düzenleyicidir.

Sistem zamanla değişmeyen bir sistem olarak göz

önüne alındığında, durum değişkeni şu şekilde

olur;

= Ax + Bu (28)

y= Cx +Du (29)

x(0)=x0 (30)

x=Sistemin durum değişkeni,

u=Sisteme uygulanan girdi(Çalışma rejimi(%)),

A=Sistem matrisi, B=Girdi matrisi,

C=Çıktı matrisi, D=Doğrudan geçiş matrisi.

LQR kontrolcüsü sistemin performansını

arttırmak ve ideal bir kontrol sağlamak için

minimizasyon fonksiyonu hesaplar.

J= (31)

Bu optimizasyon problemini çözerek K kazancını

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, kontrolcüyü tasarlayan kişi

tarafından ayarlanır.

Q matrisi sistemin sahip olduğu durum

değişkenlerinin karakteristiğini belirler. Bu

matriste durum değişkenlerinin önceliği

belirlenir. Eğer Q matrisi değerleri artarsa sistem

daha çabuk tepki verir.

R matrisi sistemin kontrolcü girdilerinin

performans matrisidir. Eğer bu değerler artarsa

kontrolcü sinyalinin önemi azalır, böylece sistem

daha az enerji harcar fakat kontrol hızı düşmüş

olur.


Şekil 13 de, Matlab/Simulink ortamında gerçek

zamanlı denetleyici tasarımı verilmiştir.

Şekil 13. Gerçek Zamanlı Denetleyici Tasarımı

Sistemin denetleyici kontrolü altında genel

çalışma prensibi Şekil 14 deki gibidir.

Şekil 14. Sistemin Genel Çalışma Prensibi

Sistem yuvarlanma açısında -5o, yunuslama

açısında +5o başlangıç koşuluna sahip olduğu

andaki kontrolcü simülasyon çıktıları Şekil 15 ve

Şekil 16 da gösterilmiştir.

Şekil 15. Yuvarlanma Açısının Kontrolü

Şekil 16. Yunuslama Açışının Kontrolü

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 Newton-

Euler yöntemiyle elde edilmiş olup denetleyici

tasarımı yapılıp, benzetim çalışmaları

Matlab/Simulink yazılımında test edilmiştir.

Gerçek Zamanlı Windows Hedefi kullanılarak,

LQR tabanlı denetleyicinin sistemin pozisyon

referanslarını başarılı bir şekilde yakaladığı test

edilmiştir. Tasarlanan ve üretilen manipülatörler

sistem üzerine entegre edilmeden önce tek

başlarına başarıyla sürülmüştür. Gelecek

çalışmalarda üretilen Delta Robotun uçan


sistemle bütünleşmesi hedeflenmiş olup, sıra dışı

hale gelen yeni sistemin dinamik modellenmesi

ve denetleyici tasarımı yapılacak ve

gözlenecektir. Ayrıca uçan sisteme bir CMUcam2

kamerası takılıp yerde seyir halinde olan bir kara

aracını takip etmesi hedeflenmiştir.

TEŞEKKÜRLER

Bu araştıma, MECE 407-408 Lisans Araştırma





çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı Yrd.

Doç. Dr. Zuhal Erden’e, Ahmed Aksal’a, Anıl

Güçlü’ye, Mehmet Çakmak'a, Mehmet Aday’a

ve Meral Aday’a teşekkür ederiz.

KAYNAKÇA

[1] Mellinger, D., Shomin, M. ve Kumar,V.,

(2010), “Control of Quadrotors for Robust

Perching and Landing”, International

Powered Lift Conference, October 5-7, 2010,

Philadelphia, PA (Erişim: 12.11.2011)

[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)

[3] W.Beyer, E., (2009), “ Design, Testing, and

Performance of a Hybrid Micro Vehicle-

The Hopping Rotochute”

http://smartech.gatech.edu/jspui/bitstream/18

53/29661/1/beyer_eric_w_200908_phd.pdf

(Erişim: 13.12.2011)

[4] Pounds,P., (2011), “5.Case Study: Large

Quadrotor MAV Design”

http://www.eng.yale.edu/pep5/nasa_ct_space

_grant_workshop/5_Special_topic__Large_q

uadrotor_MAV_design.pdf

(Erişim: 17.11.2011)

[5] Zavatsky, M., (2009) “Delta Robot

Kinematics”,

http://forums.trossenrobotics.com/tutorials/int

roduction-129/delta-robot-kinematics-3276/

(Erişim: 16.12.2011)

[6] Kıvrak, Ö., A., (2006), “ Design of

ControlSystems for a Quadrotor Flight

Vehilce Equipped with inertial sensors”, Y.

Lisans Tezi, Atılım Üniversitesi, Mekatronik

Mühendisliği Bölümü (Erişim: 23.02.2010)

[7] Domingues, J. M. B., (2009),"Quadrotor

Prototype",

https://dspace.ist.utl.pt/bitstream/2295/5740

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

Gelişen teknoloji birçok gereksinimi beraberinde

getirmektedir. Bunların sonucunda insanlara

günlük hayatlarında yardımcı olmak ve

hayatlarını kolaylaştırmak amacıyla geliştirilen

insansı robot çalışmalarında gözle görülür bir

artış görülmektedir. Atılım Üniversitesi

Mekatronik Mühendisliği Bölümünde yürütülen

bu çalışmada, laboratuvarlarda gündüz rehber,

gece ise güvenlik görevi üstlenebilecek bir robot

tasarımı yapılmaktadır. 2011-2012 Akademik

yılında yürütülen ve bu bildiride anlatılan

çalışmalarda laboratuvar koridorlarında sabit

engellere çarpmadan dolaşabilen bir robotun

mekanik ve elektronik tasarımı, üretimi ve testleri

yapılmıştır.

ANAHTAR KELİMELER:

İnsansı robot, Rehber robot, Güvenlik robotu,

Robot tasarımı

ABSTRACT

Developments in technology bring many needs.

As a result of this, there are remarkable increases

in humanoid robot research for helping people in

daily life applications and making life easier for

them. In this research which performed in Atılım

University Mechatronics Engineering

Department, there is a robot design which is

guide in day time and security in night time at the

Mechatronics laboratories. In the 2011-2012

academic year, the work done in this paper

introduces that the mechanical and electronic

design, manufacturing and testing a robot which

locomated without crashing static obstacles in

laboratory holes.

KEYWORDS

Humanoid robot, Guide robot, Security robot,

Robot design


1. GİRİŞ

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.

2. KAYNAK TARAMASI

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

tanımlamaları işlemcisine yerleştirilen sensör

bilgileriyle tamamen kendi yol bilgisini

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

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. Güvenlik robot ultrasonik

sensörlerden gelen bilgi ile mekatronik

laboratuvarlarında yön tanımlamasını yapar, aynı

zamanda mesai saatlerine yaklaşan vakitlerde

robot kendi laboratuvarının önünde konumlanır

ve rehber robot komutuna geçer.

Rehber/Güvenlik robot işlemcisinden 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.

Son durum olarak rehber robot mekatronik

laboratuvarlarında otonom olarak hareketini

sağlamaktadır.

3. GÜVENLİK/REHBER 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.

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.


Şekil 1. Yürüme Mekanizması

Yürüme mekanizması tasarımı iki aşamalı olarak

gerçekleştirilebilir. İlk aşama yeterli kuvveti

kaldırabilecek torka sahip motorların seçimi ve

tekerlek seçimi ikinci aşama ise kullanılacak

kasanın malzemesinin ve biçiminin

tasarlanmasıdır. Güvenlik/Rehber robotta VEX

Robotics’in tekerlek ve motor setleri

kullanılmıştır. Aşağıdaki hesaplama her bir

motorun 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 (1)

d = 4 in

d= 10.2 cm

r=d/2 (2)

r=10.2 cm /2

r= 5.1 cm

5.1cm=0.051 m

T = 1.525 N.m

Fsürtünme =( 1.525 x 2 x 100)/(10.2)

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 kullanılan parçaları

göstermektedir.

Tablo 1. Yürüme Mekanizması Parçaları

Parça Adet

Vex Robotics Tekerlek 4

Vex 3 kablolu Motor

4

Alüminyum L bar 4

Destek Panelleri 2

Yürüme mekanizması tasarımının ikinci aşaması

kasanın tasarlanmasıdır. Buna göre 4 adet

alüminyum L bar birbirlerine cıvata ve somun

yardımıyla birleştirilmiş ve 2 adet alüminyum

destek paneli yardımıyla kuvvetlendirilmiştir. L

barın ölçüleri 51cm x 4 cm, alüminyum destek

paneli 41cm x 5 cm’dir. Alüminyum parçaların

bu ölçülerde tasarlanmasının nedeni ise

mekatronik laboratuvarlarında rahatlıkla

dolaşmasını sağlamaktır. Tasarımda alüminyum


malzeme kullanımının sebebi kolay işlenebilirliği

ve hafif olmasıdır. Bu parçaların çizimleri SOLID

WORKS yazılımı yardımıyla yapılmıştır.

Gövde: Güvenlik/Rehber robot projesi

bünyesinde yapılan çalışmalarda yapılan ilk

tasarımda yürüme mekanizması 2 tane tekerlek ve

pleksi glassdan oluşan bir kasadan oluşmaktaydı.

Gövde tasarımı ise dikdörtgen şeklinde pleksi

glass malzemeden oluşan 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 2.Tasarım Modeli

Fakat üretimdeki imkânsızlıklar ve zaman

kısıtlaması nedeniyle bu amaca ulaşılamamış

bunun yerine tasarımda tekrar bir değişikliğe

gidilmek zorunda kalınmıştır. Yeni tasarıma göre

yürüme mekanizması üzerine 4 adet düz

alüminyum çubuk monte edilmiştir. Bu

çubukların uzunlukları 98 cm’dir. Şekil 3 de

robotun en yeni tasarımı gösterilmektedir.

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

şeması bilgisayar destekli programlar (ARES-

ISIS) sayesinde oluşturulmuş ve yazılımsal


veriler kullanılarak simülasyonu yapılmıştır.

Ayrıca bu bölümde yazılımla ilgili bilgilere de

yer verilmiştir. Aşağıda elektriksel malzemeler ve

açıklamaları verilmiştir:

Arduino Uno: Güvenlik/Rehber robotun

elektronik tasarımında işlemci olarak Arduino

Uno kullanılmıştır. Arduino Uno’nun tercih

edilmesinin sebepleri kolay programlanabilir

olması, kullanım kolaylığı ve ARES 232

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.

Şekil 4. Arduino Uno

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 her birinde 2 çıkış

bulunmaktadır ve 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

kullanım kolaylığı tercih sebebidir. Şekil 5’te

Pololu MD01D motor sürücü görülmektedir.

Şekil 5. Pololu MD01D

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.

Bu nedenle Li-Po pilin çıkış voltajı olan 11.1

voltun 5 volta indirgenmesi gerekmektedir. 7805

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 bu değerler

okunabilmekte ve gerekli ayarlamalar

yapılabilmedir. Sağda ve solda kullanılan

sensörlerin sebebi robotun kendini ortalamasını


sağlamaktır. Öndeki ve arkadaki sensörlerin

kullanım sebebi engelden kaçmaktır. Son olarak

ortada kullanılan sensörün sebebi ise robotun

durmasını sağlamaktır. Şekil 6’da devrenin baskı

devre şeması devre elemanlarıyla birlikte

verilmiştir.

Şekil 6. Baskı Devre Şeması

Yukarıdaki devre şemasında “Arduino Pins”

yazılı olan yere Arduino’nun bacakları devre

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 eksi bacakları ile birlikte

yukarıdaki baskı devre şeması üzerinde

görülmektedir.

Li-Po Pil: Sistemde 11.1 volt ve 3050 mAh

özelliklere sahip bir pil kullanılmıştır.

Oluşturulan sistem ağır olduğu için motorlardan

çekilen akım da fazladır. Bu sebepten dolayı bu

özelliklere sahip Li-Po pil seçilmiştir.

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

ve bunlara bağlı olan motorlar yardımı ile

hareketi sağlandı. Şekil 7 deki Akış şemasında

robotun mekatronik laboratuvarlarında nasıl

davranacağı detaylı olarak verilmiştir.


Şekil 7. Akış Şeması

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 kurtulduğu

zaman yoluna devam ediyor.

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 başarıyla

gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışmalar ve

denemeler sonucunda, 2011-2012 akademik

dönemindeki başarı kıstasına ulaşmıştır. Bu

başarı kıstası daha önceden de belirtildiği gibi

Bekçi/Rehber 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 ve insanları

yönlendirebilecektir. Üzerindeki dokunmatik

ekran sayesinde yönlendirilebilecek ve bu

yönlendirilmeye göre insanları 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.

TEŞEKKÜR





111201). Proje çalışmalarımıza verdikleri

katkılardan dolayı Emre GÜNER ve Cahit

GÜREL’ e teşekkür ederiz. Ayrıca Mekatronik

laboratuvar sorumluları Meral ADAY ve Handan

KARA’ ya sonsuz şükranlarımızı sunarız.

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 Tour-

Guide Robot Jinny” , IEEE- Internationel

Conference on 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), “A Method for Robustness

Improvement of Robot Obstacle Avoidance

Algorithm”, IEEE International Conference

on Robotics and Biomimetics

[6] Dhananjay B., Nitin A., Nguyen T. T , (2008),

“Path Planning for a Mobile Robot in a

Dynamic Environment” , IEEE-International

Conference on Robotics and Biomimetics

[7] Guanghua Zong, Luhua Deng, Wei Wang,

(2006), “A Method for Robustness

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

Sürü robotlar, donanım olarak fazla karmaşık

olmayan robotların, çok sayıda ve davranışları

birbirine bağımlı olan yeni bir yaklaşımdır.

Doğada yaşayan canlılardan, özellikle

böceklerden ilham alınır. Sürü robotlarda istenen

üç özellik vardır. Bunlar sağlamlık, esneklik ve

ölçeklenebilirliktir. Sürü robotlarda bugüne kadar

yapılan araştırmaların algılayıcı tabanlı olduğu,

radyo dalgalarının ve kızıl ötesi ışıkların

kullanıldığı anlaşıldı fakat kızıl ötesi ışıkların

sürü robotlarda yeterli olarak kullanılmadığı

kanısına varılmıştır. Bu bildiride, sürü robotlar

hakkında daha önce yapılan araştırmaların

yorumlanması, sürü robotlarda kullanılan

teknolojinin incelenmesi, sürü robotlar hakkında

okunan makalelerin yorumlanması, fiziksel olarak

yapım aşaması, kullanılan malzemelerden

bahsedildi.

ANAHTAR KELİMELER

Sürü, Kızılötesi, Algılayıcı

ABSTRACT

Swarm robotics is a new approach to the

coordination of large numbers of relatively

simple and coordinated robots. It is inspected

form natural life, especially bugs. There are three

desired features for swarm robots. These are

robustness, flexibility and scalability [1]. Most of

the researches are sensor based and radio

frequency, infrared light is the most popular

research sensors for swarm robots. We have

examined that radio frequency is more common

than infrared technology. In this paper, we

interpreted existed literature about swarm

robotics. Explanation of applied technology on

the swarm robotics was done. Hardware and

software of the system and used material was

explained.

KEYWORDS

Swarm robot, Infrared, Sensor


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

tasarım olarak iki bölümden oluşmaktadır.

2. KAYNAK ARAŞTIRMASI

Bazen tek başlarına hiçbir iş yapamayan varlıklar,

toplu hareket ettiklerinde çok zekice davranışlar

sergileyebilmektedir [2]. Bir topluluğa ait

bireyler, en iyi bireyin davranışından ya da diğer

bireylerin davranışlarından ve kendi

deneyimlerinden yararlanarak yorum yapmakta

ve bu bilgileri ileride karşılaşacakları

problemlerin çözümleri için bir araç olarak

kullanmaktadırlar. Örneğin, bir canlı sürüsünü

oluşturan bireylerden birisi bir tehlike sezdiğinde

bu tehlikeye karşı tepki verir ve bu tepki sürü

içinde ilerleyip tüm bireylerin tehlikeye karşı

ortak bir davranış sergilemesini sağlar. Canlıların

sürü içerisindeki bu hareketleri gözlemlenerek

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

vs.) çok düşüktür (diğer canlılara, mesela

memelilere nazaran) ve bu sebepten dolayı

karıncaların kısa süre de çok sayıda üremeleri

mümkün (ucuzluk) [1]. Teknolojideki gelişmeler

yapay sürü sistemlerinin veya bir başka değişle

robot sürülerinin üretilmesini mümkün

kılmaktadır. Fakat böyle dağınık sistemlerin

işlevsel kılınması için yeni etkili koordinasyon

mekanizmalarına ihtiyaç vardır. Bu koordinasyon

mekanizmaları mevcut olan sistemlerde

birbirinden çok farklı sistemler değildir. Bu

koordinasyonu sağlamak için kullanılan teknoloji

genel olarak Radyo Dalgası ve Kızıl Ötesi Işık

teknolojisidir. Mevcut çalışmalarda modelleme

çeşidine göre sürü robotlar isimlendirilmiştir.


Algılayıcı tabanlı sürü robotlar, çevrelerini

algılamak için algılayıcılar kullanırlar. Bu tarz

modelleme en eski ve en yaygın modelleme

çeşididir. Mikroskobik modelleme, matematik

tabanlı bir modellemedir. Bu modellemede her

etkileşimin basit bir matematiksel modellemesi

yapılmaktadır. Bir diğer matematik tabanlı

modelleme çeşidi mikroskobik modellemedir.

Mikroskobik modellemede sistemin davranışını

belli bir zamanda belli bir yerde fark denklemleri

diye adlandırılan denklemlerin sistemi sürekli

kontrol etmesi ile modellenen modelleme

şeklidir. Son olarak bulunan modelleme CA(

Cellular Auto mata)dır [5]. Bu modelleme en

basit matematiksel modeller arasında yer alıyor.

İsminden de anlaşılacağı gibi hücrelerden oluşan

bir sistemdir ve sadece belli özelliklerde sistemler

bir araya gelir. Şu ana kadar incelenen sistemler

arasında, bizim sistemimize en çok benzerlik

gösteren sistem algılayıcı tabanlı olan sistemdir.

Çünkü bizim sistemimiz çevresini algılayıcı ile

algılayacak. Bu algılayıcının teknolojisi Kızılötesi

Işık teknolojisidir. Daha önceki mevcut

sistemlerin çoğu Radyo Dalgalı sistemlerdir [6].

Bizim sistemimizde kızıl ötesi sistem

kullanılmasının en büyük nedenlerinden biri diğer

radyo dalgalı sistemlere göre daha az karmaşık

daha az enerji üreten bir sistem olmasıdır.

3. TASARIM SÜRECİ

Yapmış olduğumuz yayın taramasında sürü

robotların farklı metotlar ile nasıl birbirleri ile

veri alışverişinde bulunduklarını inceledik ve

yapmak istediğimiz kızılötesi ışık ile nasıl bu

robotları haberleştiririz sorusunun cevabını

aramaya başladık. Grup arkadaşlarımızla bu konu

hakkında birçok pozitif tartışma yaşadık. Örneğin

kullanacağımız kızılötesi ışığının frekans aralığı

ne olmalı, seçeceğimiz motorlarımızın torku ne

kadar olmalı gibi konuşmalar yaptık. Bu

konuşmalar neticesinde bizim önce birbirlerini

takip edecek olan 3 adet 20 x 30 cm ebatlarındaki

robot arabalarımızı tasarlamamız gerekliydi.

Bilindiği gibi kızılötesi ışıklar ile veri alışverişi

sağlamak istiyorduk bunu yapmanın tek yolu iste

kızılötesi alıcı ve verici devreleri kurmaktı. Bu

robot arabalarımız birbirlerini takip edebilmesi

için gerekli olan kızılötesi ışıkları bulmaya

yarayan kızılötesi bulucu kullanmak zorundaydık.

Ve sadece 1 adet kızılötesi bulucu kullanmak

bizim robot araçlarımız sadece düz bir şekilde

ileriye götürmeye yarayacaktı. Oysaki biz bu 3

robot araba içinde lider (komutan) olarak

seçtiğimiz ilk robot arabamız nereye giderse sağa,

sola ve ileri olmak koşulu ile geride kalan diğer

iki robot aracımızda lider robotumuzu takip

etmesini istiyorduk. Bunun için yapmamız

gereken yani lider robotumuzun sağa ve sola

dönüşünü tespit etmek için 2 numaralı ve 3

numaralı robotlarımıza en üç adet kızılötesi ışık

bulucu monte etmemiz gerektiğini fark ettik.

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.

Bu tasarımdan bir adım önce motorlarımıza karar

vermemiz gerekliydi çünkü tasarımızda

motorların ebatları da önemliydi. Tork, motordan

hareket parçalarına tekerlek, dişli, palet... vb.

iletilen itme kuvveti ya da dönme momentidir.

Yandaki şekilde gösterildiği gibi bir motorun

şaftına bağlı bir tekerleğin bulunduğu bir

düzenekte tork, kuvvetin motor şaftına olan

uzunluk ile çarpımına eşittir. ( T = F x d ). Torkun

birimi Newton metredir (Nm). Bir motorun gücü

o motorun torkunun açısal hızı ile çarpımına

eşittir. ( P = T x w ) Motor gücü (P), motora

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

iki katıdır. ( w = 2 x pi x f ) [7]

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.

P= 12*0,3= 3,6 N

P=T*w => 3,6 = T *1256

T=2.86 cm/kg

Frekans Hesabı:

F=1/T

F=38.6khz=38600hz

T=? 1/38600=2.59*10^-9

Yani bize T süresinde bu frekansı üretmeli

yapacağımız kızıl ötesi kaynağı.

Basit bir şekilde tork hesabımızı yaptıktan sonra

şekil 1. de seçtiğimiz motorların ebatlarını

ölçtükten sonra CATIA çizim programı ile


robotlarımız tasarlamaya başladık ve şekil 2. deki

tasarımı ortaya çıkardık.

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. Piyasa standart olarak

bulabileceğimiz 38khzlik frekans bulucular

kullanmaya karar verdik. Bunun için aynı

zamanda 38khzlik kızılötesi ışık kaynağı

üretmemiz gerekliydi.

Şekil 3. 38khz kızılötesi ışık kaynağı [8]

Bunun için ise yandaki devreyi kullanarak 38khz

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

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 sağladıktan sonra artık

sistemimizin donanımsal yapılacak bir işi

kalmadı. Arduino kitinin kendine özgü olan

programlama dilini kullanarak adım adım

yazılımımızı yazmaya başladık. Öncelikle

kızılötesi bulucularımızın çalışıp çalışmadığını

anlamak için yazdığımız kod ile bulucuları test

ettik. Fakat burada bir sorunla karşılaştık çünkü

test etmek için kızılötesi ışık kaynağını

çalıştırdığımızda alıcıların hepsi aynı anda aktif


olduğunu anladık bunun nedeni ise kızılötesi ışık

kaynağının yaymış olduğu kızılötesi ışıklar

parabolik bir şekilde yaydığı için bizim

bulucularımız aynı anda hepsi aktif oluyordu.

Bunun çözümü olarak kızılötesi ışık kaynağının

etrafını metal silindir ile kaplayarak kızılötesi

ışığın düz bir şekilde iletilmesi sağladık.

Ardından kızılötesi bulucularımızın etrafını

tahtalar ile dikdörtgen biçiminde kapatarak

bulucumuzun sadece önden ışık almasını

sağladık. Çünkü metal ve tahta kızıl ötesi

ışıklarının iletimini sağlamadığı için kaplama

işlemlerinde bu iki maddeyi kullandık. Bu sorun

da çözüldükten sonra artık yazılım kısmına

kaldığımız yerden devam ettik. Tekrar bulucuları

test ettiğimizde artık istediğimiz gibi çalıştığını

gördük. Ve motorları denemeye başladık.

Ardumoto ve 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

gelebilmesi için kullanılan malzemeler aşağıdaki

gibidir.

Tablo 1. Kullanılan Malzemeler

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

30 adet Cıvata ve somun

6 adet 6mm çapında tekerler

3 adet Robot araba

5 metre

2mm zil teli

2 adet 2m x 2cm x 5 mm

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

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

araçların önüne bağlanacak olan ve takip ettiği

araç ile doğrusal mesafeyi sabit tutacak olan

mesafe ölçer (sharp) sensörlerin kullanılması ile

mümkün olacaktır.

Daha sonraki aşamalarda araçların

birbirinden bağımsız hareket ederek istenildiği

zaman tekrar sinyaller yardımıyla birbirini bulup

hareketlerine devam etmeleri sağlanabilir. Buna

ilaveten araçların toplu ve ayrı olarak kodlu

sinyallerle 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 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.

TEŞEKKÜR

Bu araştırma, MECE 407-408 Lisans





çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı Öğr.

Göv. Aylin KONEZ EROĞLU, Yrd. Doç. Dr.

Zühal ERDEN, Aras. Gr. Emre Güner ve emeği

geçen herkese teşekkür ederiz.

KAYNAKLAR

[1] E. Bahceci, O. Soysal, E. Sahin, “A Review:

Pattern Formation and Adaptation in Multi-Robot

Systems”, 2003.

[2] Çelik, M., Karaboğa, D., Köylü, F., Artificial

Bee Colony Data Miner (ABC-Miner),

Innovations in Intelligent 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

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

sapma açısında meydana gelen hareketi kontrol

etmek için yaptığımız çalışmalara yer verilmiştir.

Kontrolcü yüzeyi sayesinde hareket etme işlevine

sahiptir, ayrıca sapma, yuvarlama ve eğilim

açısını kontrol altında tutabilmektedir bu sayede

sistemin havada rahat bir şekilde hareket edilmesi

sağlanmaktadır. Makalenin giriş bölümünde

yapılan araştırmalar hakkında genel bilgi

verilecektir. İkinci bölümde ise projenin amacı

hakkında geniş bilgi verilecektir. Üçüncü

bölümde ise literatür araştırması sırasında

bulunan bulgular detaylı olarak açıklanacaktır.

Açıklanma esnasında sonraki çalışmalara ışık

tutacak bilgilere yer verilmiştir. Daha sonraki

bölümde ise bugüne kadar yapılan çalışmalar ve

kanallı pervane, pil ve elektronik hız kontrol

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

In this paper we explain the ducted fan Project in

the novel flying systems. Ducted fan Project can

vertical takeoff and landing (VTOL) and has the

flap controller unit. This system is to make in the

flying robots laboratory (FRL). Two ducted fan

unit is used in this project. These ducted fans turn

same way so system can move yaw angle for this

reason we design the controller for the yaw angle.

For the flap controller part systems can move and

we control the yaw, pitch and roll angle for this

reason system can easily move in the air.

Beginning of the paper basic definitions and

general information are given about the research.

Second part of the project aim of the project is

going to be explaining clearly. In chapter three


literature survey review and some basic

theoretical information are explain clearly,

theoretical information helps to understand the

future working principle. Next chapter is given

the more information up to now and ducted fan

unit, Battery and electronic speed control (ESC)

are given. System is designing in the CATIA ®.

Final part is explain the finding information and

future works

Keywords: Ducted fan, Novel flying system,

flying robot laboratory

1. GİRİŞ

Sivil ve askeri uygulamaların değişen ihtiyacı

doğrultusunda tasarlanan uçan robotik sistemler

giderek daha fazla önem kazanmaktadır. Askeri

uygulamalarda sınır güvenliği, gözlem sivil

uygulamalarda ise deprem, sel gibi alanlarda

kullanılmaktadır. Uçan robotik sistemlerin bir

diğer özelliği ise otonom olarak çalışmasıdır.

Gelişen ihtiyaçların artmasıyla insansız hava

araçları popüler bir araştırma konusu haline

gelmiştir. İnsansız hava araçların faaliyet alanları

ise müdahale ve koruma ya da zor koşullarda

yüksek manevra kabiliyetinin yanı sıra gözlem

yapma görevlerini üstlenmeye başlamışlardır.

Uzun menzilli uçaklar, füzeler ve helikopterler bu

görevi üstlenen en belirgin insansız hava

araçlarıdır. Kanallı pervane ve denetim

yüzeylerine sahip olan insansız hava araçları

dikey olarak iniş ve kalkış yapabilmelerinin yanı

sıra havada asılı kalma görevlerini de başarıyla

yapabilmektedir. Fakat havada asılı kalma

hareketinde iken aynı yönde dönen kanallı

pervanelerden dolayı meydana gelen sapma

açısındaki denetim yüzeylerindeki kontrolcüler

ile denge altında tutulmaktadır. Bu kontrolcüler

hava akışının tam altında bulunmaktadır. Bu

sayede sistemin manevra kabiliyeti kontrol altına

alınmıştır. Yüzeydeki kontrolcüler sistemin ana

gövdesine bağlanan servo motorlar tarafından

hareket ettirilmektedir. Sıra dışı sistemlerin

araştırılması ve imalatı için kurulmuş olan uçan

robotlar laboratuarında ilk defa bu konu üzerinde

çalışılmıştır. Bu sistemler dünyada birçok türevini

barındırmaktadır. Örnek olarak ise Berlin

teknoloji [1] tarafından geliştirilen insansız hava

aracı üzerinde pozisyon kontrolü ve kontrol

mekanizması üzerinde çalışılmıştır ve sapma

açısını kontrol edebilmek için kapalı döngü

kontrolcüsü tasarlanmıştır. Sistemin pozisyon

değerlerini ölçmek için atalet ölçme ünitesi

kullanılmıştır (IMU) kullanılmıştır. Bu projenin

amacı zor koşullar altında havada kalabilme

dikey olarak kalkış ve iniş yapabilme ve havada

asılı kalma yeteneğine sahip olan otonom bir uçan

robotik sistemdir. Bu ihtiyaçlar doğrultusunda

yapılan projelerin hızlı bir şekilde tamamlanması

ve ihtiyaç duyulan alanlarda yeni tasarımlar

yaparak ihtiyacı karşılamak için uçan robotlar

laboratuvar çalışmalarına devam etmektedir.


2. DÖNER KANATLI SİSTEMLERİN

ÖZELLİKLERİ VE LİTERATÜRDEKİ

ÇALIŞMALAR

Döner kanatlı sistemler genel olarak

incelendiğinde üç ile altı palli olan döner kanatın

fırçasız motor ile bağlanıp, etrafının da hava

geçirmez malzemeyle kaplanıp itme gücünü

arttıran sistemlerdir. Hava akışının olduğu yere

denetim yüzeyleri bağlanan sistemlerin havadaki

hareketleri kontrol edilmiş olacaktır. Bu sayede

dikey olarak iniş kalkış yapabilmenin yanı sıra

havada asılı kalma becerisini elde edecektir.

Fakat literatürdeki çalışmalar iki tane birbirine zıt

yönlü dönen döner kanallı pervanelere ve ya bir

tane fırçasız motor kullanılarak yapılan projelere

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.

2.1 Literatür Araştırması

Kanallı pervane ve denetim yüzeyleri için yapılan

literatüre araştırması sırasında bulunan bulgular

açıklanacaktır. İlk olarak servo motor kontrolü

kullanılarak yapılan kanallı pervane ve denetim

yüzeyleri incelenecektir [3] . Bu sistem askeri ve

sivil alanlarda kullanılacaktır. Bu yüzden sisteme

kamera entegre edilmiş olup sınır güvenliği ve

arama kurtarma çalışmaları sırasında gereken bir

işlev görecektir. Kontrolcü tasarımı sırasında

kapalı döngü kontrol sistemi tasarımı yapılmıştır.

Pozisyonu ölmek için ise atalet ölçme ünitesi

kullanılmıştır (IMU) . Bu sistemdeki ana problem

ise hız bilgisi ile pozisyon bilgisini küresel

konumlama (GPS) sisteminden bulamamasıdır.

Diğer bir çalışma ise özel görevler için

tasarlanmış kanal pervanedir [4] .Bu sistemin

oldukça küçük olmasının sebebi askeri

operasyonlarda alan araştırması 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

tane fırçasız motor kullanılmaktadır. Sistemin ana

problemi ise pozisyon bilgisinin doğru şekilde

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

daha büyüktür ve monte edilmiş kamerası

bulunmaktadır. Son olarak ise sürekli otonom bir

yapıda hareket etme kabiliyetinin yanında zorlu

koşullar görev yapması için tasarlanmıştır.

Sistemin ana problemi ise yükseklik bilgisini tam

olarak eşleyememesidir.


Bu başlık altında bu ana kadar yapılan

çalışmaların yanı sıra projenin amacı

açıklanmıştır.

3.1 Projenin Amacı ve Yapısı

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

ise kontrol etmek için kontrolcü tasarlanacaktır.

Şekil 1 ise kullanılacak olan kanallı pervaneleri

göstermektedir.

Şekil 1. Kanallı Pervane

Bu kanalı pervaneler altı palli döner kanadın

fırçasız motora bağlanıp hava geçirmez bir

yüzeye sahiptir. Böylece itme kuvvetini daha

fazla elde edebiliriz. Hava akımının altına Bu

kanallı pervaneler aynı yöne döndüğünden dolayı

sistemde sapma açısı meydana getirmektedir.

Şekil 2 de ise kanallı pervanenin dönüş yönünü

göstermektedir, Ayrıca sistemin pallerinin dönme

esnasında itme kuvvetinin yönü de gösterilmiştir.

Bu sebepten dolayı sistemin kendi etrafında

dönmeye başlamaktadır. Sistemin havalandıktan

sonra sapma açısından dolayı dengesiz bir durum

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.


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 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

kalmasına sağlamaktadır.

Şekil 3. Kanallı Pervanenin Denetim

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 4. Kanallı Pervanenin CATIA ® çizimi

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 lipo pilini

göstermektedir.

Şekil 5.Li-Po Pili


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

tarafından önerilmektedir. Bu elektronik hız

kontrolcüden iki tane alınmıştır.

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.

.

Şekil 6 Sistemin Prototipi

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

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 için sitemin montajı

yapılamamıştır. Bu yüzden kontrolcü

tasarımına tam olarak geçilememiştir. Ayrıca

sistemin entegre edilmesi yapılmamıştır.


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.

Böylece sistemin pozisyon bilgisi yani sapma

açısınınsa ve yunuslama açısında meydana

gelen hareket için kontrolcü tasarlanacaktır.

Böylelikle sistem havada asılı kalma

esnasında meydana gelen hareketi kontrol

edilecektir. Bu sayede sistem havada asılı

kalacaktır ayrıca sistemin dikey olarak iniş

ve kalkış görevini başarıyla tamamlayacaktır.

Ayrıca tasarlanan kontrolcü sayesinde sistem

kalkış hareketinin sonra yatay olarak hareket

etme kabiliyetini sağlayacaktır. Uzak

gelecekte ise ağırlık merkezi ile yönelim

konusu incelenecek ve sisteme uyarlanmaya

çalışılacaktır. Bu sayede sistem yunuslama

ve yuvarlanma eksenlerindeki hareketleri

kontrol edile bilecektir. Ayrıca, şu anda

tasarlanan kanallı pervane sistemi iki adet

döner kanat parçası kullanmaktadır ancak

gelecekte, bahsedilen bu döner kanatların

sayısı arttırılarak her eksende daha etkili bir

kontrol sağlana bilir.

6.TEŞEKKÜR




tarafından desteklenmiştir.(Proje No: LAP-

A-111201) Derslerin yürütülmesine ve proje

çalışmalarımıza verdikleri katkılarından

dolayı Zuhal Erden, Cahit Gürel, Emre

Günel, Doğanç Küçük ve Meral Aday’a

teşekkür ederiz.

7.KAYNAKÇA

[1] Pflimlin M J , Soueres P, ve Hamel T. (2004),

“Hovering flight stabilization in wind gusts

for ducted fan UAV”,43rd IEEE Conference

on Decision and Control

[2] Chriette A , “An analysis of the zero-

dynamics for visiual servo control of a ducted

fan UAV”(2006),IEEE International

Conference on Robotics and Automation

[3] Bras L F, Mahony R,Hamel T ve Binetti P,

(2006),“Adaptive filtering and image based

visual servo control of a ducted fan flying

robot ” Proceedins of the 45thIEEE

Congerence on Decision & Control ,

[4] Changhong W, Yuanwei L, Boqi X ve

Guoxing Y (2010), “Modeling Control and

Flight testing for a Sauncer Ducted Fan

UAV”,IEEE Conference on Decision and

Control


[5] Naldi R, Marconi L ve Sala A (2008) Bar-

Cohen, 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

http://www.elsevler.com/locate/conengrac


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

Bu makalede, dört adet döner kanatları ile dikey

olarak havalanabilen, yönelim ve seyir denetimini

sağlayabilecek eyleyicilere sahip yüksek kütleli

ve ataletli bir robotik sistem sunulmaktadır.

Sistemin tasarım amacı yük taşıyabilecek

kapasitede olan uçan robotik bir platform

geliştirmektir. Dört rotorlu helikopter olarak

bilinen bu alışılmış platform, bir çift ters yönlere

dönen pervanelerden oluşur, ağırlık merkezine

göre simetriktir ve ağırlık merkezi sistemin

referans eksenlerine çakışıktır. Sistemin mekanik

tasarımı detaylı şekilde anlatılmıştır. Sistemin

aerodinamik özellikleri ihmal edilip, onun yerine

hız kontrol ünitelerinin çalışma rejimleri ile itki

kuvveti arasında doğrusal denklem

oluşturulmuştur. Sistemin matematiksel modeli

Newton-Euler dinamik hareket denklemleri

kullanılarak belirtilmiştir.

ANAHTAR KELİMELER: Uçan Robot, Dikey

Kalkış ve İniş, Newton-Euler, Yönelim Denetimi

ABSTRACT

This paper presents a quad rotor robotic system

with a high mass and inertia which could

vertically hover, and has actuators for providing

orientation and navigation control. The aim of the

design is developing a flying platform which has

load carrying capacity. Four rotor helicopter

platform as known as quad-rotor consists of a pair

of a counter rotating propellers, body is

symmetrical according to center of gravity of the

system ant it is coincident with the body

reference frame. Mechanical design of the system

is described in detail. By neglecting the

aerodynamic properties, instead a linear equation

is fitted by using the relationship between duty

ratio and thrust force. Mathematical model of the

system is stated by using Newton-Euler dynamic

equations of motion.

KEYWORDS: Flying Robot, Vertical Take Off

Landing, Newton-Euler, Attitude Control

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.

Araştırmanın amacı ise bu platformları yük

taşıma araçları haline getirebilmektir. Örnek

verilirse sıradan sistemler 400 gr yük taşıma

kapasitesine sahiptir. Halbuki tasarlanan bu

platform 1 kg yük taşıma kapasitesine sahiptir.

Ayrıca sistem dışarıda, rüzgar ve benzeri rahatsız

edicilerden etkilenmeyecek şekilde tasarlanmıştır.

İleriki bölümlerde mekanik tasarımdan detaylı

şekilde bahsedilmiş ve matematiksel model

belirtilmiştir. Sistemin, enerjisini verimli şekilde

kullanabilmesi ve dış etkilerden korunabilmesi

için optimal denetimci yöntemleri kullanılmalıdır.

Bu sayede yük taşırken oluşacak atalet ve kütle

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

*Elemanların yerleşim düzeni

*Titreşim azaltıcı çalışmalar

*Sistemin yapısal güvenilirliği

*Malzeme seçimi ve bunun laboratuar ve atölye

imkânları doğrultusunda üretilebilirliği

Ön planda tutularak sistem tasarımı, mühendislik

çizim, benzetim ve sonlu eleman yöntemi

programları kullanılarak sistem iyileştirildi.

2.1 Frekans Analizi

Sistemin ana elemanları, motorlar ve koruma

elemanları yerleştirildikten sonra sistemin ana

boyutları üzerinden tasarıma başlandı. Şekil 1’de

Solidworks®’un frekans analiz raporundan elde

edilen bir resim verilmiştir.

Şekil 1.Solidworks® Frekans Analiz Ekranından

Görüntü


Frekans analizinde dikkat edilmesi gereken

husus, sistemin yapısal tınlaşım frekanslarının,

robotun havada asılı kalması sırasında oluşan

motor titreşimlerinden olabildiğince

uzaklaştırılmasıdır [1,2]. Bu sebeple sistem,

motorların 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.

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

Sistem, havada asılı kalırken gereken kuvvetleri

üretirken motorların dönüş hızları ve motorların

ulaşabileceği maksimum dönüş hızları

belirlenmiştir. Motorların dönüş hızları 523.6

rad/s ile 1256.64 rad/s arasında olduğu

DriveCalc® programı kullanılarak belirlendi.

Solidworks® programında yapılan analizin

sonuçları Tablo 2’de belirtilmiştir.

Tablo 2. Frekans Analiz Sonuçları

Mod Numarası

Rezonans frekansı(rad/s)

Rezonans frekansı (Hz)

1 134.46 21.4

2 134.47 21.401

3 140.51 22.363

4 150.89 24.015

5 163.75 26.062

Maksimum görülen frekans motorların dönüş

frekansından yeterli ölçüde uzak olduğu

görülmektedir.

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

üretebileceği maksimum kuvvet uygulanarak

sistem analizi yapıldı. Bu analiz sonucu, sistemin

ağırlığı, güvenilirlikten ödün vermeden

azaltılmaya çalışıldı. Tablo 3’te bu analiz sonucu

elde edilen sonuçlar belirtilmiştir.


Tablo 3. Statik Analiz Sonuçları

İsim Tip En az En çok

Basınç Von

Mises

0.23N/m2 3.2*107

N/m2

Kaydırım Bileşke

Kaydırım

0 3.32 mm

Yukarıdaki analizler sonucu, uygulanan kuvvetler

sonucu meydana gelen basınçlara dayanabilen

malzemeler seçilmelidir. Ayrıca kayma

miktarının milimetre mertebesinde olması

nedeniyle katı model varsayımının geçerli olduğu

görülmektedir. Seçilen malzemeler Tablo 4’te

belirtilmiştir.

Tablo 4. Ana Gövde İçin Seçilen Malzemeler

İsim Malzeme Amaç Boyut

Gövde 6063-T5

alüminyum

Ana

elemanları

tutmak

100x100x

30 cm

Motor

Tutucu

6082-T6

alüminyum

Motor ve

gövdeyi

birbirine

bağlamak

102.11x40

x13

mm

Seçilen bu malzemeler ile sistemin ana gövde ve

motor tutucularının tasarımı tamamlandı ve

üretildi. Sistemin tamamlanmış prototipi ve

yerleşim düzeni Şekil 2’de görülebilir.

Şekil 2. Üretilen Prototip

3.MODELLEME

Projenin tasarım kısmında, ilerideki kontrol

aşamalarına dikkat edilip buna göre yol

alınmıştır. Kontrol edilebilir bir sistem tasarımı

hedeflenmiştir ve sistem modellenmesinde

gerekli basitleştirmeleri yapabilmek için bazı

varsayımlara gidilmesi öngörülmüştür. Bunlar;

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.

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 (4)

Sistem ekseni üzerindeki çizgisel hız oranı

bileşenlerine ayrılmış ve Eşitlik 5’te verilmiştir.

(7)

(8)

(9)

(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 4. İtki Kuvvetleri ve Hız Denetim Üniteleri

Arasındaki İlişki

Bu değerler Matlab® Curve Fitting Tool

kullanılarak birinci dereceden denklemlere

dönüştürülmüştür. Kuvvetleri birimi Newton’dur.

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)

Ve moment kuvvetleri aşağıdaki denklemlerle

belirlenir:

(17)

(18)

(19)

Burada L, motorlar ile sistemin ağırlık merkezi

arasındaki uzaklık olarak belirlenmiştir ve bu

uzaklık 0.4 metredir. Bir sabit sayı olan “c” ise

itki kuvvetleri ve gövdenin dikey ekseni etrafında

oluşan momentle ilgili bir kat sayıdır.

Böylece doğrusal olmayan dinamik denklemler

belirlenmiştir.

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 matrisi aşağıda gösterildiği gibi

hesaplanır;

(21)

Girdi matrisi B, dört motorun çalışma

rejimlerinden oluşan girdi vektörü u, ve Jacobian

metodu kullanılarak doğrusallaştırıldı.

( 22)

Ve,

(23)

GX-2 ataletsel ölçüm algılayıcısı kullanılarak

sistemin üç eksenindeki açılar ve açılar

ölçülebilmekte olduğu için C matrisi 6x6 özdeşlik

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.

(24)

p: yunuslama açısal hızı,

q:yuvarlanma açısal hızı,

r: rota açısal hızı,

yunuslama açısı,

: yuvarlanma açısı,

rota açısıdır.


4.SONUÇLAR

Bu makalede dört adet döner kanatlı, dikey olarak


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.

Sistem yük taşıma amaçlı olarak tasarlandığı için

ataletsel değişimlere dirençli olan denetimci

yöntemleri uygulanmak daha isabetli bir yöntem

olur [6]. Bu yöntemlerden bazıları “Gürbüz

Denetimci” ve “H∞ Denetimci” algoritmalarıdır

[7]. Tasarlanan denetimciler MATLAB ve

Simulink yazılımları ile benzetim çalışmaları

yapılacaktır. Tasarlanan denetleyici ve benzetim

ortamındaki uyum test edilecek, bu doğrultuda

denetleyicide düzenlemelere gidilecektir.

Denetleyici tasarımı ve ilgili uçuş testleri,

çalışmanın bundan sonraki aşamalarını

oluşturacaktır.

TEŞEKKÜR






çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı Anıl

Güçlü, Mete Aydemir, Cahit Gürel, Meral Aday,

Handan Kara, Mehmet Çakmak ve Mehmet

Aday’a teşekkür ederim.

KAYNAKÇA

[1] Kelly, Graham S., (2012), “Mechanical

Vibrations Theory and Applications”, 200

First Stamford Place, Stamford, CT06902,

Cengage Learning

[2] Krodkiewski, J., M.,(2008), “Mechanical

Vibration”,

http://www.mech.eng.unimelb.edu.au/dynam

ics/14lec.pdf

(Erişim: 16.11.2011)

[3] Budynas, Richard G.,Nisbet,Keith J,(2008),

“Shigley’s Mechanical Engineering Design”,

New Yory, NY10020 , McGraw - Hill

Compaines,Inc.

[4] Roylance, D., (2001), “Finite Element

Analysis”,

http://ocw.mit.edu/courses/materials-science-

and-engineering/3-11-mechanics-of-

materials-fall-1999/modules/fea.pdf

(Erişim:16.11.2011)

[5] Kıvrak, Arda Ö., (2006), “Design of Control

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

ÖZET

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

(BBKT) metodu kullanılarak literatür taraması

hazırlanmıştır.

ANAHTAR KELİMELER:

Yusufçuk benzeri robot, kanat kinematiği, kızaklı

krank mekanizması, İskoç mekanizması, BBKT

ABSTRACT

This paper includes information about designing

and manufacturing a dragonfly like robot which

imitates the wing locomotion of the dragonfly.

Also this project was done under the MECE 407

and MECE 408 under graduate research project

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 bio-

inspired conceptual design process (BICD).

KEYWORDS

Dragonfly like robot, wing kinematic, slider

crank mechanism, scotch yoke mechanism, BICD

1. GİRİŞ

2011 ve 2012 yıllarında MECE 407 ve MECE

408 mezuniyet öncesi araştırma projesi dersleri

kapsamında yusufçuk böceğinin kanat

hareketlerini taklit eden bir robot’un yapılması

planlanmıştır. Yusufçuk böceğinin seçilme

nedeni, böceğin dünyadaki diğer bütün uçan


böceklerden daha güçlü olması ve bu sayede çok

üstün manevra kabiliyetine sahip olmasıdır.

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

böceğinin aerodinamik veya uçuşunu etkileyen

başka özellikleri incelenmemiştir.

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

hareketi sağlayacak olan mekanizmalar üzerine

yapılmıştır.

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.

Operasyonel özelliklerinden dolayı insansız hava

araçları özellikle askeri kullanımlarda kullanıcıya

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

küçük de olsa göze yapay görünmeleri ve bu

yüzden kolaylıkla tespit edilmelerine neden

olmaktadır fakat insansız hava araçları

konvansiyonel hava araçları gibi değil de bir

böcek gibi kanat çırparak havada kalabilseler

tespit edilmeleri güçleşecektir.

Bu sebeple projenin amacı ve motivasyonu,

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

genel olarak üç kısımdan oluşmaktadır bunlar

kanatların çırpınma esnasındaki açı değişimleri,

kanatların şekli ve boyutları ve ayrıca kanat

açılarını taklit edecek olan mekanizmadır. Bu

bağlamda öncelikle kanatlardaki açı değişimleri

incelenmiştir.

İklim koşulları nedeni ile laboratuarımızda

bulunan yüksek hızlı kamera yusufçuk böceğini

doğada bulamadığımızdan, dolayı kullanılamamış

açı değişimleri direk olarak literatürden

sağlanmıştır. Bu bağlam da literatürde bu konuda

yıllarını harcamış olan ve güvenirliliği

kanıtlanmış, Akira Azuma’nın çalışmalarından

faydalanılmıştır.

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

değişimi olan çırpınma açısıdır.

Şekil 3.1. Yusufçuk böceğinin kanatlarının

hücum ve çırpınma açısı değişimleri [3]

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

havayla temas eden yüzey alanını artırarak

maksimum kaldırma kuvveti elde etmektedir.

Ayrıca yukarı çırpınma esnasında ise kanat

hücum açılarını artırarak kanatların havayla temas

eden yüzey alanını azaltmakta ve bu sayede


kanatlara etki eden hava sürtünmesini

düşürmektedir.

Bahsedilen bu hücum açısı değişimi böceğin

uçmasını sağlamaktadır aksi taktirde böcek aşağı

ve yukarı çırpınma esnasında birbirine zıt

kuvvetler üreterek uçması imkansız hale

gelecektir. Literatürde kanatların çırpınma

esnasında esnemesi de birçok araştırmacı

tarafından incelenmiş fakat konunun

karışıklığından dolayı projeye dahil edilmemiştir.

Ayrıca literatürden edinilen bilgilere göre

yusufçuk böceği ön ve arka kanatlarını faklı

fazlarda çırpabilmekte ve bu durum böceğin

istenilen açıya dönmesini sağlamaktadır. Ancak,

yusufçuk böceği ön ve arka kanatlarını aynı fazda

çırparak maksimum kaldırma kuvveti elde

etmektedir [4].

Bu bağlamda üretilen maksimum kuvvetin

etkilerini de gözlemlemek ve farklı fazlardaki

çırpınmanın getirdiği karışıklardan sakınmak için

üretilecek olan prototipin ön ve arka kanatları

aynı fazda çırpınacaktır. Literatürden edinilen

bilgilere göre yusufçuk böceği ani dönüşler için

dört kanadından birini dönüş esnasında

çırpınmadan sabit şekilde tutabilmektedir [5].

Ancak prototipteki mekanizma kompleksliğini

azaltmak için bu konu projeye dahil edilmemiştir.

Önceden de bahsedildiği gibi açı değişimleri hem

hücum açısı hem de çırpınma açısı direkt olarak

Akira Azumanın çalışmalarından elde edilmiştir.

Fakat Azuma açık bir şekilde hücum ve çırpınma

açı değişimlerini paylaşmadığından dolayı, açı

değişimleri çalışmalarında verdiği grafiklerden

elle cetvel ve pergel kullanılarak çıkarılmıştır.

Tablo 3.1. Hareket periyotuna göre hücum

açısı değişimleri

Periyot

Ön

kanat(derece)

Arka

kanat(derece)

0 -46,35 26,27

T/16 7,73 18,85

T/8 15,45 24,41

3T/16 16,1 33,9

T/4 20,1 52,53

5T/16 30,9 23,17

3T/8 49,5 7,42

7T/16 71,7 6,18

T/2 61,5 -15,45

9T/16 22,25 -26,88

5T/16 9,27 -34,3

11T/16 1,5 -49,44

3T/4 -9,25 -47,82

13T/16 -24,72 -15,75

7T/16 -50,9 1,55

15T/16 -74,16 6,18

T -46,35 26,27

Tablo 3.1 de görülen açı değişimi Excel programı

kullanılarak grafik haline getirilmiştir ve aynı

işlem çırpınma açısı değişimleri içinde

uygulanmıştır. Görüldüğü üzere hücum açısı

değişimleri düzgün bir sinüzoidal dalga değildir.


ve bu uygulamada mekanizma tipine bağlı olarak

problemler çıkabilmektedir.

Şekil 3.2. Ön kanat hücum açısı değişimi grafiği

Şekil 3.3. Arka kanat hücum açısı değişimi

grafiği

Şekil 3.2, Şekil 3.3, Şekil 3.4 ve Şekil 3.5 deki açı

değişimleri mekanizma tipine göre çeşitli

bilgisayar yazılımları kullanılarak düzeltilmiştir.

Tablo 3.2. Hareket periyotuna göre çırpınma

açısı değişimleri

Periyot

Ön

kanat(derece)

Arka

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

T -44,8 -8

Tablo 3.2 de ise ön ve arka kanat için çırpınma

açısı değişimleri verilmiştir. Buradan da

anlaşılacağı gibi çırpınma açısı değişimleri

hücum açısı değişimlerine nazaran çok düzgün ve

prototip tarafından taklit edilmesi göreceli olarak

daha kolaydır. Her ne kadar hem hücum açısı

değişimlerinde 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

farklı fazlar taklit edilecektir. Burada belirleyici

unsur mekanizmanın tipi ve eyleyicilerin bu faz

farkını taklit edip edemeyeceği ile alakalıdır.

Şekil 3.4. Ön kanat çırpınma açısı değişimi

grafiği

Şekil 3.5. Arka kanat çırpınma açısı değişimi

grafiği

Kanat boyutları ve şekli direkt olarak literatürden

alınmıştır ve bazı prototiplerde bir’e bir ölçü

kullanılırken bazı modellerde yaklaşık olarak

gerçek kanat boyutunun nerdeyse beş katı

kullanılmıştır. Kanatlar önceden de bahsedildiği

gibi ön kanat ve arka kanat olarak ikiye

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 3.7. Yusufçuk böceği arka kanadı [6]

Bu kanat şekilleri ve boyutları yusufçuk

böceklerinin türlerine ve yaşadıkları ortama göre

hem boyut hem de şekil açısından farklılık

göstermektedir. Fakat prototip kapsamında açı

değerlerinin de alındığı sıkça bulunan bir tür olan

Sympetrum vulgatum’un kanatları kullanılmıştır.


Bunlara ek olarak açı değişimlerini taklit edecek

mekanizmayla da ilgili literatür taraması

yapılmıştır ve göreceli olarak yüksek frekanslı açı

değişimlerini taklit etmek için kızaklı krank

mekanizmasının iyi bir çözüm olduğu

görülmüştür.

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

[7].

Şekil 3.8. Kızaklı krank mekanizmasının şematik

çizimi [7]

z = r * cos(q )+l * cos(sin^-1(r=l * sin(q ))) (3.1)

f = tan^-1((h-b-z)=a) (3.2)

Bütün bunlara ek olarak literatürde yusufçuk

böceği tarzı robot üretimi ile ilgili yapılan

çalışmalarda malzeme olarak büyük ölçüde hafif

ve dayanıklı malzemeler kullanılmıştır. Bu

malzemeler genellikle robot gövdesinde karbon

fiber tüpler ve alüminyumdur. Bazı kısımlarda

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

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

yüzden kanatlar da gerçeğinden beş kat büyüktür.

Ancak kızaklı krank mekanizması kullanan

sistemde ise kanatların bire bir ölçüleri

kullanılmıştır. Aynı zamanda mühendislik çizimi

yapılan bu kanatlar polyester film benzeri bir


malzemeden lazer kesim makinesi ile kesilerek

üretilmiş ancak lazerin gücü kanat malzemesini

yakmaması için düşürülmüştür.

Şekil 4.1.1. Ön kanat CATIA çizimi

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

nedeniyle prototipin büyüklüğü gerçek yusufçuk

böceğinin yaklaşık beş katına çıkarılmıştır. Ek

olarak servo motorlar Arduino mikro kontrolcü

ünitesi ile sürülmüştür ve açı değişimleriyle ilgili

bilgi sisteme buradan sağlanmıştır. Servo

motorların seçilmesinin sebebi bu tip motorların

mikro kontrolcülerle kolay bir şekilde

sürülmelerine olanak 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 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 4.2.1. Servolu yusufçuk prototipi

4.3 Kızaklı krank mekanizmalı prototip

Bu prototip adından da anlaşılacağı gibi açı

değerlerini taklit etmek için bir kızaklı krank


mekanizmasına sahiptir. Bilindiği üzere bu

mekanizma dairesel hareketi etkin bir biçimde

doğrusal harekete çevirmektedir.

Ek olarak prototipin boyutları Denklem 3.1 ve 3.2

kullanılarak hesaplanmıştır. Bu sisteme güç,

harici bir güç kaynağından sağlanmaktadır.

Şekil 4.3.1. Kızaklı krank mekanizmalı yusufçuk

prototipi

Şekil 4.3.1 de görülen sistem üzerinde kızaklı

krank mekanizması test edilmiş ve daha küçük

olan bir prototipe uyarlanmıştır.

Bu küçük prototipte uzaktan kumandalı

helikopter parçaları kullanılmıştır fakat sitemin

titreşiminin fazla olmasından dolayı kızaklı krank

mekanizması terk edilmiş ve yine aynı prensiple

çalışan İskoç mekanizması kullanılmıştır ve

sistemdeki titreşimlerin azaldığı gözlemlenmiştir.

4.4 İskoç mekanizmalı gelişmiş prototip

Bu prototipteki mekanizma kızaklı krank

mekanizmalı prototip ile ayni prensibi

paylaşmaktadır ancak kızaklı krank mekanizması

küçük prototip için fazla titreşim üretmektedir.

İskoç mekanizması ise hareket eden pistonun bir

yatağının olmasından dolayı istenmeyen

titreşimler oldukça azalmaktadır. Hala

geliştirilme aşamasındadır; ancak yapılan

deneyler ve gözlemler sonucu 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

hem boyut hem de şekil olarak hiçbir problemle

karşılaşılmamıştır.

Servolu prototip ise geliştirilen protoipler

arasında açıları en iyi şekilde taklit etmesiyle öne

çıkmıştır. Ek olarak servolu prototip kanatların

farklı fazlarda çalışmasına da olanak

sağlamaktadır. Fakat sistem ancak 0.5 ile 1 hertz

arsında çalışmaktadır ve öteki prototiplere göre

oldukça ağır ve büyüktür. Kızaklı krank

mekanizmalı ve İskoç mekanizmalı prototipler ise

yüksek frekanslarda servolu siteme göre daha

yüksek performans sağlamıştır ve sistem 2-3

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.

Gelecekteki çalışmalar iki ana başlığa ayrılabilir.

Birincisi yakın gelecek ve ikincisi uzak gelecek.

Yakın gelecekte İskoç mekanizmalı sistem

bitirilecek ve testler detaylı şekilde

gerçekleştirilecektir. Uzak gelecekte ise sistemin

bütün iskeleti hızlı prototiplendirme makinesinde

tekrardan üretilmelidir. Çünkü güncel sistemde

uzaktan kumandalı helikopter parçaları

kullanılmakta ve bunlar ihtiyacı karşılamaktan

uzaktır. Ayrıca birçok gereksiz ağırlık ve parça

içermektedir.

Belirtilenlerin haricinde 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

elde edilebilir.

TEŞEKKÜR






çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı,

Sayın hocalarımız Yrd. Doç. Dr. Zühal ERDEN,

Öğr. Gör. Aylin KONEZ EROĞLU ve Arş. Gör.

Cahit GÜLER’e teşekkürü bir borç biliriz.

KAYNAKÇA

[1] Bomphrey, R. J., 2004, “Dragonfly flight:

Free-flight and tethered flow visualizations

reveal a diverse array of unsteady lift-

generating mechanisms, controlled primarily

via angle of attack,” Journal of Experimental

Biology, vol. 207, pp. 4299–4323.

[2] Azuma, A., 1984, “Flight Mechanics of a

Dragonfly,” Institute of Interdisciplinary

Research, Faculty of Engineering, The

University of Tokyo, Japan, Tokyo.

[3] Azuma, A., 1996, “Aerodynamic

characteristics of the wings and body of a

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

Dragonfly-Inspired Robot,” Department of

Mechanical Engineering, University of

Delaware, Newark, DE – US.

[6] Appleton, F. M., 1974, "Dragonflies and

flight," Nature Canada, vol.3(3), pp. 25-29.

[7] Sun, M., 2005, “A computational study of the

aerodynamics and forewing-hinwing

interaction of a model dragonfly in forward

flight,” Journal of Experimental Biology, vol.

208, pp. 3785–3804.


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 çalışmada insan yürüyüş hareketinin

kinematik analizi biyo benzetim mühendislik

yöntemi ile yapılmıştır. Beş adet sağlıklı

yürüyüşü olan denek, yürüyüş bandı üzerinde

yürüme, hızlı yürüme, koşma hareketleri

literatürden alınan yürüme hızları ile işbu

hareketler yaptırılarak hızlı kamera ile açı, hız,

zaman değerleri alınarak analizler elde edilmiştir,

işbu analizlerin ortalamaları alınarak fiziksel

model çalışmalarına başlanmıştır. Yapılan fiziksel

model analizler ışığında insan yürüyüş

hareketinin bire bir aynısını yapmakta aynı

zamanda şekil ve ebat olarak da beş deneğin

ortalama bacak ebatlarındadır. İlk olarak PVC

materyalinden ön üretim 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.

ABSTRACT

In this study, kinematic analysis of human

walking motion was made by bio-engineering

simulation. Five subjects with healthy gait,

walking on a treadmill, fast walking, running,

walking speeds of movements taken from the

literature of this movement has been built with

high speed camera angle, speed, time values were

obtained from analyzes based on this analysis, the

physical model is based on the average, were

initiated. Movement of people walking in the

light of the analysis of the physical model at the

same time making the same shape and size of a

one-to-five subjects as the average leg size. After

the first prototype to be successful than those

made of PVC material, prototype, plexi-glass

material thus produced a real model.

KEYWORDS:

Bio-inspired, Kinematic Analysis, Human

Walking Motion, High Speed Camera.


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 incelenmiş ve bu

incelemelerden bulunan bulgularla 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. Kamera 2000 fps hız ile

çalışabilen hızlı kameradır. Çekim ortamı

hazırlandıktan sonra, daha 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

doğrultusunda; normal yürüme 4 km/saat hızında,

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 sürecinde yapılan çalışmalar

açıklanmıştır. Sonuç bölümünde 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

Bu projenin temel amacı, biyo benzetim yöntem

bilimini kullanarak insan yürümesini ve

koşmasını taklit etmektir. Ayrıca, bu projenin

ikincil amacı ise deneyler, toplanılan veriler ve

kinematik hesaplamalar yardımıyla bir

simülasyon oluşturmaktır. Elde edilen simülasyon

ve veriler dahilinde oluşturulacak olan ön

çalışmanın, topladığımız veriler arasındaki

benzerliklerini ve farklılıklarını gözlemlemek

insan yürüyüşünün taklit edilebilirliği hakkında

bilgi vermektedir.

İnsan yürüyüşü kinematik, statik ve dinamik

açıdan incelenebilme özelliğine sahiptir.

Kinematik, hareketi, sebep ve tesirlerini göz

önüne almadan inceleyen mekaniğin bir bölümü

[1] ve aynı zamanda kinematik, hareketin ve

ondan doğan hız ve ivmenin açılarıyla uyumunun

anlaşılmasıyla kavranabilir ve bu proje

kapsamında insan yürüyüşü kinematik olarak

incelenmiştir. Ancak bu projeden elde edilen

verilerin kullanım alanı çok geniştir. Bu projede

elde edilen veriler medikal sektörde, savunma

sanayinde ve robotik sistemler içerisinde

kullanılabilir. Bu proje esasında tüm yürüme

mekanizmalarının temelidir ve yardımlarıyla

yürümek için protezler, rehabilitasyon cihazları

ve robotik yürüme aygıtları geliştirilebilir.

Veri toplama ve toplanılan veriyi işleme kısmında

bilimsel yöntem olarak biyo benzetim tasarımı

kullanılmıştır. Biyo benzetim tasarım; biyolojik

etki uyandıran fikirler (yapılar, malzemeler,

süreçler ve fonksiyonlar) ile mühendislik alanında

yaratıcı ve yeni yapay ürünler geliştirmeye

yönelik tüm faaliyetlerin kümesi (mühendislik ve

mühendislik olmayan) olarak tanımlanır.[2]

Çalışmalar sonunda başarılı bir fiziksel model

oluşturulması ve insan bacağının kinematik

hareketlerinin bire bir sağlanması

hedeflenmektedir. Bu yapılan fiziksel model

yürüme bandı üzerinde tıpkı bir insanın

yürüyüşünün hareketlerini yapacaktır. Bu

çalışmanın başarılı olması sonucu endüstriyel,

medikal ve savunma sanayinde kullanılacak

tasarımlara ışık tutabilmesi projenin hedefidir.

Bildirinin sonraki bölümünde daha önce yapılan

araştırmalar hakkında bilgi verilmiştir.

3.VAROLAN ÇALIŞMALAR

Bilimsel yürüme analizi öncüsü 1680 yılında

hayvan yürümesi üzerine çalışmalar yapan De

Motu Animalium Aristoteles idi[3]. 1890'larda,

Alman anatomist Christian Wilhelm Braune ve

Otto Fischer yüklü ve yüksüz koşullar altında

insan yürüyüşün biyomekanik üzerine bir dizi

makale yayınlamıştır.[4] Fotoğrafçılık ve

sinematografinin gelişimiyle birlikte hayvan

yürüyüşü ile insan yürüyüşü arasındaki fark gözle

görülür hale gelmeye başladı. Eadweard

Muybridge ile Étienne-Jules Marey 1900'ların

başlarında bu gelişmelere öncülük etti. Genellikle

yürüme analizi sonuçlarına göre ortopedik


cerrahi, tedavi içeren rejimlerin gelişmesi, 1980'li

yıllarda önemli ölçüde ilerledi. Birçok önde gelen

ortopedik hastaneler dünya çapında artık rutin

tedavi planları tasarlamak ve takip izlenmesi için

kullanılır yürüyüş laboratuarları oluşturdu.

Serebral parsi ve Parkinson gibi hastalıklara sahip

olan hastaların yürümesi incelenmeye başlandı.

Modern bilgisayar tabanlı sistemlerin

geliştirilmesi; araştırma laboratuarları, havacılık

ve uzay sanayi ile işbirliği aracılığıyla bazı temel

birkaç hastanede 1970'lerin sonunda ve 1980'lerin

başında daha teknolojik boyutlara ulaştı.[5]

Kronofotografi hareketi kayıt etmek için bilinen

en yaygın ve kullanışlı yöntemdir. Seçici

aydınlatma ile tek bir fotoğraf görüntüleri yürüme

analizi yardımcı olmak için geçmişte

kullanılmıştır.[6]. Tek veya birden çok kameradan

görüntüleri kullanarak sine-film ya da video

kayıtları eklem açıları ve hızları ölçmek için

kullanılabilir. Bu yöntem, büyük ölçüde analiz

işlemini kolaylaştırır ve analiz yazılımı

geliştirilmesi desteği ile üç boyutlu analiz için

olanak sağlar. Aynı anda, birden fazla kamera

(genellikle 5-12 kamera) kullanarak ve yansıtıcı

işaretleri (pasif pişaretcileri) kullanarak,

hareketleri çok hassas ölçülebilir hale

getirebiliriz. Kameralar, vücuda yerleştirilen

belirleyiciler (markers) ve yansıma kaydetmek

için filtreler ile eşleşen yüksek güçlü ışınları

(kızılötesi veya yakın kızılötesi, genellikle

kırmızı) kullanmaktadır.[7]

Literatürü özetlemek gerekirse insan yürüme

analizi genel olarak pediatrik açıdan

gözlemlenmiş ve üzerine çalışılmıştır. Son

zamanlarda teknolojinin gelişmesiyle birlikte

pediatrik rahatsızlıkları düzeltmek amacı ile

medikal ve biyomedikal alanda çalışmalara

başlanmıştır. Diğer bir yandan savunma sanayi

çalışmaları da iki bacak üzerinde ilerleyebilen

sistemler oluşturmak için çalışmalara başlamıştır.

Ancak her iki çalışmanın da bu projeyle

benzerlikleri ve farklılıkları vardır. En temel

benzerlik bu çalışmalar esnasında kullanılan

yüksek hızlı kameralar ve eklemlere yerleştirilen

işaretleyicilerdir. En temek farklılık ise diğer

çalışmalarda birden fazla kamera kullanılması ve

gerçek açıları elde edebilmek için kullanılan

kuvvet platformlarıdır.

Bildirinin bir sonraki bölümünde proje esnasında

yapılan çalışmalara yer verilmiştir.

4. DENEY SETİ

Çalışmanın ilk aşamasında kullanılan bilimsel

yöntemin çözüm bazlı biyo benzetim tasarımı

olması nedeniyle deneyler yapılmaya başlandı.

Deneyler kapsamında 5 adet denek, 3 farklı fazda

(4 km/saat yavaş yürüme, 6.5 km/saat hızlı

yürüme ve 10 km/saat koşma) yürütülmüş, hızlı

yürütülmüş ve koşturulmuştur. Platformun ve

çekim ortamının hazırlanmasından sonra

deneklerin bacak eklemlerine işaretler (markers)

konularak video çekimleri hızlı kamera ile


yapılmıştır. Platformun konumlandırılması Şekil

4.1 de gösterilmiştir.

Şekil 4.1 Deney Düzeneği

Deney sürecinin çevre koşullarından

etkilenmemesi için hızlı kameranın ve yürüyüş

bantının yeri sabitlenmiş ve kameranın hızlı

kamera ile uyumlu lensinin odaklanma mesafesi

de deney esnasında 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

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 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.

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 analizden sapma durumlarında

kullanıcı olarak devreye girilmiştir. Bu değerlerin

zamanla olan ilişki grafikleri çıkartılarak hız-

zaman ve açı zaman değerleri analizler için

hazırlanmıştır. İş bu çalışmalarda sağlıklı

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.

Şekil 4.2 Hız-zaman ve açı grafiği


Beş adet denek ile üç farklı fazda çekim

yapılmasından dolayı elimizde kullanıma elverişli

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. Gerekli

düzenlemelerden sonra 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

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

motorları kullanılmıştır. Montaj işleminden sonra

çift taraflı servo motorların analizler sonucu

olması gereken açı ve hız değerleri işlemci

yardımıyla motorlara aktarılmış, insan bacağının

kinematik analizinin modellemesi yapılmıştır.

Şekil 4.3 de ön modelin bir görüntüsü vardır.

Şekil 4.3 Ön modellenmiş insan bacağı

5.SONUÇ

Bu proje çerçevesinde yapılan çalışmaların ve

deneylerin sonuçları sıradaki gibi

maddelendirilmiştir;

a) İnsan yürümesinin ve koşmasının taklit

edilebilir olduğu kanıtlanmıştır.

b) Gerekli tasarımlar dahilinde ilk model

üretilmiş ve modelin, deneylerden elde edilen

analizlerle uyuştuğu gözlenmiştir.


c) İnsan yürüyüşünün kuvvet platformu

haricinde 2 eksenli olarak gözlenebileceği

ispatlanmıştır. Ancak 3. Eksende yapılan açılar

için tek kameranın uygun olmadığı; kuvvet

platformuna ya da ikinci bir kameraya ihtiyaç

olduğu anlaşılmıştır.

Projenin teknolojik gelişmelere katkısı aşağıdaki

gibi maddelendirilmiştir:

a) İnsan yürüme hareketinin kinematik analizi

yapılmasından sonra kuvvet platformu elde

edildikten sonra dinamik analizinin yapılması

mümkün olur.

b) İnsan bacağından sonra insan ayağının da

dinamik analizleri mümkün olacaktır. Bu iki

analizinin birleştirilmesi durumunda protez olarak

kullanılabilinecek bir mekatronik tasarım

yapılabilir.

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.

İnsan bacağının kinematik analizi bu çalışmaların

hepsi için ilk basamaktır. Kuvvet platformu ile

yapılacak analizlerin insan yürüyüşünün

kinematik analizleri ile birleşmesi sonucunda bu

endüstriyel, savunmaya ve medikale yönelik

çalışmalar geliştirilebilir hale gelecektir.

Projenin mevcut teknolojiler ile olan farkları ve

benzerlikleri aşağıdaki gibi maddelendirilmiştir;

a) Yapılan çalışma insan bacağının yürüme,

hızlı yürüme ve koşma hareketlerinin biyo

benzetim tasarım yoluyla yapılmasını

sağlayacaktır ve bu çalışmalar başta medikal

protez sektörünü geliştirecektir.

b) İnsan yürümesini üç mod da inceleyen

çalışma kinematik analizi ilk defa üç ayrı mod da

incelenmesini sağlamıştır. Genelde var olan

projelerde tek bir faz destek alınarak çalışılmıştır.

Kuvvet platformunun alınmasından 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) 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.

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.


TEŞEKKÜR

Bu araştıma, MECE 407-408 Lisans Araştırma






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/ga-

it/knmatics/gait.htm (Erişim: 08.05.2012)

[2] Erden A, “Bio-mimetic/Bio-inspired Design”

http://mechatronics.atilim.edu.tr /courses/mece4-

01/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/07506883-

1/ (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 cli-

nical gait analysis: Part II Kinematics"

[6] RB Davis, S Õunpuu, D Tyburski, JR Gage

(1991), "A gait analysis data collection and

reduction technique".

[7] Robertson DG (2004), “Research Methods in

Biomechanics, Champaign IL:Human Kinetics”.

memÖk2012 bildiri kita

Documents