memÖk2015 bildiri kitabı

6. ULUSAL MEKATRONİK

MÜHENDİSLİĞİ ÖĞRENCİ KONGRESİ

(MeMÖK2015) 13 Haziran 2015

MEKATRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ATILIM ÜNİVERSİTESİ, ANKARA

Editörler:

Zühal Erden H. Orhan Yıldıran S. Betül Coşkunoğlu

6. Ulusal Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK2015)

13 Haziran 2015, Atılım Üniversitesi, Ankara

Ulusal Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK) (6.: 2015, Ankara, Türkiye)

6. Ulusal mekatronik mühendisliği öğrenci kongresi (MeMÖK) bildiri kitabı / editörler

Zühal Erden, H. Orhan Yıldıran, S. Betül Coşkunoğlu. — Ankara: Atılım Üniversitesi, 2015.

Atılım Üniversitesi yayınları; 02. Mühendislik Fakültesi yayınları no; 02.

ISBN 978-975-6707-53-1 (e-book)

1. Mechatronics -- Congresses 2. Mekatronik -- Kongreler I. Erden, Zühal, editör II.

Yıldıran, H. Orhan, editor III. Coşkunoğlu, S. Betül, editor

TJ163.12 ULU 2015

6. Ulusal Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK2015) 13 Haziran 2015, Atılım Üniversitesi, Ankara

i

MeMÖK 2015 Kongre Başkanı

Prof. Dr. Abdulkadir Erden

Organizasyon Komitesi

Zühal ERDEN (Atılım Üniversitesi, Mekatronik Müh.) [email protected]

A. Buğra KOKU (ODTÜ, Makina Müh.) [email protected]

Yiğit TAŞÇIOĞLU (TOBB ETÜ, Makina Müh.) [email protected]

M. Bülent ÖZER (TOBB ETÜ, Makina Müh.) [email protected]

H.Orhan YILDIRAN

S. Betül COŞKUNOĞLU

(Atılım Üniversitesi, Mekatronik Müh.)

(Atılım Üniversitesi, Mekatronik Müh.)

[email protected]

[email protected]

Kongre Sekreteri Ayşe SUNGUR Adres: Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Atılım Üniversitesi, Kızılcaşar Mahallesi, 06836 İncek-Ankara Tel: +90 312 586 83 15 Fax: +90 312 586 80 91 Web: http://memok.atilim.edu.tr E-Posta: [email protected]

MeMÖK2015 Danışma Kurulu

Prof. Dr. Ata Akın İstanbul Bilgi Üniversitesi

Prof. Dr. Nihat Akkuş Marmara Üniversitesi

Prof. Dr. Z. Hakan Akpolat Fırat Üniversitesi

Prof. Dr. Zafer Bingül Kocaeli Üniversitesi

Prof. Dr. Mehmet Çelik KTO Karatay Üniversitesi

Prof. Dr. Mehmet Önder Efe Hacettepe Üniversitesi

Prof. Dr. Osman Eldoğan Sakarya Üniversitesi

Prof. Dr. Aydan M. Erkmen ODTÜ

Prof. Dr. H. Metin Ertunç Kocaeli Üniversitesi

Prof. Dr. Müfit Gülgeç Çankaya Üniversitesi

Prof. Dr. Ahmet Koyun Yıldız Teknik Üniversitesi

Prof. Dr. Kemal Leblebicioğlu ODTÜ

Prof. Dr. Osman Parlaktuna Osmangazi Üniversitesi

Prof. Dr. Bülent E. Platin ODTÜ

Prof. Dr. Mehmet Serdar Ufuk Türeli Okan Üniversitesi

Prof. Dr. Mustafa Ünel Sabancı Üniversitesi

Prof. Dr. Şahin Yıldırım Erciyes Üniversitesi


ii

MeMÖK2015 Danışma Kurulu (devam)

Prof. Dr. Muharrem Yılmaz Kocaeli Üniversitesi

Prof. Dr. Faruk Yiğit Yıldız Teknik Üniversitesi

Doç. Dr. Mehmet Akar Gaziosmanpaşa Üniversitesi

Doç. Dr. Fuad Aliew Atılım Üniversitesi

Doç. Dr. Raif Bayır Karabük Üniversitesi

Doç. Dr. Hilmi Cenk Bayrakçı Süleyman Demirel Üniversitesi

Doç. Dr. Hüseyin Canbolat Yıldırım Beyazıt Üniversitesi

Doç. Dr. Nevin Çelik Fırat Üniversitesi

Doç. Dr. Mustafa Demetgül Marmara Üniversitesi

Doç. Dr. Ahmet Fenercioğlu Gaziosmanpaşa Üniversitesi

Doç. Dr. Ahmet Gayretli Afyon Kocatepe Üniversitesi

Doç. Dr. Birhan Işık Karabük Üniversitesi

Doç. Dr. Ali Kara Atılım Üniversitesi

Doç. Dr. Mehmet Karabacak Celal Bayar Üniversitesi

Doç. Dr. Ahmet Koca Fırat Üniversitesi

Doç. Dr. E. İlhan Konukseven ODTÜ

Doç. Dr. Sedat Nazlıbilek Atılım Üniversitesi

Doç. Dr. Ethem Toklu Düzce Üniversitesi

Doç. Dr. Ayşegül Uçar Fırat Üniversitesi

Yrd. Doç. Dr. Kutluk B. Arıkan Atılım Üniversitesi

Yrd. Doç. Dr. Fatih Cemal Can İzmir Katip Çelebi Üniversitesi

Yrd. Doç. Dr. Ertuğrul Çetinsoy İstanbul Ticaret Üniversitesi

Yrd. Doç. Dr. Bülent İrfanoğlu Atılım Üniversitesi

Yrd. Doç. Dr. Metin Özkan Osmangazi Üniversitesi

Yrd. Doç. Dr. Yeşim Öniz İstanbul Bilgi Üniversitesi

Yrd. Doç. Dr. Erol Türkeş Kırklareli Üniversitesi

Yrd. Doç. Dr. Mehmet Kürşat Yalçın Niğde Üniversitesi


iii

ÖNSÖZ

Sanayi kuruluşlarında ve üniversitelerde yapılan araştırma ve geliştirme (ARGE) faaliyetleri farklı özellikler taşımasına rağmen, arge genel olarak “sistematik bir yaklaşım ile varolan seçeneklerin dışında yeni teknoloji ve yeni ürünlere yönelik adımlar ve etkinlikleri tümleştiren süreç” olarak tanımlanabilir. Bu kapsamda ürün fiziksel bir sistem olabileceği gibi, bir yaklaşım, yöntem ve araç olarak da düşünülebilir. Çağdaş teknolojik gelişim sürecinde öne çıkan konuların gereği olarak çağımızda mekatronik mühendisliğinde arge’nin önemi daha iyi anlaşılmaktadır. Tıp ve çeşitli mühendislik dallarında, savunma sanayii, tarım, eğitim ve eğlence sektörlerinde olduğu gibi hemen her konuda mekatronik mühendisliği teknolojisinin uygulamaları sonucu geliştirilmi ş arge ürünleri toplum kesimlerinin günlük yaşamında birçok yerde görülmektedir. Sanayi kuruluşlarında yapılan arge projeleri o kuruluşlar için lokomotif görevini üstlenerek kuruluşun gelişmesinde ve pazar payının artmasında önemli rol oynamaktadır. Üniversitelerde yapılan arge projeleri ise, yerel, ulusal ve uluslararası boyutlarda sanayi kuruluşları için özel bir ilgi alanı oluşturmakta, üniversitede yapılan arge çalışmaları üniversitenin erişim alanında bulunan kuruluşlar açısından üniversite ve sanayi/toplum işbirliği için kuvvetli bir itici güç olmaktadır.

Bir arge çalışmasının başarılı olabilmesi için temel koşulların sağlıklı bir şekilde sağlanması, arge ortamının oluşturulması ve bu ortamın sürdürülebilir olması gerekir. Bu kapsamda ilk adım olarak arge ortamının sağlanması özel önem taşımaktadır. ARGE altyapısını oluşturan mekan, donanım ve yazılım olanaklarında eksiklik olmaması gerekmektedir. Arge için ikinci temel özellik; kurumsal düzeyde arge konusunda gerektiği kadar derin ve geniş bir bilgi ve deneyim birikiminin sağlanmasıdır. Çağdaş teknolojik düzeyde bilginin genişliği ve derinliği hızla artmaktadır. Bu nedenle sanayi kuruluşlarının ve üniversitelerin kendi çalışma konularını seçerek gerekli uzmanlaşmayı sağlamaları beklenmektedir. Arge’nin son ayağı ise araştırmacı elemanların yetiştirilmesi ve projelerde görev almalarının sağlanmasıdır. Türkiye’de arge’nin ilk iki özelliği göreceli olarak daha kolay sağlanabilse de, araştırmacı eleman konusunda ciddi bir açık söz konusudur. Özellikle mekatronik mühendisliğinde araştırmacı elemanların sayısının, gelişmekte olan bir ülke için az olduğu düşünülmektedir. Bu nedenle mekatronik mühendisliği öğrencilerinin hem mekatronik mühendisliği konularının ve ilgi alanlarının özelliklerini düşünerek, hem de teknolojik gelişim eğilimini göz önüne alarak arge projelerinde görev almaları büyük önem taşımaktadır.

Mekatronik mühendisliği bölümleri mezunlarının arge niteliklerini taşımalarının ve içselleştirilmi ş arge kültürüne sahip olmalarının lisans eğitimleri sırasında sağlanması daha sağlıklı ve üretken bir yaklaşımdır. Bu kapsamda öğrencilerin lisans düzeyinde verilecek sistematik bir arge eğitimi almaları ve bununla birlikte uzmanlaşma, arge deneyimi ve arge sürecinin özelliklerini tanımaları üniversiteler tarafından öncelikli bir görev olarak üstlenilmelidir. Bu eğitim süreci içinde veya sürecin sonunda arge deneyiminin Türkiye mekatronik mühendisliği kamuoyunda paylaşımı, karşılıklı bilgi ve deneyim aktarımı için ortam sağlanması önemli bir aşamadır. Lisans düzeyinde yapılan araştırma ve geliştirme uygulamaları, lisans öğrencilerinin araştırma kültürünü tanımalarını, arge etkinliklerinde görev almalarını ve arge sürecini yaşamalarını sağladığından teknoloji üretimine yönelik üniversite eğitiminde önemli bir yer tutmaktadır. Mekatronik mühendisliği eğitiminin çağdaş arge projelerinde teknolojik olarak ayrıcalıklı bir konumu olması, mekatronik mühendisliğindeki arge çalışmalarını daha özel hale getirmektedir.


iv

Türkiye’de birçok üniversitede mekatronik mühendisliği eğitimi verilmektedir. Bir tahmin olarak Türkiye’de 4000-5000 dolaylarında öğrencinin mekatronik mühendisliği bölümlerinde lisans eğitimi aldığı düşünülmektedir. Lisansüstü çalışmalar yapan öğrencilerle birlikte bu sayı daha da artmaktadır. Fiziksel kısıtlar nedeni ile bu öğrencilerimizin tamamını bir araya getirebilmemiz mümkün olmasa da, özellikle arge projelerine ilgi duyan öğrencilerimizin birbirlerini tanımalarının sağlanması, deneyim, bilgi ve hedeflerin paylaşılması için ortam hazırlanması Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongrelerinin (MeMÖK) ana temasıdır. MeMÖK, 2010-2012 yılları arasında Atılım Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü tarafından üniversite içinde bir etkinlik olarak düzenlenmiştir. MeMÖK, 2013 yılında ilk defa ulusal düzeyde ve tüm üniversitelere açık bir etkinlik olarak organize edilmiş ve “4. Ulusal Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2013)” adıyla 8 Haziran 2013 tarihinde Ankara’da Atılım Üniversitesi’nde gerçekleştirilmi ştir. MeMÖK 2013’te Atılım Üniversitesi, Çanakkale 18 Mart Üniversitesi, Çukurova Üniversitesi, Fırat Üniversitesi, Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Karabük Üniversitesi, Kırklareli Üniversitesi, Marmara Üniversitesi, TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi ve Trakya Üniversitesi’nden bildiriler sözlü olarak sunulmuş ve elektronik bildiri kitabında basılmıştır. 13 Haziran 2015 tarihinde düzenlenen 6. Ulusal Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2015)’ne Atılım Üniversitesi, Fırat Üniversitesi, Karabük Üniversitesi, Kırklareli Üniversitesi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Sakarya Üniversitesi ve TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi öğrencileri yaptıkları çeşitli çalışmaları içeren bildirilerle katılmaktadırlar. MeMÖK kongrelerinin önümüzdeki yıllarda giderek gelişerek arge’ye ilgi duyan tüm mekatronik mühendisliği öğrencilerini kapsayacağına inanıyoruz.

MeMÖK 2015’e farklı üniversitelerden katılan tüm öğrencilerimize sevgi ve teşekkürlerimi bildirmek istiyorum. Onların ve önceki yıllarda katılan, şimdi mezun olmuş öğrencilerimizin yoğun ilgisi ve çok değerli emekleri olmasa idi, bu kongreler gelişemezdi ve gerçekleşmezdi. Öğrencilerimiz kadar, öğrencilerimizi yönlendiren tüm öğretim üyeleri ve öğretim elemanlarımızın kongrenin başarısı ve sürdürülebilirliği konusunda önemli katkıları olacağına inanıyorum. Değerli akademisyen meslektaşlarımızın özverili çalışmalarını takdirle karşılıyor, kendilerini teşekkür ediyorum. Önümüzdeki yıllarda MeMÖK kongrelerinin her yıl farklı bir üniversitede düzenlenmesinin, kongrenin tüm üniversitelerimizi dolaşmasının, MeMÖK’ün yaygınlaşması ve sürdürülebilirliği açısından gerekli olduğunu düşünüyorum. Bu konuda tüm öğretim elemanlarımıza önemli bir görev düşmektedir.

MeMÖK 2015 için tüm kongre olanaklarını sağlayan Atılım Üniversitesi’ne, özellikle Atılım Üniversitesi Mütevelli Heyet Başkanlığı’na ve Rektörlüğe teşekkürlerimi sunmak istiyorum. Kongrenin gerçekleşmesindeki emekleri ve katkıları dolayısıyla MeMÖK 2015 Organizasyon Komitesi’ne, Program Komitesi ve Danışma Kurulu’na, Atılım Üniversitesi Kurumsal İletişim ve Tanıtım Müdürlüğü’ne, ve üniversitenin katkıda bulunan tüm diğer idari ve teknik personeline teşekkürlerimi iletmek istiyorum. Atılım Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği bölümünün değerli öğretim elemanlarına ve teknik personeline katkılarından dolayı teşekkür ediyorum. Son olarak özverili ve titiz çalışmaları ile kongreye çok emek veren bölüm sekreterimiz Ayşe Sungur’a özel olarak teşekkür ediyorum.

MeMÖK 2015 kongresinin verimli ve başarılı geçmesini, kongre sonuçlarının Türkiye’nin teknolojik gelişim sürecine özgün ve saygın bir katkı sağlamasını diliyorum.

Prof. Dr. Abdülkadir Erden MeMÖK2015 Kongre Başkanı


v

İÇİNDEKİLER ORGANİZASYON BİLGİLERİ……………………………………………………………………….i ÖNSÖZ…………………………………………………………………………………………………iii İÇİNDEKİLER…………………………………………………………………………………………v TOPRAK İLETKENLİĞİ KONTROLLÜ OTOMATİK SULAMA PROTOTİPİ ...............................1 NÖRAL DALGALAR İLE BİLGİSAYAR ORTAMINDA MEKAN İK SİSTEM KONTROLÜNÜN SAĞLANMASI.......................................................................................10 XTION KAMERA VE ULTRASONİK SENSÖRLERLE YAPILAN ENGELDEN KAÇINMA UYGULAMALARININ KAR ŞILAŞTIRILMASI.....................................19 DOĞRUDAN ULTRASONİK İŞLEMİN DÖKÜM YAPISINA ETKİSİ............................................30 ESNEK SENSÖR SİSTEMLİ RC ROBOT TASARIMI VE PROTOTİPİ...........................................38 3D YAZICI TASARIMI VE PROTOTİPİ.............................................................................................48 ULTRASONİK İŞLETİCİLERE SAHİP KALIP TASARIMI VE ÜRETİMİ......................................61 HAVUZ GÜVENLİK SİSTEMİ............................................................................................................69 TOROİDAL SARIM MAK İNASI.........................................................................................................76 JOYSTİCK KONTROLLÜ JİMMY JİB TASARIMI VE PROTOTİPİ................................................88 NFC KONTROLLÜ YATAKLAMALI GARAJ KAPISI.....................................................................99 ÇOCUKLARA YÖNELİK EĞLENCELİ FİTNESS BİSİKLETİ.......................................................115 MEKATRONİK ÜRÜNLER İÇİN MODÜLER TASARIM UYGULAMASI: ÇOK AMAÇLI TEM İZLİK ROBOTU................................................................................................126 ROBO YÜZ PROJESİ..........................................................................................................................138 ANDROİD TABANLI EV OTOMASYONU......................................................................................148 SOLAR KÜRE TASARIMI VE PROTOTİPİ.....................................................................................156 MODÜLER ÜRÜN AYRIŞTIRMA OTOMASYONU.......................................................................164 AKILLI BE ŞİK TASARIMI VE PROTOTİPİ....................................................................................169 ROBOTİK HASAT İÇİN GÜL OLGUNLUĞUNUN BELİRLENMESİ...........................................178 3 SERBESTLİK DERECELİ PARALEL KİNEMATİK HAPTİK CİHAZ........................................189 EKSENDEŞ PERVANELİ MİKRO HAVA ARAÇLARININ İRTİFA KONTROLÜ......................200


vi

MELEZ UÇAN ROBOT VE TEST DÜZENEĞİ................................................................................209 STIRLING MOTORLU, DOĞRUSAL EYLEYİCİLİ, PARABOLİK YANSITICILI GÜNEŞ TAKİP SİSTEMİ ...................................................................................................................215 OPTİK KAMERA TABANLI CANSAT UYDU S İSTEMİ………………………………………....225 KURULU CNC MAKİNESİ ÜZERİNDE TB6560 SÜRÜCÜSÜ KULLANILARAK KULLANICI ARA YÜZLÜ L İNUX İŞLETİM SİSTEMİ İLE OTOMATİK ÇİFT YÜZLÜ DEVRE KARTI BASIMI…………………………………………………………………..236 DÖRT BACAKLI ROBOT TASARIMI……………………………………………………………..244 TAŞINAB İLİR MEKATRONİK SOLAR SİSTEM(TMSS)………………………………………...252


1

TOPRAK İLETKENL İĞİ KONTROLLÜ OTOMAT İK SULAMA

PROTOTİPİ

Emre GÜL, [email protected] Kırklareli Üniversitesi, 39000, Kırklareli

Yasin Enes KARA, [email protected] Kırklareli Üniversitesi, 39000, Kırklareli

Kazım ZENGİN, [email protected] Kırklareli Üniversitesi, 39000, Kırklareli

ÖZET

Damla sulama yönteminde temel ilke; bitkide, nem eksikliğinden kaynaklanan bir gerilim yaratmadan,

her defasında az miktarda sulama suyunu basınçlı bir boru ve damlatıcılar vasıtasıyla sık aralıklarla

yalnızca bitki köklerinin geliştiği ortama vermektir. Bu çalışmada, topraktaki nem kontrolü yapılarak

sulama otomasyonunun gerçekleştirilmesi sağlanmıştır. Bunun için bir prototip tasarımı yapılmıştır.

Nem kontrolü için basit bir mikrofon jakı algılayıcı olarak kullanılarak, sulanan topraktaki direnç

ölçümleri yapılmıştır. Toprakta oluşan nem durumuna göre ayarlanabilen, elektronik bir düzenek

tasarlanarak yeterli nemlenme oranına göre otomatik sulama sisteminin kontrolü sağlanmıştır.

Anahtar Sözcükler: Toprak, Nem, Kontrol, Damlama Sulama, Otomatik Sulama

ABSTRACT

The main ambitions by irrigation with drip system is ,without generating induced stress inside plants

cause of lack of moisture, to provide each time a small amount of irrigaton water only the roots of the

plant via pressure pipe and dripper. İrrigation automations system performed with controlling the soil

moisture and established a prototype. A microphone jack is used for measuring the resistor of soil

moisture to control. Adjustable electronic circuit is desinged to control of the soil moisture and start

irrigation system.

Keywords: Soil,Moisture, Control, İrrigation with Drip Sysytem,Automatic İrrigation


2

1. GİRİŞ

Toprak ve su kaynaklarının korunması, geliştirilmesi ve kullanılması çalışmalarının başlıca

amaçlarını; tarımsal sulama, hidroelektrik enerji üretimi, taşkın koruma, içme ve kullanma suyu

sağlanması ve su ulaşımı oluşturmaktadır.[1]

Ülkemizde son yıllarda artan sanayileşmeye rağmen tarım ekonomimizde önemli bir paya sahiptir.

Ülkemizin iklimsel özellikleri göz önünde bulundurulduğunda çok çeşitli ürünler

yetiştirilebilmektedir. Bunun yanında yeni ürünlerin yetiştiricili ğinin denenme çalışmaları da

yapılmaktadır. Ülkemizde geniş tarım arazileri olmasına rağmen gelişmiş tarım ülkelerine kıyasla

birim alandan alınan ürün miktarı, onlara oranla oldukça azdır. Gerekli yatırım yapılıp sulama

yapılamaması nedeniyle ülkemiz ekonomisinin yıllık kaybı 400 milyon ABD dolarıdır. Batı

ülkelerinde sulama randımanları yüzey sulama uygulamalarında % 60-70, yağmurlama sistemi altında

ise, en az % 80-90’dır. Ülkemizde ise işletimi DSİ’nin denetimi altında, yüzey sulama uygulanan

alanlarda, en fazla % 35, Sulama Birlikleri’ne devredilen alanlarda ise % 45’tir. Sulama randımanı;

bitki kök bölgesinde ihtiyaç duyulan suyun, sulama şebekesinden alınan suya oranı olarak

tanımlanır.[1] Bu da ülkemizin tarım potansiyelinin ekonomiye düşük bir oranının yansıması anlamına

gelmektedir.

Bu çalışmada damlama sulama elektronik kontrollü bir sistem aracılığıyla yapılmaktadır. Ürün

ihtiyacına göre toprak nem miktarı ayarlanabilmektedir. Damla sulama yönteminin üstünlükleri

dikkate alınarak, su kaynağının kısıtlı olduğu koşullarda, topraktaki nem eksikliğine duyarlı olan ve

ekonomik değeri yüksek ürün elde edilen sebze ve meyve bahçeleri, bunun yanında örtü altı

yetiştiricili ği ve süs bitkileri için son derece uygun bir yöntemdir.

2. SULAMADA KULLANILAN YÖNTEMLER

2.1 Yüzey Sulama Yöntemleri

Yüzey sulama yöntemlerinde bitkinin gereksinim duyduğu su miktarı ya tarla parsellerinde

göllendirilerek zamanla kök bölgesinde sızmaya bırakılır yada kök bölgesine sızıncaya kadar arazi

yüzeyinden akması sağlanır.

Salma sulama yöntemi


3

Salma sulama yönteminde kaynağından tarla başına kadar getirilen su, gelişi güzel olarak arazi üzerine

saptırılır. Suyun hem tarla üzerinde ilerlemesi aynı zamanda da bitki kök bölgesinde depolanması

sağlanır.

Şekil 1. Salma Sulama Uygulaması

Karık sulama yöntemi

Karık sulama, tarlanın genel eğimi doğrultusunda veya eğime dik olarak oluşturulmuş küçük kanal

veya arklarla suyun aktarılması şeklinde uygulanmaktadır. Su karık boyunca ilerlerken bir yandan da

infiltrasyonla toprak içerisine sızar ve bitki kök bölgesinde depolanır.

Şekil 2. Karık Sulama Uygulaması

Tava sulama yöntemi

Tava sulama yönteminde, sulanacak tarla parselinde etrafı toprak seddelerle çevrilmiş eğimsiz tavalar

oluşturulur. Tavalara yüksek debide sulama suyu uygulanır ve kısa sürede tavayı kaplaması sağlanır.


4

Şekil 3. Tava Sulama Uygulaması

2.2 Basınçlı Sulama Yöntemleri

Yağmurlama sulama yöntemi

Yağmurlama sulama yöntemi, suyun kaynaktan belirli bir basınçta alınarak kapalı bir sistem ile tarlaya

kadar iletildiği ve atmosfere damlacıklar halinde püskürtüldüğü yöntemdir. Gerekli parçaların

sağlanabilirliği, uygulama sırasında denetlenebilir olması tüm dünyada yaygın olarak kullanılabilir

olmasını sağlamaktadır.

Şekil 4. Yağmurlama Sulama Uygulaması

Damlama sulama yöntemi

Damla sulamada amaç, bitkilerin terleme ile olan su kaybını yeterli olarak karşılayabilecek sürekli bir

elverişli toprak nem düzeyini sağlayabilmektir. Bu nedenle bitkinin yalnızca kök bölgesinin sulanması

ve bu bölgedeki nem kapsamının en uygun düzeyde tutulması gibi temel düşünceye dayanmaktadır.

Bu sistem toprak yüzeyine veya yüzeyin hemen altına yerleştirilen küçük çaplı delikli borular


5

yardımıyla arıtılmış suyu toprak yüzeyine veya içerisine alçak basınç altında belirlenmiş bir alana

verir. Su yaygın boru ağı aracılığı ile her bitkiye kadar götürülür ve bitkilere verilecek gübreler de

sulama suyu ile birlikte verilebilir. Sistemin esası bitkinin ihtiyaç duyduğu su ve besin maddesi

miktarını uygun değer ve seviyede tutmak aynı zamanda ekonomik sulamayı gerçekleştirmektir. Sulu

tarım arazilerinin ve sulama suyu miktarının azlığı göz önüne alındığında sulamanın verimli bir

biçimde yapılması kaçınılmaz bir zorunluluktur.

Şekil 5. Damlama Sulama Uygulaması

3. TOPRAK NEM İ ÖLÇME YÖNTEMLER İ

Sulama programlamasının toprak nem içeriğine göre yapılması durumunda topraktaki nem

değişiminin çeşitli sensörlerle izlenmesi gerekir. Schmitz ve Sourell (2000), toprak nem düzeyinin

anılan sensörlerle hassas olarak ölçülebilmesi için doğru bir şekilde kalibrasyonlarının yapılması ve bir

arazi içerisinde yerleştirilmesi gereken aralıklara özen gösterilmesi gerektiğini belirtmişlerdir. Aksi

durumda aynı sensörün aynı toprak koşullarında farklı düzeylerde ölçüm değeri verebileceğini

belirtmişlerdir.[4]

3.1 Gravimetrik Ölçme

Doğrudan belirleme yöntemlerinde gravimetrik olarak alınan toprak örneklerinden suyun toprak

fraksiyonundan ayrılarak ölçülmesini esas alır. Alınan örneklerin, yaş ve kuru ağırlıklarının

tartılmasına dayanır.

3.2 Elektriksel Direnç İle Ölçme

Nemli toprakla temas halinde olan gözenekli alçı veya naylon bloklar toprak suyu ile dengeye

ulaşırlar. Blokun su içeriğindeki değişme (toprak suyundaki değişme) bloğun bazı özelliklerinin

değişmesine neden olur. En yaygın olarak ölçülen iki önemli özellik elektriksel direnç ve termal

iletkenliktir.

3.3 Tansiyometre İle Ölçme


6

Tansiyometre içi su doldurulmuş gözenekli seramik bir uç, yine içi su dolu bir tüp ve emişi gösteren

bir basınç ölçerden olmaktadır. Toprak su içeriğindeki değişmeye tepki olarak seramik kaptan su dışarı

veya içeri akar. Toprak su içeriği azaldıkça seramik uçtan su dışarıya toprağa doğru akar ve oluşan

emis değeri de vakum göstergesinden okunur.

4. SENSÖR VE KARAKTERİSTİK EĞRİSİNİN ÇIKARILMASI

Topraktaki nem oranını ölçmek için basit bir sensör tasarlandı. Sensör olarak Şekil 7’de gösterilen

müzik çalarlarının kulaklık jakı kullanıldı. Bu jaklar birbirinden 1 mm aralıkla yalıtılmış iki iletken

içerir. Bu jakı toprağa sapladığımızda toprak çok kurak olduğunda iletim olmadı. Fakat toprak biraz

nemli olduğunda iletkenler arasında iletimi gerçekleştirdi ve bu iletkenlik toprak nemine göre değişti.

Böylece sensörümüzün direnci toprak nemine bağlı olarak değişti. Direnç değişimli sensör olarak

görev yaptı. Yaptığımız testlerde toprak sıfır nemde sonsuz direnç, aşırı nemde 7.5 kΩ direnç gösterdi.

Deneysel olarak elde edilen sonuçlardan Şekil 8’deki eğri elde edilmiştir.

Şekil 6. Sensör Amaçlı Kullanılan Jakı

Şekil 7. Kullanılan sensör nem-direnç grafiği ve yapısı (Direnç kΩ)

5. NEM KONTROL DEVRES İ

Sistem için tasarlanan elektronik devrenin Proteus programında çizimi Şekil 9’da görülmektedir.

Sensörün bir ucuna besleme gerilimi uygulandı. Sensöre seri bir potansiyometre bağlandı, bu şekilde

hem toprak nemine hem de pontansiyometre direncine bağlı gerilim bölücü düğüm elde edildi. Elde

edilen gerilim bölücü kola paralel 2.2Kohm R3 direncinden ve 10Kohm R1 direncinden oluşan ikinci

Nem-Direnç Grafiği

1

10

100

1000

10000

100000

0 10 25 40 55 70 100

Nem-Direnç Graf iği


7

gerilim bölücü düğüm oluşturuldu. Sensör ile potansiyometrenin birleşme noktası TL741 opampının +

girişine, R3 ile R1’in birleşme noktası opampın - girişine bağlandı. Opampın + beslemesi kaynağa

verildi, - beslemesi ise toprağa bağlandı. Bu şekilde bir karşılaştırıcı devre oluşturuldu.

Potansiyometre üzerine düşen gerilim R1 dirençi ürerine düşen gerilimden fazla olduğu durumda

opamp çıkışında + besleme gerilimi elde edildi, potansiyometre üzerine düşen gerilim, R1 direnci

üzerine düşen gerilimden az olunca opamp çıkışında - gerilimi elde edildi.

Şekil 8. Devre Şeması

Toprak nemi istenen seviyede olunca opamp çıkışında besleme gerilimi elde edildi. Bu gerilim opamp

çıkışındaki yeşil led yaktı ve aynı zamanda doğruluk tablosu Tablo 1’de verilen 74LS02 NOR

entegresinin kullanılan kapı girişlerini lojik 1 yaptı. Yeşil ledin yanması ile toprak neminin iyi

durumda olduğu kullanıcıya bildirildi. 74LS02 entegresi 5V çalışma gerilimine sahip olduğu için 7805

DC voltaj düzenleyici entegresinin çıkış geriliminden beslendi. 74LS02 entegresinin kullanılan iki

kapısına da aynı girişler uygulandı. Kapıların iki girişinde de lojik 1 olunca çıkışından lojik 0 elde

edildi. Bu değer motor tahrik devresini çalıştırmadı ve aynı zamanda kırmızı led sönük kaldı.

Tablo 1. Nor Kapısı Doğruluk Tablosu

A B Çıkış

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0


8

Toprak nemi istenilen seviyenin altına düştüğünde opamp 0V çıkış verdi. Nor kapılarının girişleri lojik

0 olunca çıkışlarında lojik 1 elde edildi. Kapılardan birinin çıkışı kırmızı ledi yakarken diğer kapının

çıkışı ile BC238 NPN transistorünün beyzini beslendi. BC238’in emiter akımı ile BD 139 NPN güç

transistörünün beyzi beslendi ve böylece bir darlington transistör sistemi oluşturarak motorun tahrik

akımı elde edildi. Kırmızı led toprak neminin ayarlanan düzeyden az olduğunu kullanıcıya bildirmek

için kullanıldı. R4 direnci kullanılmadan önce opamp net sıfır volt çıkış vermedi ve yeşil ledimizi çok

az da olsa yanık bunu engellemek için R4 direncini kullanıldı ve sızıntı akımı R4 direnci üzerinden

toprağa aktı. R2 direnci de kapılara gelen akımları sınırlamak için kullanıldı. R7 direnci BC238

transistörünün kararlığını arttırmak için kullanıldı.

6. SULAMA MEKAN İZMASI

Şekil 10’da sulama tankı ve sifon mekanizması görülmektedir. Elektrik motorunun miline bağlanan

makaraya sarılı ipin bir ucu sifonun kapağına bağlandı. Elektronik devre tarafından motora çalışma

gerilimi uygulandığında makara ipi sararak kapağın açılmasını sağlamaktadır. Nem ayar seviyesine

ulaştığı zaman motor durmaktadır. Sulama tankında bulunan suyun hidrostatik basınç kuvveti ile

kapak kapanmaktadır ve su akışı kesilmektedir.

Şekil 9. Sulama Tankı Kesit Görünüşü

7. SONUÇLAR

Tasarlamış olduğumuz sensörun basit sulama sistemlerinde kullanılabileceği ispatlanmıştır. Projemiz

sadece bir örnek uygulama niteliği taşımaktadır. Bu sistem hemen hemen her türlü tarlada veya evde

çiçek sulamak için uygundur. Sistemimizde sifon mekanizması kullanıldı fakat bunun yerine bir


9

selenoid vana ya da motorlu aktuatör vana kullanılabilir. Bu sayede su aç-kapa kontrolü daha rahat

yapılır.

Gelişmiş uygulamalar için daha kapsamlı deneysel çalışmalar ile sensör karakteristiğine etki edecek

farklı bileşenlerin tespiti yapılmalıdır. Gelişmiş endüstriyel uygulamalar için elektronik devre tasarımı

güçlendirilmelidir. Bu oluşturulacak otomasyon basınçlı sulama sistemlerinin herhangi birinde

uygulanabilir.

KAYNAKÇA

[1] ÇEVİK, B., KIRDA, C., SAYIN, S., “Sulama Araç Yöntem ve Organizasyonu”

[2] Baydar, A., (2013) , “Genel Sulama” Bahçe Kültürleri Araştırma İstasyonu Müdürlüğü Toprak ve

Su Kaynakları Kampüsü Su Yönetimi Bölümü

[3] Sezen, S.M., (2012), Sulama, Bahçe Kültürleri Arastırma İstasyonu Tarsus Toprak ve Su

Kaynakları Lokasyonu, Su Yönetimi Bölümü, Tarsus-MERSİN

[4] EMEKLİ, N., Y., TOPRAKCI M.,(2009), “Hassas Uygulamalı Tarım Teknolojilerinin Sulama

Alanında Kullanımı” GOÜ Ziraat Fakültesi Dergisi 26(2), 9-17

[5] AVCI, S. , “Sulamanın Temel İlkeleri”


10

NÖRAL DALGALAR İLE SANAL ROBOT KOLU KONTROLÜ

Onur YAMAN , [email protected], Sakarya Üniversitesi, Mekatronik Mühendisliği,

Sakarya

Umut DEM İRÖZ, ,[email protected], Sakarya Üniversitesi, Mekatronik

Mühendisliği, Sakarya

ÖZET

Son zamanlarda nöral dalgalar ile yapılan çalışmaların, dikkat kaybı, kanser tedavisi, engelli insanların

hayatlarını kolaylaştırıcı sistemlerin tasarımı ve mekanik kontrol gibi alanlarda ağırlık kazandığı

görülmektedir. Bu çalışmada mekanik/biomekanik bir sistemin sanal ortamda benzetimi yapılmıştır.

Yapılan çalışmada nöral dalgalar NeuroSky Mindwave Headset ile alınmış,geliştirilen görsel arayüz

ile SolidWorks benzetim ortamında bir robot kolunun kontrolü sağlanmıştır.

Anahtar Sözcükler: Nöral dalgalar, nöral dalgalar ile kontrol, sanal robot kolu kontrolü, neurosky

mindwave headset.

ABSTRACT

Recently, studies with neural waves have gained importance in areas such as attention deficit, cancer

treatment, design of systems that facilitating the lives of handicapped people. İn this study, a

mechanical/biomechanical system simulation has been made in virtual environment. Neural waves

have been taken by Neurosky Mindwave headset, a robot arm has been controlled by improved visual

interface in SolidWorks simulation environment.

Keywords: Neural waves, Neural waveswith control, Virtual robot arm control, Neurosky mindwave

headset.

1. GİRİŞ

Kontrol sistem ve çeşitleri gün geçtikçe artmaktadır. Dijital sistemlerin gelişmesiyle bazı analog

verilerin işlenmesi ve gözlemlenmesi hatta bu veriler ile kontroller yapılması kolaylaşmıştır. Bu


11

incelemeler arasında nöral dalgalarda yer almaktadır. Günümüzde mikro denetleyici tabanlı

sistemlerin gelişmesi ile nöral dalgaların irdelenmesi kolaylaşmaktadır. EEG nin geliştirilmesi ile

beyin özel beyin dalgaları bulunmuş ve bunlar alfa, beta, teta ve gama olarak nitelendirilmi ştir. Bu

değişik frekans aralıklarındaki bantlar bizim yoğunlaşma, derin uyku, yüksek benlik, analitik çözüm

ve öğrenme, aşırı sinirlilik gibi duygu değişimlerinde meydana çıktıkları fark edilmiştir. Bu frekans

aralıklarının keşfi ile billim insanları nöral dalgalar ile kontrol yapılabilir mi sorusunu akıllara

getirmiştir. Bu sayede yeni biosensörler ve EEG cihazları geliştirilmi ştir.

Nöral dalgaların bilim insanlarınca en fazla kullanılmak istenilen alanlardan biri de yine mekanik

sistemlerdir. Bu sistemlerin geliştirilmesi ile engelli insanların yaşam standartlarını kolaylaştıracak

aynı zamanda mekanik sistemler dışında dijital sistemlerinde kontrolünü sağlayarak akıllı ev

sistemleri, hasta takibi (epilepsi, nöral hastalıkları bulunan kişilerde), yeteneklerin belirlenmesi,

güvenlik gibi alanlarda da uygulanabilecektir. Bu teknolojinin uygulama alanlarının genişlemesi

birçok yeni sektör oluşmasına da katkı sağlayacaktır.

Yapılan çalışmada nöral dalgalar NeuroSky Mindwave Headset ile alınmış LabVIEW programı ile

görsel bir ara yüz hazırlanarak SolidWorksbenzetim ortamında bir robot kolunun kontrolü

sağlanmıştır.

2. TASARLANAN S İSTEMİN BİLEŞENLERİ

Proje LabVIEW görsel programlama, SolidWorks katı model tasarım ve analiz programı ve beyin

dalgalarını okuyan Mindwave Headset cihazından oluşmaktadır. Mindwave Headset cihazı sayesinde

beyin dalgalarını okuyabilmekteyiz. Bilgisayar ara yüzü sayesinde dijital veri olarak nöral dalgalar

görülebilmekte. Cihaz üzerindeki seri haberleşme birimi aynı zamanda bluetooth modülleri ile

haberleşebilmektedir. LabVIEW programının sahip olduğu kütüphane kullanılarak beyin dalgaları

okunu ve işlenir. Belirlenmiş şartlar aralığına girmiş olan beyin dalga dataları (dikkat değerleri, veya

göz kırpma sayısı vb.) program tarafından algılanır. Şartın sağlanması ile yine görsel program olan

LabVIEW tarafından SolidWorks’teki sistem modelinin çalışması sağlanır. Gerçekleştirilen sistem

Mindwave Headset, LabVIEW ve SolidWorks’ten oluşmaktadır.

2.1 LabVIEW Programı

LabVIEW[2], Amerikan National Instruments firmasının geliştirmiş olduğu yazılımdır. Bu yazılım

aracılığıyla birçok sinyal işleme, veri alma ve yollama işlemleri gerçekleştirilebilmektedir.

Çalışmamızda LabVIEW aracılığıyla okunan nöral dalgalar işlenerek sanal ortama aktarılmakta ve

sanal ortadma tasarlanan bir sistemin kontrolü sağlanmaktadır. Program grafiksel programlama ve


12

arayüzü sayesinde birçok sistemi sanal ortamda gerçeklemeyi sağlayabilmektedir. Bu sayede projenin

nasıl şekillenebileceğini görmek açısından kolaylık sağlamaktadır.

Şekil 1 . LabVIEW Program Arayüzü

2.2 SolidWorks

Birçok mühendislik çalışmasında tasarımlaırn yapıldığı ve hareket analizlerinin gerçekleştirildi ği 3

boyutlu çizim programıdır. Programın sahip olduğu esneklik ve LabVIEW programı ile haberleşme

kolaylığının bulunmasından dolayı program tercih edilmiştir.

Programın sahip olduğu hareket analizi sayesinde yapılan tasarımın hareket analizlerini bilgisayar

ortamında gerçekleştirilebilmektedir. Böylelikle üretime geçilmeden olası problemler yada fark

edilmesi güç durumlar teşhis edilebilmektedir.

Şekil 2 . SolidWorks Program ara yüzü.

2.3 Mindwave Headset Kit Teknik Detayları

Mindwave Headset (Şekil3) ürünü mobil kullanım için geliştirilmi ş bir EEG çeken kulaklık tarzında

bir üründür. Kit sayesinde beyin dalgaları görüntülenebilmektedir. Mindwave Headset aynı zamanda

bilgisayar ve mobile iletişim araçları ile çalışan arayüzlere sahiptir.


13

Üretici firma internet [2] sayfasında geliştirilmesi için ürün ile ilgili birçok detayı paylaşmaktadır.

Açık kaynak kodlu bir yazılıma ve Devoloper Edition programlarına sahiptir. Bluetooth üzerinden

kolaylıkla bilgisayar ile haberleşmesi ve hazır kütüphanesine ulaşma kolaylığından dolayı çalışmada

tercih edilmiştir.

Mindwave Headset teknik özellikleri:

Otomatik kablosuz eşleştirme

Tek AAA pil

8 saat pil çalışma süresi

Bluetooth V2.1

iOS ve Android desteği

BT Minimum Gerilim: 1.0V

BT Menzil: 10m aralığı

Düşük Batterry Göstergesi 1.1V

UART (Serial): VCC, GNC, TX, RX

UART Protocol: 57600 Baud

Şekil 3. Mindwave HeadsetMobile cihazı.

3. SİSTEMİN ANATOM İSİ VE ÇALI ŞMA PRENSİBİ

Yapılan çalışmanın algoritması Şekil 4’de gösterildiği gibi üç kısımdan oluşmaktadır. Bu kısımlar;

Nöral dalgaları okuyan kit, LabVIEW görsel arayüz programı ve sanal robot kontrolünün sağlandığı

SolidWorks yazılımından oluşmaktadır.


14

Alınan dataların

LabVIEW ile

işlenerek

SolidWorks

ortamında

tasarlanmış mekanik

sistemin gerçek

zamanlı

simülasyonun

yapılması.

Nöral dalgaları

okuyan kit ile beyin

dalgalarına ait

verilerin okunması.

Şekil 4.Tasarlanan sistemin çalışma basamakları


15

3.1 Beyin Dalgalarının Okunması

Beyin dalgaları Mindvawe Headset kitinden bilgisayara bluetooth modülüaracılığıyla aktarılmaktadır.

LabVIEW programı için hazırlanmış Mindwave Headset kütüphanesi kullanılarak veriler

işlenmektedir.

LabVIEW programı için hazırlanan kütüphane seri port aracılığıyla gelen veriyi parçalayarak attention

(dikkat), meditation (rahatlama), blink strength (göz kapama gücü) verilerini ve ayrıca cihazın pil

ömrünü görebilmemizi sağlamaktadır. Program hazırlanırken şu esaslar dikkate alınmıştır;

• İşlenmek istenen veri türünün belirlenmesi,

• Veri üzerinde yapılacak işlem,

• Şartların/Koşulların belirlenmesi,

• Belirtilen şartlar dâhilinde sistemlerin birbirine LabVIEW ortamında bağlanması,

• Hataların giderilmesi,

Şekil 5. Attention verisinin seçimi [4]

MultiSample MultiData Types ifadesinin yanındaki ok tuşuna tıklanarak SingleSample Data Types

seçilir. Açılan ikondan hangi veri tipini seçmek istiyorsak onu belirleriz. Belirlediğimiz verinin tipine

göre giriş ve çıkışlar değişmektedir. Buna göre tekrar giriş ve çıkış veri tiplerinin kontrol araçları

seçilir.

3.2 SolidWorksLabVIEW Haberleşmesi

LabVIEW sahip olduğu “Soft motion modüle” eklentisi aracılığıyla SolidWorks Hareket Analiz etüdü

kısmında tanımlanan motorları kontrol edebilmektedir. Böylelikle LabVIEW ortamında okunan beyin


16

dalgaları kullanıcı tarafından belirlenmiş aralığa geldiğinde belirlenen koşulun sağlanması ile

LabVIEW Softmotion paketine ait kontrol blokları tarafındanSolidWorks’te tanımlı olan motorlara

veriler iletilir. Bu şekilde robot kolun hareketi sanal ortamda gerçekleştirmiş olur [6].

Şekil 6 ve Şekil 7’ de LabVIEW sanal robot kolunun kod blokları verilmiştir. Çalışmamızda kullanılan

programların (SolidWorks-LabVIEW) birbiri ile senkronize bir şekilde çalışması için uygun minimum

entegrator adım boylarına ait değerlerin SolidWorks ve LabVIEW programında aynı değerlerde

olması gerekmektedir. Okunan Attention değerinin belirlenen eşik değerinin altında veya üstünde

olması durumunda robot kolunun aldığı konumlar Şekil 8 ve Şekil 9’da gösterilmiştir.

Şekil 6. SolidWorks’te tanımlı motorların kontrolünü sağlayanLabVEW kod blokları

Şekil 7. Nöral dalga verilerinin istenilen değerlerde olup olmadığını kontrol eden LabVIEW kod

blokları.


17

Şekil 8. Motor konumlarının belirlendiğiarayüz ve Attention eşik değeri sağlanmadan önceki ilk

konum.

Şekil9. Attention eşik değeri sağlandıktan sonraki mekanik sistemin konumu.

3. SONUÇLAR

Yapılan çalışma sonucunda belirlenmiş olan Attention eşik değerleri sağlandığında, SolidWorks

ortamında hazırlanmış olan robot kolunun istenilen konuma gittiği görülmektedir. Okunan Attention

değerlerinin sürekli değişkenlik göstermesi belli bir gecikme tanımlaması ile robot kolunun hareket

ettirilmesi gerektiğini göstermiştir. Çalışmanın varmış olduğu sonuç ve kullanılan LabVIEW

programının fiziksel aygıtlar ile haberleşme özelliği ile nöral dalgalar ile çevresel aygıtların

kontrolünün yapılabileceği görülmektedir. Yapılan çalışma ses, göz kırpma ve görüntü işleme

donanımları eklenerek çok farklı uygulamalarda kullanılabilir.


18

TEŞEKKÜR

Bu çalışma SAÜ Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyonu tarafından desteklenmiştir (Proje no:

LİBAP - 2014-L09-18-002).

KAYNAKÇA

[1] http://www.dengepsikoterapi.com/hizmetlerimiz/neurofeedback-terapi/ (Erişim tarihi: Mayıs,

2014)

[2] LabVIEW, http://www.ni.com/labview/ (Erişim tarihi: Mayıs, 2014)

[3]Neurosky Mindvawe, http://developer.neurosky.com/ (Erişim tarihi: Mayıs, 2014)

[4] Bülent Çobanoğlu, Onur Yaman, Bahar Ulusoy, "Beyin Bilgisayar Arayüzü(BBA) ile Mekanik

Sistem Kontrolü" ,Otomasyon ,Cilt. 275 ,pp. 200-202 - ,ISSN:1303-4820,2015.

[5]http://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Wireless/Bluetooth/bluetooth_cr_UGv1.0r.pdf(Eriş

im tarihi: Mayıs 2014)

[6] http://www.ni.com/pdf/manuals/372597a.pdf (Erişim tarihi: Haziran 2015)

[7]Keskil IS. et al. No effect of 50 Hz magnetic field observed in a pilot study on pentylenetetrazol-

induced seizures and mortality in mice: Epilepsy Research2001;44:27-32.


19

XTION KAMERA VE ULTRASON İK SENSÖRLERLE YAPILAN

ENGELDEN KAÇINMA UYGULAMALARININ KAR ŞILA ŞTIRILMASI

Görkem ŞAHİNKAYA , [email protected] Orta Doğu Teknik Üniversitesi, 06800, Ankara

İlke CEYLAN , [email protected] Orta Doğu Teknik Üniversitesi, 06800, Ankara

Hüseyin ER, [email protected] Orta Doğu Teknik Üniversitesi, 06800, Ankara

Wisdom AGBOH, [email protected] Orta Doğu Teknik Üniversitesi, 06800, Ankara

ÖZET

Hareketli platformlar için engelden kaçınma uygulamaları oldukça uzun bir süredir çeşitli algoritmalar

ile geliştirilmektedir. Özellikle ultrasonik sensorlar bu uygulamaların geliştirilmesinde önemli bir yer

tutmaktadırlar. Gelişen teknoloji ile derinlik algılayıcı kameraların da bu tür uygulamalar içerisinde

kullanılmaya başlanması yeni, geniş bir araştırma alanının da açılmasını sağlamıştır. Bu çalışmada

dört tekerlekli bir platformun ultrasonik sensorlar ve de Xtion derinlik kamerası kullanılarak

engellerden kaçınma performanslarının karşılaştırılması amaçlanmıştır. Ayrıca projede kullanılan

yazılımsal bileşenler ROS (Robotik İşletim Sistemi) robotik iletişim ağına entegre edilmiştir.

Anahtar Sözcükler: Ultrasonik sensör, Derinlik Kamerası, Xtion, ROS, Engelden Kaçınma

ABSTRACT

Obstacle avoidance applications for moving platforms have been developed with various algorithms

for a very long time. Especially, ultrasonic sensors have been extensively used in development of

these applications. Within the advancements in technology the beginning of the use of depth sensing

cameras in these applications have provided a new, broad research area. In this study, it is aimed to

compare obstacle avoidance performanses of a four wheeled platform using ultrasonic sensors and

Xtion depth camera. Additionally, hardware and software components of the project has been

integrated to the robotic communication network of ROS (Robotic Operation System).

Keywords: Ultrasonic sensor, Depth Camera, ROS, Obstacle Avoidance


20

1. GİRİŞ

Robotik sistemler endüstriyel uygulamaların yanı sıra araştırma ve hobi amaçlı projelerde oldukça

geniş bir alanda kullanılmakta ve sürekli geliştirilmektedir. Özellikle gelişen hazır mikrokontrol

kartları ve açık kaynak kodlu yazılımlar sayesinde robotik sistemler üzerinde çalışmalar artan bir

çeşitlilikle yürütülebilmektedir. Bu gelişim süreci ve ilerlemeye paralel olarak yazılımsal ve

donanımsal yenilikler de çok daha ulaşılabilir hale gelmiş ve böylelikle geliştiriciler için yeni çalışma

alanları sağlanmıştır. Bu çalışmada kullanılan, derinlik algılayıcı kamera, Microsoft Kinect’e nazaran

daha avantajlı olan ASUS Xtion Pro Live[1] ve tüm sistemin bir ağ yapısı içerisinde çalışmasını

sağlayan ROS uygulama iskeleti[2] bahsedilen alanlardaki yeniliklerdendir. Bu donanımlar, ultrasonik

sensörler ile önceden tasarımı yapılmış dört motorlu hareketli bir platforma entegre edilerek engelden

kaçınma uygulamalarına yeni bir yaklaşım getirmek amaçlanmıştır. Bu proje, ODTÜ Mekatronik

Yandal programına ait Makine Mühendisliği Bölümü tarafından açılan ME462 Mekatronik Tasarım

dersi kapsamında gerçekleştirilmi ştir.

Yazının bundan sonraki kısımlarında, önce sistemin donanımsal ve yazılımsal özelliklerinden

bahsedilecektir; daha sonra ise yapılan testler anlatılacak ve test sonuçları paylaşılacaktır; en son

olarak ise projenin genel olarak sonuçları üzerine değerlendirmeler yapılacaktır.

2. SİSTEMİN YAPISI

Önceden tasarlanmış olan dört tekerlekli platform donanımsal ve yazılımsal bileşenlerden

oluşmaktadır. Var olan donanımsal yapıya Asus Xtion eklenmiş olup, yazılımsal bileşenler proje

süresi içerisinde tasarlanıp araştırma amacına yönelik geliştirilmi şlerdir ve ileriye dönük çalışmalar

için geliştirilmeye devam edilecektir. Şekil 1’de sigma profiller, bağlantı elemanları ve pleksiglas

kullanılarak inşa edilen sistemin donanım elemanları ile birlikte genel görünümü gösterilmiştir.

Şekil 1. Sistemin genel görünümü


21

2.1 Elektronik Donanım

Motorlar: Sistemde, 4 adet, 100 RPM (100:1) metal dişli DC motor (37Dx57L mm) ve 64 CPR

enkoder kullanılmıştır. Bu motorlar platformun altına, dört köşesine monte edilmiştir.

Şekil 2. Enkoderli DC motor [3]

Motor Sürücü: 1 Adet, 4 motorun aynı anda kontrol edilebilmesini sağlayan, enkoder değerlerini

karşılaştırabilen ve motorların çektiği akım değerlerini gösterebilen Rover 5 motor sürücü

kullanılmıştır.

Şekil 3. Rover 5 motor sürücü [4]

Mikrokontrol kartları: 1 tanesi motorları kontrol etmek ve motor sürücüden gelen bildirimleri

alabilmek için ve 1 tanesi de ultrasonik sensörleri aktive edip mesafe bilgilerini alabilmek için olmak

üzere 2 adet Arduino Mega 2560 mikro kontrolcü kulanılmıştır.

Şekil 4. Arduino Mega 2560 [5]

Ultrasonik sensörler: 3 tane önde, 3 tane arkada ve 2 şer tane de yanlarda olmak üzere 10 adet

ultrasonik sensör kullanılmıştır. Bu sensörlerin ölçebildikleri maksimum mesafe 500 cm dir.

Şekil 5. HC-SR04 Ultrasonik sensörler [6]


22

Derinlik algılayıcı kamera: Sistemde, ultrasonik sensörlerin yanı sıra, 1 adet ASUS marka Xtion Pro

Live derinlik algılayıcı kamera kullanılmıştır. Xtion Pro Live üzerindeki kızılötesi sensörler ve

derinlik algılama teknolojisi ile görüş alanı içindeki nesnelerin derinlik görüntülerini oluşturabilmekte

ve bu derinlik bilgilerini nokta bulutları biçiminde gösterebilmektedir. Renkli görüntü oluşturabilme

ve ses algılayabilme teknolojileri gibi birçok özelliğe sahip XtionPro Live ‘in bu özellikleri bu proje

kapsamında şu an için kullanılmamaktadır.

Şekil 6. ASUS Xtion Pro Live[7]

Güç kaynağı: Motorlar için gerekli olan 12 volt ve ultrasonik sensörler için gerekli 5 volt, platformun

içine yerleştirilen Ritar marka 12V Pb Akü ile sağlanmaktadır [8].

2.2 Yazılım Geliştirme

ROS (Robotik İşletim Sitemi) son yıllarda, aygıt kontrolleri ve ayrı yazılımların birbirleri ile etkili

biçimde iletişim kurmalarını sağlayan bir yapı olarak geliştirilmekte olup, robotik uygulamalarda artan

bir kullanım oranına sahiptir. ROS açık kaynak kodlu olup, dünya üzerinde pek çok geliştirici ve

araştırmacı tarafından kullanılmaktır. Tüm işlevlerin ayrı ayrı düğüm noktaları (nodes) olarak

kurgulanabildiği bu iletişim yapısı, yayımcıların (publisher) istenen verileri (topics) istenen zaman

aralıklarında yayımlamaları ve yayımlanan bu verilerin ilgili aboneler (subscriber) tarafından alındığı

ve kullanılabildiği temel prensibine dayanan ROS, pek çok farklı bileşenin birbiriyle iletişim kurduğu

robotik uygulamalarda oldukça kullanışlı bir yapısal tasarım modeli sunmaktadır.

Bu çalışmada projenin amacına yönelik engelden kaçınma uygulamalarında kullanıcının aracı kontrol

edebilmesi için PyQt[9] adlı Ubuntu kütüphanesi kullanılarak geliştirilen sanal olarak kumanda kolu

işlevi gören bir grafiksel kullanıcı ara yüzü tasarlanmış ve böylelikle kullanıcıdan eş zamanlı hız ve

yön bilgileri alınması sağlanmıştır. Buna ek olarak Xtion derinlik algılayıcı kameradan gelen

görüntülerin derinlik bilgisi ve ultrasonik sensörlerden gelen veriler Pyopenni [10] adı verilen

kütüphane yardımıyla elde edildikten sonra geliştirilen engelden kaçınma algoritması içerisinde

değerlendirilerek, kullanıcıdan gelen bilgilere göre karar verme işlevini gerçekleştiren merkezi bir


23

yazılım daha geliştirilmi ştir. Tüm sistem birbirinden bağımsız noktalardan (nodes) oluşmakta ve

böylelikle ROS yapısı içerisinde iletişim ağına tümüyle eklemlenmiştir. Tüm yazılımlar Python dili

kullanılarak geliştirilmi ştir.

Proje kapsamında geliştirilen bütün Arduino, Python ve ROS yazılımlarına kaynakçada yer verilen

link üzerinden erişilebilmektedir [11]. Bu dosyalar içinde kodlamalarla ilgili gerekli açıklamalar

yapılmıştır. Alınan mesafe bilgilerinden hız vektörleri oluşturma algoritmasını kısaca açıklamak

gerekirse, sensörlerden alınan uzaklık listeleri okundukları noktalara göre listelenmiş ve platform için

geliştirilen bir fonksiyona sokularak vektör büyüklüğü elde edilmiştir. Daha sonra bu vektör

büyüklükleri anlamlı bir vektör oluşturacak şekilde toplanarak birer açısal ve çizgisel hız bileşenleri

elde edilmiştir. Fonksiyonun sayısal değerleri, test ortamı ve robotun donanımsal özellikleri göz önüne

alınarak yapılan birçok deneme sonucu elde edilmiş değerlerdir. Bu değerler spesifik olarak bu robota

ait olsa da isteyen her kullanıcı kendi platformu için kolaylıkla birkaç parametreyi değiştirerek buna

benzer bir fonksiyon oluşturabilmektedir.

3. TESTLER

Testlerin yapılabilmesi için yaklaşık yarım metrelik yüksekliğindeki engellerle iki farklı parkur

kurulmuştur. Bütün testler, ultrasonik sensörler ve Xtion kamera için benzer algoritmalarla

denenmiştir. Bütün testlerde kullanıcı tarafından maksimum çizgisel hız verilmiştir ancak testleri

etkilememsi için açısal hız sıfır olarak tutulmuştur.

3.1. U-Dönüş Testi

Bu testte robot Şekil 7’de görüldüğü gibi yere konmuştur. Amaç, U-dönüşün gerçekleştirilip

gerçekleştirilemeyeceğini görmektir. İlk dönüş için 75° açıyla diğer dönüş için ise 60° açıyla engeller

yerleştirilmi ştir.

Şekil 7. Test ortamı 1


24

3.2 Koridor Testi

Bu testte robot Şekil 8’te olduğu gibi açılı bir şekilde yere konmuştur. Amaç, çapraz konumlandırılan

robotun koridorda ne kadar sağ sol manevra yaparak duvarlarla paralel konuma geleceğini tespit

etmektir. Birbirine paralel konumda olan duvarlar arasındaki mesafe 2 m.’dir. Robot bu açıklıkta

kolayca manevra yapabilmektedir. Koridorun uzunluğu 3 m.’yi bulmaktadır. Koridorun sonu aynı

engeller kullanılarak kapatılmıştır.

Şekil 8. Test ortamı 2

4. TEST SONUÇLARI

Her testi gerçekleştirirken robotun kullandığı açısal ve çizgisel hız bileşenlerini zamana bağlı olarak

kaydedilmiştir. Bu değerleri daha sonra grafik olarak çizdirerek robotun hareketi algılanmaya

çalışılmıştır. İlk test için robotun geçtiği noktaların koordinatları alınarak gittiği yörünge çizdirilmiştir.

İkinci test için ise robotun kaç manevra yaptıktan sonra koridordan çıkabilecek pozisyona geldiği

tespit edilmiştir.

4.1 U-Dönüş Testin Sonuçları

4.1.1 Xtion Kamera Test Sonucu

Robot, Xtion sensor kullanarak, U-dönüşü hiçbir yere çarpmadan tamamlamıştır. Doğrusal ve çizgisel

hız grafiği şekil 9 daki gibidir. Grafikteki açısal hız değerlerine bakarak ilki 2-4 saniyeleri ve diğeri 8-

10 saniyeleri arasında olmak üzere pozitif yönlü açısal hız vetörü oluşturulan iki bölge

görülebilmektedir. Bu robotun sola doğru yapmış olduğu manevralar için verilen hız değerleridir.

Grafiğin sonuna baktığımızda açısal ve çizgisel hız değerlerinin sıfır olduğunu görebiliriz. Bu ise U

dönüşün sonuna yerleştirilen 90°’lik engelin robotu durdurmaya yettiğinin göstergesidir.


25

Şekil 9. Xtion kamera ile gerçekleştirilen test sonuçları

Robotun izlediği yol çizdirildiğinde Şekil 10’deki yörünge görülebilmektedir. Duvarlara çok

yaklaşılmadan yapılan manevralar gerçekleştirilmi ştir. Algoritmada bulunan moment katsayısı adı

verilen değer değiştirilerek erken dönüşler biraz daha iyileştirilebilmektedir.

Şekil 10. Xtion kamera ile gidilen yörünge

4.1.2 Ultrasonik Sensör Test Sonucu

Yapılan birçok deneme sonucu tespit edildi ki ultrasonik sensörler robota göre açılı duran engeller için

doğru ölçümler yapamamaktadır. Bütün denemeler robotun duvarı algılamayarak çarpmasıyla

sonuçlanmıştır (Şekil 11). Çünkü dönüş yapması gereken yüzeyler ses dalgalarının yansıyarak geri

sensörlere dönmesini engellemiştir. Başka ortamlarda yapılan denemelerde maksimum 30° kadar olan

engellerde ultrasonik sensörlerin anlamlı ölçüm değerleri verebildiği gözlemlenmiştir.


26

Şekil 11. Ultrasonik sensörle gidilen ilk yörünge

Son olarak ultrasonik sensörlerin performansını görebilmek için test ortamının öbür ucundan

başlanılması tercih edilmiştir. Parkurun diğer ucundaki 90°’lik bir dönüş ultrasonik sensörlerin anlamlı

bir okuma yapabilmesi için yeterli olmuştur.

Şekil 12. Ultrasonik sensörle gerçekleştirilen test sonuçları

Şekil 12’te görüldüğü gibi negatif açısal hız değerleri robotun sağa doğru yapmış olduğu manevraları

göstermektedir. Grafiğin sonundaki yüksek açısal hız değerleri robotun çarpmış olduğu anı

göstermektedir. Robot ilk 90°’lik dönüşü başarılı bir şekilde gerçekleştirse de tekrar 60 derecelik

dönüşe geldiğinde ultrasonik sensörlerden dördü ses dalgasının yansımalarını algılayamamış ve bu

nedenle ikinci dönüşü gerçekleştirememiştir. Şekil 13’te ikinci deneme sonucu gidilen yörünge

görülebilmektedir.


27

Şekil 13. Ultrasonik sensörle yapılan ikinci deneme

U-dönüs test için, genel olarak, xtion kamera, ultrasonik sensörlerden daha iyi bir performans

göstermiştir.

4.2 Koridor Test Sonuçları

4.2.1 Xtion Kamera Test sonucu

Robot koridorda duvara çapraz konumlandırıldığında hemen tek bir manevra gerçekleştirerek

duvarlara paralel hizalanmıştır ve koridorun sonuna kadar hiç sapmadan yoluna devam etmiştir.

Doğrusal ve çizgisel hız grafiği Şekil 15’teki gibidir.

Şekil 15. Xtion kamera ile gerçekleştirilen 2. test sonuçları

Şekil 15’te görüleceği üzere grafiğin hemen başındaki pozitif açısal hız değerleri robotun sola doğru

yaptığı manevrayı göstermektedir. Grafiğin sonundaki osilasyonlar koridorun sonunun tamamen

kapalı olmamasından kaynaklanmıştır. Xtion kameranın görüş açısı geniş olduğundan kenarlardaki

açıklıkları algılayabilmiştir. Ancak koridorun sonuna kadar hiç çarpmadan yolunu tamamlamıştır.


28

4.2.2 Ultrasonik Sensör Test sonucu

Robou koridorda duvara çapraz konumlandırıldığında ultrasonik sensörler yine anlamlı bir ölçüm

yapamamıştır ve bu nedenle robot duvara çarpmıştır. Bu problemi çözmek amacıyla koridorun

başlangıcında 90°’lik bir köşe yapılmıştır ve robot duvara dik olacak şekilde teste başlanmıştır. Engele

dik konumlandırılan robottaki sensörler anlamlı bir okuma gerçekleştirebildikleri için robot dönüşünü

yapabilmiştir. Ancak ilk dönüşü gerçekleştirdikten sonra tekrar karşı duvara çapraz konumda

hizalandığından ultrasonik sensörler anlamlı bir okuma gerçekleştirememiştir ve robot koridorun

ortasında 3 manevra yaptıktan sonra en son engele çarparak durabilmiştir.

Şekil 16. Ultrasonik sensörler ile gerçekleştirilen 2. test sonuçları

Şekil 16’te görüleceği üzere çizgisel hızda genel olarak osilasyon çıkmamıştır ancak açısal hızdaki

işaret değişimleri robotun yaptığı manevraları göstermektedir. Grafiğin sonundaki açısal hızın sıfırı

göstermesi ancak çizgisel hızın sıfırdan farklı olması sensörlerin anlamlı bir okuma

gerçekleştiremediğinin ve kullanıcın vermiş olduğu hızla gittiğinin göstergesidir.

Koridor testi için, genel olarak, xtion kamera, ultrasonik sensörden daha iyi bir performans

göstermiştir.

5. SONUÇ

Bu makalede kullandığımız algoritma, daha önceden gerçek zamanlı navigasyon[12] uygulamalarında

denendiğini bildiğimiz Xtion kameranın engelden kaçınma uygulamaları için de kullanılabilir

olduğunu kanıtlamıştır. Ultrasonik sensörlerin Xtion kameraya göre daha düşük hızlarda okuma

yapması ve açılı yüzeylerde anlamlı okuma gerçekleştirememesi gelecekti uygulamalarda Xtion

kameranın önemini göstermektedir.


29

Projeyi geliştirmek amacıyla, köşelerde bulunan ultrasonik sensörleri açılı yerleştirilmesi

düşünülmektedir. Bu sayede robotun karşısına çıkacak açılı engelleri en azından birkaç ultrasonik

sensörün görmesi sağlanabilmektedir, böylece tüm sensörlerin anlamsız okuma yapması engellenmiş

olur. Ayrıca Xtion kameranın aldığı görüntülerdeki daha fazla noktayı kullanarak robotun görüş

alanını dikeyde de artırılması gelecek amaçlar arasında yer almaktadır.

6. TEŞEKKÜR

Bu proje ODTÜ Makine Mühendisliği ME462 kodlu Mekatronik Tasarım dersi kapsamında

gerçekleştirilmi ştir. Proje süresince vermiş olduğu fikirler ve sağlamış olduğu imkânlardan dolayı

ODTÜ öğretim üyesi Y. Doç. Dr. Sayın Ahmet Buğra KOKU hocamıza teşekkür ederiz.

7. KAYNAKÇA

[1] Haggag, H., Hossny, M., Filippidis, D., Creighton, D., Nahavandi, S., & Puri, V. (2013).

Measuring depth accuracy in RGBD cameras. In 2013, 7th International Conference on Signal

Processing and Communication Systems (ICSPCS).

[2] Cousins, Steve. "Exponential growth of ROS [ROS Topics]." Robotics & Automation Magazine,

IEEE 18.1 (2011): 19-20.

[3] http://www.roboweb.net/rw-pl-1446.html (Erişim Tarihi:03.05.2015)

[4] http://www.roboweb.net/rw-sf-11593.html (Erişim Tarihi:03.05.2015)

[5] http://www.arduino.cc/en/Main/arduinoBoardMega2560 (Erişim Tarihi:03.05.2015)

[6] http://www.micropik.com/PDF/HCSR04.pdf (Erişim Tarihi:03.05.2015)

[7] http://www.asus.com/tr/Multimedia/Xtion_PRO_LIVE/ (Erişim Tarihi:02.05.2015)

[8] http://www.ritaraku.com/12v-7ah-aku. htm (Erişim Tarihi:03.05.2015)

[9] http://packages.ubuntu.com/search?keywords=python3-pyqt4 (Erişim Tarihi:03.05.2015)

[10] https://github.com/jmendeth/PyOpenNI (Erişim Tarihi:03.05.2015)

[11] https://github.com/metu-mechactronics/2015_brobots

[12] Maier, D., Hornung, A., & Bennewitz, M. (2012, November). Real-time navigation in 3d

environments based on depth camera data. In Humanoid Robots (Humanoids), 2012 12th IEEE-RAS

International Conference on (pp. 692-697). IEEE.


30

DOĞRUDAN ULTRASON İK İŞLEM İN DÖKÜM YAPISINA ETK İSİ

Serhat YILDIZ, [email protected] TOBB ETU, 06560, Ankara

Ozan KAYA, [email protected] TOBB ETU, 06560, Ankara

Doruk EY İNÇ, [email protected] TOBB ETU, 06560, Ankara

Mert Ka ğan VURAL, [email protected] TOBB ETU, 06560, Ankara

Nuri DURLU, [email protected] TOBB ETU, 06560, Ankara

Mehmet Bülent ÖZER, [email protected] TOBB ETU, 06560, Ankara

Yiğit TA ŞÇIOĞLU, [email protected] TOBB ETU, 06560, Ankara

ÖZET

1950’li yıllardan bu yana yapılan çeşitli araştırmalarda ergiyik metal ve alaşımlarda malzemenin

katılaşması sırasında doğrudan uygulanan ultrasonik işlemin kalıp içersindeki bazı bölgelerde daha

yüksek akustik basınç oluşturarak, malzemenin mikroyapısını incelttiği ve mekanik özellikleri

geliştirdiği ifade edilmiştir. Yapılan çalışmada akustik basınç analizi yapılıp, çinko üzerine direkt

ultrasonik titreşim uygulanarak mikro yapıdaki değişimler araştırılmıştır.

Anahtar Sözcükler:Ultrasonik işlem, akustik basınç, mikroyapı, mekanik özellik

ABSTRACT

Since 1950’s it was shown by different researchers that direct ultrasonic vibrations during the

solidification process of liquid metals and alloys create higher acoustic pressure for some areas inside

the mold and acoustic pressure induced cavitation leads to refined microstructure and better

mechanical properties. In this study, acoustic pressure analysis is performed to understand the acoustic

pressure levels and the effects of direct ultrasonic vibrations on microstructure have been investigated.

Keywords:Ultrasonic treatment, acoustic pressure, microstructure, mechanical properties

1. GİRİŞ

Metal ve alaşımlara katılaşma sırasında doğrudan uygulanan ultrasonik işlemin malzemenin

mikroyapısı üzerindeki tane inceltici etkisi 1950’lerden günümüze yapılan araştırmalarda incelenmiştir

[1]. Metal ve alaşımlarda katılaşma esnasında oluşan mikroyapının ultrasonik işlem ile inceltilmesi,

mekanik özelliklerde iyileşmeye yol açarak, malzemenin yüksek performans gerektiren uygulamalarda

kullanımını sağlamaktadır.

Endüstriyel olarak yapılan döküm işlemlerinde, katılaşma sırasında kalıp duvarlarından kalıbın

merkezine doğru direksi ve uzun taneler oluşmaktadır. Çalışmamızın amacı doğrudan uygulanan


31

ultrasonik işlem ile katılaşma sırasında oluşan uzun ve direksi tane yapılarını bozarak küçük taneler

oluşturmak ve bu şekilde malzemenin mekanik dayanımını artırmaktır. Sıvı metal veya alaşımlar

üzerine doğrudan uygulanan ultrasonik işlem, kalıp içerisinde akustik basınç yaratarak kavitasyon

etkisi ile uzun ve direksi tanelerin parçalanmasına yol açmaktadır [2-4]. Katılaşma sırasında

uygulanan doğrudan ultrasonik işlemin etkisi, kalıp geometrisi, ultrasonik işlemin uygulandığı süre ve

derinlik, kalıp sıcaklığı gibi birçok değişkene bağlıdır [5, 6]. Bu çalışmada iki farklı silindirik kalıp

geometrisi seçilerek, kalıp içindeki basınç dağılımı sonlu elemanlar analizi ile incelenmiş, imal edilen

kalıplara sıvı çinko dökülerek ultrasonik işlemin döküm mikroyapılarına etkisi incelenmiştir.

2. DENEY DÜZENEĞİ TASARIMI VE SONLU ELEMANLAR ANAL İZİ

Deneysel çalışmalarda kullanılmak üzere tasarlanan ve imal edilen deney düzeneği Şekil 1’de

verilmiştir. Deney düzeneğinin imalatında yoğunluğu çeliğe göre çok daha düşük olan aluminyum

profil kullanılmıştır. Deney düzeneği, ultrasonik jeneratör, ultrasonik prob ve paslanmaz çelik kalıptan

oluşmaktadır. Katılaşma sırasında, sıvı metal yüzeyinden belirli bir derinlikte ultrasonik işlem

uygulayabilmek için, paslanmaz çelik kalıbın dikey yönde hareketini sağlayan yüksekliği ayarlanabilir

bir platform kullanılmıştır.

Katılaşma sürecinde ultrasonik işlem etkisini net bir şekilde gözlemleyebilmek için içerisinde yüksek

akustik basınç oluşturulabilecek bir kalıp tasarımı gerekmektedir. Kalıp geometrisi olarak iki farklı

yükseklikte sabit çaplı silindirik geometri seçilmiştir. Silindirik kalıbın yüksekliği yarım dalga

boyundan bir dalga boyuna kadar arttırılarak analizler yapılmış ve farklı basınç dağılımları

gözlenmiştir. En yüksek akustik basınç değeri (6cm çap, 6cm yükseklik) ve en düşük akustik basınç

değeri(6cm çap, 11cm yükseklik) elde edilen yüksekliklerdeki kalıplar üretilmiştir.


32

Şekil 1. Deneysel işlemler için tasarlanan ve imal edilen deney düzeneği.

Yapılan sonlu eleman analizlerinin sonucunda iki farklı kalıp yüksekliği için elde edilen basınç

dağılımları Şekil 2 ve Şekil 3’te gösterilmiştir. Çapı 6 cm, yüksekliği 6 cm olan kalıpta en yüksek

akustik basınç probun temas noktasında 25000 Pa olarak oluşmuştur (bkz. Şekil 2). Ultrasonik prob ile

sıvı metal içerisinde oluşturulan akustik basınç 4 cm derinlikte ultrasonik dalgaların birbirini

sönümlemesi sonucu sıfırlanmış daha sonra tekrar artışa geçerek kalıp tabanında 810 Pa’ya ulaşmıştır.

Çapı 6 cm, yüksekliği 11 cm olan kalıpta en yüksek akustik basınç probun temas noktasında 25000 Pa

olarak oluşmuştur (bkz. Şekil 3). Ultrasonik prob ile sıvı metal içerisinde oluşturulan akustik basınç

4,5 cm derinlikte ultrasonik dalgaların birbirini sönümlemesi sonucu sıfırlanmış daha sonra artışa

geçip tekrar azalmaya başlamıştır. Ultrasonik probun temas ettiği yer dışında kalıp içerisinde

maksimum akustik basınç 7,5 cm derinlikte 560 Pa olarak hesaplanmış, kalıp tabanına doğru azalarak

220 Pa’ya düşmüştür.

Yapılan sonlu eleman analizleri, aynı çap (6 cm) ve farklı yüksekliklerdeki (6 cm ve 11cm) silindirik

kalıp geometrisinde farklı akustik basınç dağılımlarının olduğunu göstermiştir. Bu sonuç, katılaşma

sürecinde uygulanan ultrasonik işlemin kalıp geometrisine göre optimize edilmesi gerektiğini

göstermiştir.

Kalıp

Ultrasonik prob

Ultrasonik jeneratör


33

Şekil 2. Çapı 6 cm, yüksekliği 6 cm olan silindirik kalıptaki, yüzeyden 5 mm derinlikte uygulanan

ultrasonik işlemin, kalıp içinde oluşturduğu basınç dağılımı.

Şekil 3. Çapı 6 cm, yüksekliği 11 cm olan silindirik kalıptaki, yüzeyden 5 mm derinlikte uygulanan

ultrasonik işlemin, kalıp içinde oluşturduğu basınç dağılımı.

Çap ( 6 cm)

810 Pa

0 Pa

208 Pa

-950 Pa

-2060 Pa

-25000 Pa

Yükseklik (6 cm)

Çap (6 cm)

450 Pa

-800 Pa

0 Pa

220 Pa

450 Pa

555 Pa

-2000 Pa

-25000 Pa

Yükseklik (11 cm)


34

3. DENEYSEL ÇALI ŞMALAR

Tasarlanan deney düzeneği ve kalıpların üretimleri sonrası ultrasonik prob kullanılarak farklı deneyler

yapılmıştır. Deney sırasında ortam koşulları sabit tutulup aynı koşullar altında deneyler yapılmıştır.

Deneysel şartlar Tablo 1’de verilmiştir.

Tablo 1. Deneysel Şartlar.

Malzeme Çinko

Malzeme Ağırlığı 1200g-2300g

Titreşim Frekansı 21 kHz

Titreşim Süresi 120 sn

Döküm Sıcaklığı 650oC

Titreşim Gücü 800 W

Çalışma Akımı 0.7 A

Deneyler iki farklı grup olup her bir grup için ikişer döküm yapılmıştır. Çapı 6 cm yüksekliği 6 cm

olan silindirik kalıpta bir grupta toplam iki deney yapılmıştır. Bu deneylerde ısıtılmış kalıpta

ultrasonik işlem etkisi incelenmiştir. Çapı 6 cm yüksekliği 11 cm olan silindirik kalıpta bir grupta

toplam iki deney yapılmıştır. Bu deneylerde ısıtılmamış kalıpta ultrasonik işlem etkisi incelenmiştir.

Şekil 4 ve Şekil 5’de 6 cm çapında ve 6 cm yüksekliğindeki kalıpta ultrasonik işlem uygulanmamış ve

uygulanmış numunelerde katılaşma sonrası oluşan makroyapılar verilmiştir. Şekil 4’te dik eksen

boyunca oluşan direksi ve uzun tane yapıları belirgin bir şekilde gözlenmektedir. Şekil 5’de ise,

ısıtılmış kalıpta doğrudan uygulanan ultrasonik işlem etkisine bağlı olarak oluşan akustik basıncın,

uzun ve direksi tane yapısı oluşumunu engelleyerek küçük tane yapısına yol açtığı gözlenmektedir.

Elde edilen bu sonuç, literatürde verilen ultrasonik işlemin döküm yapılarındaki tane inceltici etkisi ile

uyumludur.

Şekil 6 ve Şekil 7’de 6 cm çapında ve 11 cm yüksekliğindeki soğuk kalıpta ultrasonik işlem

uygulanmamış ve uygulanmış numunelerde katılaşma sonrası oluşan makroyapılar verilmiştir. Şekil

6’da görülen tane makroyapısı, soğuk kalıp duvarlarına doğru olan ısı transferinden dolayı üç yönde

gelişmiştir. Şekil 7’de ultrasonik işlem uygulanmış soğuk kalıpta elde edilen numune makroyapısı

verilmiştir. Soğuk kalıp duvarlarına doğru gerçekleşen ısı transferine bağlı olarak üç yönde oluşan

döküm makroyapısı (bkz. Şekil 6), ultrasonik işlem etkisi ile ısı transferinin daha yavaş olduğu orta

kesimlerde tane incelmesine yol açmıştır (bkz. Şekil 7). Bu kalıp geometrisi için yapılan sonlu

elemanlar analizinde (Şekil 3) ultrasonik işlemin kalıp merkezinin alt kısımlarında göreceli olarak

daha yüksek akustik basınca yol açtığı gözlenmiştir. Dolayısıyla ısı transferinin yavaş olması ve

akustik basıncın yüksek olması nedeniyle ultrasonik işlem tane yapısının incelmesine yol açmıştır.


35

Şekil 4. Çapı 6 cm, yüksekliği 6 cm olan ısıtılmış silindirik kalıpta katılaşma sonrası oluşan

makroyapı.(Ultrasonik işlem uygulanmamış)

Şekil 5. Çapı 6 cm, yüksekliği 6 cm olan ısıtılmış silindirik kalıpta katılaşma sonrası oluşan

makroyapı.(Ultrasonik işlem uygulanmış)


36

Şekil 6. Çapı 6 cm, yüksekliği 11cm olan ısıtılmamış silindirik kalıpta katılaşma sonrası oluşan

makroyapı.(ultrasonik işlem uygulanmamış).

Şekil 7. Çapı 6 cm, yüksekliği 11 cm olan ısıtılmamış silindirik kalıpta katılaşma sonrası oluşan

makroyapı.(ultrasonik işlem uygulanmış).

4. SONUÇLAR

Bu çalışmada katılaşma sırasında doğrudan uygulanan ultrasonik işlemin, döküm sonrasında oluşan

makroyapıya olan etkisi incelenmiştir. Bu amaca yönelik olarak deney düzeneği tasarımı yapılmış ve

imal edilmiştir. Sonlu elemanlar analiz yöntemi kullanılarak akustik dalgaların, belirlenen silindirik


37

kalıp geometrisi içerisinde yarattığı basınç dağılımı incelenmiştir. Sonlu elemanlar analizi sabit

silindirik kalıp çapında, kalıp yüksekliğine bağlı olarak farklı akustik basınç değerlerinin ortaya

çıktığını göstermiştir. Çinko kullanılarak ısıtılmış ve ısıtılmamış kalıplarda yapılan deneysel

çalışmalarda, katılaşma sırasında uygulanan ultrasonik işlemin tane inceltici bir etki yarattığı

gözlenmiştir.

TEŞEKKÜR

Bu çalışma TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi’nce desteklenmiştir. Deneysel çalışmalardaki

katkılarından ötürü Kamil Arslan ve Süleyman Başer’e teşekkür ederiz.

KAYNAKÇA

[1] X. Jian, H. Xu, T.T.Meek, Q. Han , Effect of Power Ultrasound Solidification of Aluminium A356

Alloy, Materials Letters 59, 2005, Pages 190–193

[2] M. Khosro Aghayani, B. Niroumand, Effects of Ultrasonic Treatment on Microstructure and

Tensile Strength of AZ91 Magnesium Alloy, Journal of Alloys and Compounds 509, 2011, Pages

114–122

[3] Chong Lin, Shusen Wu, Shulin Lü, Ping An, Li Wan, Microstructure and mechanical properties of

rheo-diecast hypereutectic Al–Si alloy with 2%Fe assisted with ultrasonic vibration process, Journal of

Alloys and Compounds 568, 2013, Pages 42–48

[4] H. Puga, J.C. Teixeira, J. Barbosa , E. Seabra, S. Ribeiro, M. Prokic, The Combined Effect of Melt

Stirring and Ultrasonic on the Degassing Efficiency of AlSi9Cu3 Alloy, Materials Letters 63, 2009,

Pages 2089–2092

[5] H. Puga, S. Costa, J. Barbosa, S. Ribeiro, M. Prokicv, Journal of Materials Processing Technology

211, 2011, Pages 1729–1735

[6] H. Puga, S. Costa, J. Barbosa, S. Ribeiro, A.M.P. Pinto, M. Prokic, Influence of Indirect Ultrasonic

Vibration on the Microstructure and Mechanical Behaviour of Al-Si-Cu Alloy, Materials Science and

Engineering: A 560, 2013, Pages 589–595


38

ESNEK SENSÖR SİSTEML İ RC ROBOT TASARIMI VE PROTOT İPİ

Kadir KOCA ,[email protected] Karabük Üniversitesi, 78050, Karabük

Feyyaz EMREOĞLU , [email protected] Karabük Üniversitesi, 78050, Karabük

Doç.Dr. Birhan IŞIK , [email protected] Karabük Üniversitesi, 78050, Karabük

ÖZET

Bu çalışmada, günümüz kablosuz haberleşme teknolojisi kullanılarak uzaktan mobil robot kontrolü

yapılmıştır. Projede geliştirilmek üzere başlangıç prototipi gerçekleştirilmi ştir. Modülün ileri seviye

versiyonları savunma sanayi, sağlık sektörü ve bomba imha robotları gibi alanlarda

kullanılabilmektedir. Sistem yaklaşık 120 metre gibi bir mesafede kablosuz olarak kontrol

edilebilmektedir. Bu çalışma, kontrol eldiveni ve araç olmak üzere iki sistemden oluşmaktadır.

Eldiven sistemi üzerindeki flex sensörler yardımıyla komut dizini oluşturulmaktadır.

Anahtar Sözcükler: Mobil Robot, Kablosuz Haberleşme, Fleks Sensör

ABSTRACT

In this study, a remote controlled mobile robot control was made by using the wireless communication

technology. To improve the study a Initial Prototype has been created. This module's next level

versions can be used in many fields such as defence industries, health sector and bomb defusing robot.

This system can be controlled from 120 meters away without requiring any cable connection. The

study has been established on 2 pieces. The controller Glove and the Vehicle.Command Directory has

been formed by the help of flex sensors placed on the Glove System.

Keywords: Mobile Robots, Wireless communication, Flex Sensor

1. GİRİŞ

Mekatronik teknolojisinin insan hayatında ki yeri her geçen gün artmaktadır. Bu artışla beraber

insanlar hayatlarının her alanında bu teknolojiyi kullanmak istemektedirler. Robotik uygulamalar bu

teknolojinin büyük bir alanını oluşturmaktadır. Sanayide birçok alanda robot uygulamalarından

yararlanılmaktadır.


39

Bu çalışma, bir çok sanayi alanında kullanılmak üzere başlangıç düzeyinde bir mobil robot

prototipidir. Prototip oluşturulurken savunma sanayi, sağlık sektörü ve bomba imha robotlarında

kullanılması amaçlanmıştır. Tasarımda ufak değişiklikler yapılarak bunların dışında diğer sanayi

alanlarında da kullanılabilmektedir. Ayrıca istenilen herhangi özel amaçlar için kullanılabilecek bir

prototip özelliğine de sahiptir.

Bu çalışma, savunma sanayisinde kullanılabilecek uzaktan kablosuz kontrol edilebilen bir casus robot

tasarımı özelliğine sahiptir. Prototip üzerine gerekli mekanizmalar yerleştirilerek bu sanayi alanında

kullanılabilir hale getirilebilir. Sistemdeki araç üzerine yerleştirilecek kamera sayesinde; herhangi bir

bölgedeki arazi yapısı, hava şartları ve ortamdaki hareketli cisimler hakkında bilgi canlı bir şekilde

anlık olarak alınabilmektedir. Bu bilgiler alınırken, uzaktan kablosuz kontrol eldiveni ile istenilen

yöne hareketi de kolaylıkla yapılabilmektedir.

Sistemin kontrolü oldukça basit el hareketleri ile olması nedeniyle sağlık sektöründeki tekerlekli

sandalye gibi araçların yapımında kullanılabilmektedir. Sistem, hastaların oturduğu sandalyeyi

herhangi fiziksel bir güç harcamadan sadece parmaklarını oynatarak kontrol edebilme olanağı

sağlamaktadır. Gerçekleştirilen prototipte daha güçlü motorlar kullanılması ve gerekli tasarım

sayesinde bu alanda da kullanım olanağı sunmaktadır. Ayrıca proje tasarımında değişiklik yapılarak

sistemin bomba imha robotu olarak kullanılması da amaçlanmıştır. Sistemdeki araç üzerine gerekli

kesici mekanizma yerleştirilmesi halinde; sisteme, bir tehlike paketine veya bombaya yaklaşık 200

metre uzaktan kablosuz olarak müdahale edebilme özelli ği katmaktadır.

Yukarıda bahsedilen alanlarda kullanılmak üzere bir mobil robot prototipi gerçekleştirilmi ştir. Bu

prototip başlangıç düzeyinde olup gerekli desteklerin alınması durumunda ileri versiyonlara taşınması

amaçlanmıştır.

2. SİSTEMİN GENEL ÖZELL İKLER İ

Proje kontrol eldiveni ve araç olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır. Sistemin kontrol komutları basit

bir eldivenden alınmaktadır. Bu komutlar kablosuz bir şekilde eldivenden araca gönderilerek aracın

hareketi gerçekleştirilmektedir. Sistemimizin kablosuz haberleşme sahası, üzerindeki modüllerin

kapasitesine bağlı olarak yaklaşık 120 metredir. Bu haberleşme modülleri değiştirilerek kontrol

mesafesi artırılabilir.

Kontrol eldiveni üzerindeki flex sensörlerden alınan bilgi eldiven üzerindeki denetleyici ile

haberleşme modülüne gönderilmektedir. Modül aldığı bilgiyi araç üzerindeki haberleşme modülüne

göndermektedir. Araç üzerindeki modül aldığı bilgiyi araç denetleyicisine göndererek orada işleme


40

sokulmaktadır. Araç denetleyicisindeki bilgi işlenerek gerekli cevaplar verilmektedir. Sistemimizde 2

adet haberleşme modülü, 2 adet ardunio uno denetleyici, 4 adet flex sensör, 2 adet 12V dc motor, 2

adet servo motor, bir adet dc motor sürücü entegresi ve bir adet tutucu mekanizması bulunmaktadır.

3. SİSTEMİN GENEL YAPISI

3.1 Haberleşme Sistemi

İnsanlık tarihinde her yeni teknolojinin gelişmesiyle beraber, kişilerin yaşama şekillerini değiştiren

boyutlarda ilerlemeler kaydedilmektedir. Bugüne bakıldığında, kablosuz iletişim teknolojilerinin yeni

bir dönüm noktası olacağı gözlemlenmektedir. Kablosuz iletişim teknolojilerine, geniş perspektiften

bakıldığında, kişilere sınırsız özgürlük tanımakta ve kurumların ise çok daha etkin çalışmalarını

sağlamaktadır [1]. Günümüz insanı için yer ve zamandan bağımsız iletişim kurma vazgeçilmez

ihtiyaçlardan biri haline gelmiştir [2]. Günümüzde kablosuz erişim teknolojisi ile çalışan taşınabilir

bilgisayar, masaüstü bilgisayar, el bilgisayarı, kişisel sayısal yardımcı (PDA - Personel Digital

Assistant), cep telefonu, kalemli bilgisayar ve çağrı cihazları gibi aygıtlar kullanılır hale gelmiştir.

Kablosuz teknolojiler, cihazlar arasında bilgi taşımak için elektromanyetik dalgaları kullanmaktadır.

Kablosuz haberleşme bilgi taşıyan sinyallerin belirli frekans değerinde atmosfer üzerinden alıcı ve

verici birimler arasında elektromanyetik dalgalar ile aktarımına dayanmaktadır [3]. Elektromanyetik

dalga içerisinde gama ışını, x-ışını, kızılötesi, morötesi, radar ve radyo ışını dalgaları yer almaktadır.

Her bir dalganın farklı bir dalga boyu ve frekansı bulunmaktadır. Fakat hepsi aynı hızla hareket

etmektedir [5]. Projede gerekli araştırmalar sonucu RF (Radyo Dalgaları) teknolojileri kullanıldı. RF

teknolojisinde, kablo yerine elektromanyetik dalgalar kullanılarak kablosuz iletişim

gerçekleştirilmekte ve WLAN sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bu projede RF protokolünü kullanan Xbee S2 modülleri kullanılmaktadır. Xbee kartları birbirileri ile

kablosuz haberleşebilen modüllerdir. Basit bir bağlantı ve ayardan sonra bu haberleşme modülleri

kullanılabilmektedir. Xbee kartları bilindiği gibi Digi firması tarafından üretilmektedir ve 2.4 GHz

frekansında haberleşmektedirler. Modüllerin konfigürasyon ayarları için XCTU yazılımı

kullanılmaktadır. Yazılım arayüzü Şekil 1’de verilmektedir. Bu yazılım ile modülere yönlendirici (

router ) ve koordinatör ( coordinator ) ayarları yapılarak sistemin haberleşme tanımlamaları

yapılmıştır.


41

Şekil 1. XCTU yazılımı

Çalışmada denetleyici olarak arduino kullanılmaktadır. Xbee modülün denetleyici ile bağlantısı için

Arduino Xbee Shield kullanılmaktadır. Xbee kartını bilgisayar ortamı ile bağlantısı için de Xbee

Explorer USB kartı kullanılmaktadır. Bu shield kart arduino üzerine monte edilerek denetleyiciler

arası kablosuz haberleşme için ayarlar tamamlandı. Haberleşme modüllü denetleyici Şekil 2’de ve

Xbee Explorer kartı bağlantısı Şekil 3’te verilmektedir.

Şekil 2. Haberleşme modüllü denetleyici. Şekil 3. Xbee Explorer bağlantısı.

3.2 Eldiven Kontrol Sistemi

Bu çalışmada, kontrol komutları normal bir eldivenden çıkmaktadır. Kumanda eldiveni üzerine dört

adet flex sensör yerleştirilerek oluşturulmuştur. Fleks sensör aslında bir dirençtir. Fleks sensörler Şekil

4a’da gösterilmektedir. Sensör eğildikçe sensör uçlarında görülen direnç değeri değişmektedir. Sensör

tam dikken en düşük direnç değerine sahip ve eğildikçe bu değer büyümektedir. Sensörü denetleyici


42

ile kullanabilmek için direnç değerinin gerilim bilgisine çevirmek gerekmektedir. Bu işlem için Şekil

4b’de verilen basit devre kurulmuştur.

a b

Şekil 4. Fleks Sensör a. Genel görünümü b. Devre çizimi

Mikrodenetleyicinin analog dijital dönüştürücü (ADC) birimi kullanılarak buradaki gerilim bilgisi

sayısala çevrilmektedir. Sensördeki eğim bilgisi böylelikle denetleyiciye aktarılmaktadır. Sensörün

parmak üzerindeki tam dik konumu ve tam eğimi konumundaki değerler referans alınarak istenilen

kontrol işlemi gerçekleştirilmektedir. Kontrol için gerekli değerlerin referansında denetleyiciye kodlar

aktarılmaktadır. Sensörlerin eldiven üzerine takılabilmesi için sensör uçlarına hesaplanan direnç ve

kablolar hazırlanarak bağlantıları yapıldı. Hazırlanan sensörler eldiven üzerine monte edildi. Montajı

yapılan eldiven Şekil 5’te gösterilmektedir.

Şekil 5. Kontrol Eldiveni


43

3.3 Araç Sistemi

3.3.1 Tasarım Süreci

Bu çalışmada bomba imha robotu yapılması amaçlanmıştır. Araç tasarımı yapılırken sistemin

kullanılacağı alana göre yapılması amaçlanmaktadır. Kolay işlenebilen, kesilebilen, delinebilen cam

ve plastik yapısı, yüksek ışık geçirgenliği, darbeye karşı camdan 6 kat daha dayanıklı olmasından

dolayı [4] gövde malzemesi olarak plexiglass malzeme seçilmiştir. Aracın hafif olması için

malzemenin kalınlığı 2 mm tercih edilmiştir. Bilgisayar ortamında yapılan tasarım Şekil 6’da

verilmektedir. Yazılım ortamında boyutlandırılan araç parçaları lazer kesim atölyesinde hazırlanmıştır.

Şekil 6. Araç gövde tasarım aşaması

Aracın hareketi için ön tarafta tek bir sarhoş tekerlek kullanılmaktadır. Sistemin hareket gücü arka

taraftaki tekerleklere bağlı 12V DC motorlarla sağlanmaktadır. Ayrıca aracın arka tarafında DC

motorların kontrolü için L293D DC motor sürücü devresi bulunmaktadır. Aracın denetleyicisi ve güç

kutusu aracın ortasına gelecek şekilde tasarlandı.

3.3.2 Montaj Süreci

Aracın üzerine konulacak olan iki eksenli tutucunun havaya kalkması durumunda aracın tavanına

çarpmamasına dikkat edilmektedir. Şekil 7’de görünen tutucunun (gripper) aracın ön tarafındaki

herhangi bir nesneye müdahale durumunda ulaşabilmesi hesaplanmaktadır.


44

Şekil 7. Tutucu (gripper)

Aracın montajı yapılırken öncelikle araç parçalarının montajı kendi aralarında yapılarak sisteme monte

edilmektedir. İlk olarak araç denetleyicisi arduino ile haberleşme modülü arasındaki bağlantı

yapılarak, tasarım aşamasında belirlenen yerine montajı yapılmaktadır. Daha sonra aracın güç kutusu

ve sürücü devresi montajı yapılmaktadır. Aracın üzerine konulacak tutucunun gövdesi ile uç kısmı

arasındaki bağlantı yapıldıktan sonra araç üzerine montajı yapılmıştır. Son olarak aracın içerisindeki

sistemlerin güç bağlantıları, herhangi bir çalışma anında sisteme zarar vermeyecek şekilde bant

yardımıyla montajı yapılmaktadır. Montajı bitmiş araç Şekil 8’de gösterilmektedir.

a b

Şekil 8. Araç sistemi a. Yan görünüş b. Üst görünüş


45

3.3.3 Kontrol Sistemi

Bu çalışmada sistemin kontrolü hazırlanan eldiven ile gerçekleştirilmi ştir. Aracın yön kontrolleri ve

tutcunun hareketleri takılan bu eldiven sayesinde yapılmaktadır. Eldivende dört parmak ve bir buton

kullanılmıştır. Sistem hareketleri yapılırken araçtan tutucuya geçiş için eldiven üzerindeki denetleyici

kartının üzerine bir buton (On/Off Switch) yerleştirilmi ştir. Buradaki butonun konumu sistemdeki

aracın veya tutucunun kontrol edileceğini belirlemektedir. Buton kapalı (off) konumu aracın devrede

olduğunu söylerken açık (on) konumu ise tutucunun aktif olduğu bilgisini vermektedir.

Üzerinde sensör bulunan parmakların konumları, sistemin hareketini sağlamaktadır. Bu dört parmağın

açık yada kapalı durumu, program kodundaki tanımlamalara göre sistemin hareketini belirlemektedir.

Kontrol eldiveni sensörlü parmaklar aşağıdaki Şekil 9’da verildiği gibi numaralar verilerek kontrol

kolaylığı sağlanmıştır.

Şekil 9. Kontrol eldiveninin yapısı

Hareketler belirlenirken akılda kalıcak şekiller olmasına dikkat edilmiştir. Örnek vermek gerekirse

sistemin ileri yönde hareketi için bütün parmaklar açıkken geri hareketi için ise hepsinin kapatılması

gerekmektedir. Bu mantık dikkate alınarak ileri, geri, ileri sağ, ileri sol, geri sağ, geri sol ve dur


46

hareketleri tanımlanmıştır. Bu tanımlamalar Şekil 10’da daha açık bir şekilde uygulamalı olarak

verilmektedir.

Aşağıdaki şekilden bakıldığında bazı farklı hareket komutlarının aynı olduğu görülmektedir. Bu

durumun oluşmasına engel olmak için program kod tanımlamaları ve buton kullanımıştır. Daha açık

olmak gerekirse çakışan hareketlerin önüne geçmek için kullanılan butonun önemi büyüktür.

Şekil 10. Komut tablosu

4. SONUÇLAR

Bu çalışmada, çeşitli alanlarda kullanılmak üzere uzaktan kablosuz kontrol edilebilen mobil robot

prototipi gerçekleştirilmi ştir. Sistem kontrolü üzerine sensörler yerleştirilen eldiven sayesinde, basit el

hareketleri ile gerçekleştirilmi ştir. Proje başlangıç seviyesinde olup yeni versiyonları ile çok geniş

alanlarda kullanımı gerçekleştirilebilir.

Projede 120 metre mesafede kontrol gerçekleştirilmi ştir. Kontrol eldiveni ile basit parmak hareketleri

yapılarak kablosuz haberleşme modülleri kullanılarak araç hareketi sağlanmıştır. Aynı zamanda araç

üzerindeki tutucu kontrolü ile herhangi bir cisme müdahale gerçekleştirilmi ştir.


47

Netice itibari ile bu çalışma çok çeşitli alanlarda kullanılmaya uygun olup geliştirilmek üzere bir

başlangıç prototipi olmuştur. İlerleyen çalışmalarda daha öncede belirttiğimiz sanayi alanlarında veya

kişisel amaçlar için kullanılabilir.

KAYNAKÇA

[1] http://aslihanismail.blogspot.com.tr.

[2] “Yeni Nesil Kablosuz İletişim Teknolojileri Karşılaştırmalı Analizi” Ergin YILMAZ, Ertan

ÖZTÜRK Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Zonguldak Karaelmas Üniversitesi 67100

Zonguldak.

[3] İlhan UYSAL “Ağ Temelleri” Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi Teknik Bilimler Meslek

Yüksekokulu Ders Notları.

[4] Prof. Dr. İrfan AY, Öğr. Gör. Fahrettin KAPUSUZ “ Makine Programı Malzeme Teknolojisi”

Balıkesir Üniversitesi Ders Notları.

[5] “Bili şim Teknolojileri” T.C M.E.B. Anakara,2011.


48

3D YAZICI TASARIMI VE PROTOT İPİ

Merve LEVENT, [email protected],Karabük Üniversitesi, 78100, Karabük

Şehriban CAN, [email protected], Karabük Üniversitesi, 78100, Karabük

Doç.Dr. Birhan IŞIK , [email protected], Karabük Üniversitesi, 78100, Karabük

ÖZET

Bu çalışmada, günümüzde birçok alanda kullanılan ve hızla gelişen bir teknoloji olan üç boyutlu

yazıcı tasarımı ve prototipi yapılmıştır. Tasarlanan üç boyutlu yazıcı açık kaynak donanımın

geliştirilmesiyle imal edilip daha sonra bu yazıcı yazılımın iyileştirilmesiyle kontrol edilmiştir. Gerekli

kalibrasyonlar yapıldıktan sonra bu üç boyutlu yazıcıyı kullanarak CAD programları ile tasarlanan

modeller STL dosyası olarak kaydedilerek yazıcıda üretimi gerçekleştirilmi ştir. Yapılan 3D yazıcı ile

3 boyutlu olarak taranmış modelleri, farklı malzemeler kullanarak çok hızlı bir şekilde ve ekstra bir

kalıba ihtiyaç duymadan üretmek mümkündür.

Anahtar Kelimeler: 3D yazıcı, CAD yazılımı, katmanlı üretim

ABSTRACT

In this study, a new design and prototype of three-dimensional printers, that currently used in many

areas and have rapidly developing technology, have been established. Designed three-dimensional

printer was manufactured with an open source hardware and is controlled by improvement of the

printer software. After the completing of the necessary calibration, models that creating with three-

dimensional CAD programs, manufactured after exporting in STL data. Models that scanned by 3D

scanner can be printed quickly with different materials and also without the need for extra mold.

Key Words: 3D printer, CAD software, layered production

1. GİRİŞ

3D yazıcıların icadı, yazıcı teknolojisinde bir devrim niteliği taşımaktadır. Bir nesneyi üretebilmek ya

da o nesnenin kopyasını taklit edebilmek ve bunu tek parça olarak oluşturabilmek artık sorun olmaktan

çıkmıştır [1]. Bilgisayarda program aracılığıyla üç boyutlu hale getirilen her türlü eşya ve nesne artık

yeni üretilecek bir kalıba ihtiyaç duymadan üretilebilmektedir. Teknolojideki birçok avantajı

sayesinde, endüstride etkisi olması kaçınılmaz görünmektedir. Bunlar; uzay araştırmaları, savunma


49

sanayi, tıp, taşıma, yiyecek, moda endüstrileri gibi birçok alanda kullanılabilmektedir. Bunların

içerisinde verebileceğimiz en iyi örneklerden bir tanesi; çocuğunun diş fırçası kaybolan biri,

sorununun çözümü için en yakın dükkâna gidip yeni bir tane diş fırçası alabilir ya da hazır

bilgisayarında bulunan diş fırçası modellerinden birini seçip, çocuğunun el ve ağız ölçülerine göre

sadece ona özel bir diş fırçasını 15 dakikada 3 boyutlu yazıcıdan çıkarıp istediği ölçüde özel diş

fırçasını elde edebilir. İşte bu noktada 3D yazıcılar aslında bizim ihtiyaçlarımıza hizmet etmek ve

onları mükemmelleştirmek için tasarlanmışlardır [2].

Endüstride imalat uygulamalarında, medikal alanlarda, kavramsal çalışmalarda ve döküm parçaları

oluşturmada kullanılan bu yöntemin sonuçlandırılması için öncelikle Bilgisayar Destekli Tasarım

(CAD) yazılımları ile “tasarımı” sanal ortamda üç boyutlu hale getirmek gerekmektedir. Üç boyutlu

tasarımın oluşumunu takip eden süreçte ise STL (Stereo Lithography) ile CAD sistemi verilerini

yazıcılara aktarma aşaması başmaktadır [3]. Hataların kontrol edilmesine olanak veren bu aşamayı

takiben makinede bulunan katı, sıvı veya toz maddeler eşliğinde tasarlanan nesne üretilmektedir [4].

3 boyutlu yazıcı işlemi makinenin içerisinde 2 aşamadan geçmektedir [1];

• Doğrudan yazılım sayesinde model bilgisi yazıcıya aktarılmaktadır.

• Yazıcının kafa yapısı 3 boyutlu hareket ederek ve katmanı üst üste yerleştirerek modeli inşa

etmektedir.

Bu çalışmada; yeni bir 3D yazıcı tasarımı ve prototipi yapılmıştır. Sistemin genel olarak çalışma

prensipleri ve donanımı detaylı olarak verilmiştir.kullanılan elemanlardan bahsedilmiştir. Sistem

kontrolü konusu detaylandırılmış ve kullanılan program ile arayüz anlatılmıştır.

2.SİSTEM TASARIMI VE ÜRET İMİ

2.1. Modelleme

Katmanlı üretimi gerçekleştirmek adına gerçekleştirilen sistemin SolidWorks’te tüm parçaların çizimi

yapılıp montajı gerçekleştirilmi ştir. Aşağıdaki Şekil 1.a.’da tasarım parçaları verilmiş olup Şekil

1.b.’de tasarım montaj modeli gösterilmiştir.


50

Şekil 1.a. Tasarım Parçaları

Şekil 1.b. Tasarım Montaj Modeli

2.2. Montaj

Gerçekleştirilen sistemde dış aksam olarak ağır metal parçalar yerine daha hafif olan pleksiglass

malzeme kullanılmıştır. Tercih edilen malzeme yapı itibari ile yarı cam yarı plastik olup saydam

görünümlüdür. Bu sayede sistemin çalışma mantığını dışarıdan inceleme imkanı sağlanmıştır.

Sistemin X, Y, Z eksenlerindeki hareketi lineer rulmanlar ve miller sayesinde sağlanmıştır. X ve Y

eksenlerinde hareket ek olarak kayışlar kullanılmıştır. Aşağıdaki Tablo1’de kullanılan parçalarla ilgili

detaylı bilgi verilmektedir.

Tablo 1. Sistemde kullanılan parçalar


51

2.2.1. Elektronik Devre Kartı

Sistemde elektronik devre kartı olarak kolay programlanabilir olmasından dolayı, içinde ATMEL

Atmega2560 mikro denetleyici entegresi bulunan Arduino Mega kartı kullanılmıştır. USB kablosu ile

bilgisayara bağlanarak programlandıktan sonra Şekil 2’de verilen Arduino Mega Elektronik Kartı

RAMPS kartı altına yerleştirilerek kontrolü sağlanmıştır.

Şekil 2. Arduino Mega Elektronik Kartı

2.2.2.Kontrol Kartı

Kontrol kartı en basit tabiri ile 3D yazıcının beynidir. Kontrol kartının temel görevi step motorları,

ısıtıcı zemin ve ısıtıcı kontrol etmektir. 3D yazıcı gibi bir çok makinede en çok kullanılan kontrol kartı

RAMPS dir. Bu nedenle 3D yazıcı da bu kontrol kartı kullanılmıştır.

RAMPS (RepRap Arduino Mega Pololu Shield), adından da da anlaşılabileceği gibi bir Arduino ek

kartı olarak kullanılmaktadır (Şekil 3). RAMPS 3D yazıcı için gereken tüm elektronik kontrol işlevini

kapsamak üzere tasarlanmıştır. Resimdeki 3D yazıcımızda kullanılan kontrol kartının çalışması için

Arduino Mega ve A4988 vb step sürücüler ile birleştirmek gerekmektedir. Şekil 3’teki reprap kontrol

kartı bu karta ek olarak 4 yada 5 adet step sürücü devresi eklemek gerekmektedir.


52

Şekil 3. Reprap Kontrol Kartı

RAMPS'i diğer parçalara bağlayabilmek için aşağıdaki bağlantı şemasını kullanılmaktadır. Bu şema

3D Yazıcı kontrol kartının gereken tüm işlevleri nasıl gerçekleştirdiğini anlamak için yeterli

olmaktadır. Şekil 4’te ramps bağlantı şeması verilmektedir.

Şekil 4. RAMPS Bağlantı Şeması

2.2.3.Step Motor Sürücü Devresi

Şekil 5’te belirtilen step motor sürücü devresini 3D yazıcıda kontrol kartının üzerine yerleştirilmi ştir.

Projede RAMPS için 5 adet kullanılmaktadır. Step motor sürücü step motoru hareket ettirme görevini

gerçekleştirmektedir. Arduino üzerinden geçen güç motorları sürmeye yetemediği için bu görevi step


53

motor sürücü devresi yapmaktadır. Step motor sürücü devresinin bir diğer özelliği de hassas bir

şekilde motorları kontrol edebilmesidir.

Şekil 5. Step Motor Sürücü Devresi (4 Adet)

Yukarıda gördüğünüz step motor sürücü devreleri 3D yazıcının yapımında en çok kullanılan Pololu

A4988 step sürücü kontrol devreleridir. Bu modellerde kısa devre koruma olması nedeni ile tercih

edilmiştir. Uzun baskı sürelerinde ısınmaları nedeni ile üretim sırsasında adım atlamasını engellemek

fan ile soğutma yöntemi kullanılmaktadır.

2.2.4.Step Motorlar

Bir diğer adıyla adım motorları olarak bilinen step motorları reprap ve benzeri FDM tipi 3D

yazıcılarda 4-6 adet kullanılabilmektedir. X-Y-Z eksenlerindeki hareketi gerçekleştirmek için Şekil

6’da gösterilen 3 ya da 4 adet step motorlardan kullanmak yeterli olacaktır.

Şekil 6. Sistemde Kullanılan Step Motor

Sistemde, NEMA 17’lik bir step motor (Şekil.7) yaklaşık 42 mm genişliğe sahip olup bu step

motorlar için 3D yazıcıda bipolar olarak temin edilmiştir.

2.2.5.Ekstrüder (Extruder)


54

Malzemeyi ısıtıcı uca doğru iten mekanizma için Şekil 7’deki ekstrüder kullanılmıştır. Tasarlanan 3D

yazıcı için en uygun gördüğümüz ekstrüder tipi Greg's Ekstrüder’dır.

Şekil 7. Ekstrüder

2.2.6.Isıtıcı Zemin

Isıtıcı zemini baskı sırasında malzemenin yüzeye yapışmasını önlemek ve çarpılmamasını sağlamak

amacı ile kullanılmaktadır. Şekil 8’deki ısıtıcı zemin için PLA yada ABS malzemelerinden biri tercih

edilmektedir. ABS malzemesi kullanıldığından dolayı çarpmayı önlemek adına ısıtıcı zemin

malzemesi kullanılmıştır.Isıtıcı zemin 3D yazıcı için kullanılan güç ünitesine ekstra yük getirecektir.

Bu nedenle kullanılan ısıtıcı zemin en az 300W’ lık bir güç ünitesine sahip olmaktadır.

ABS malzeme için ısıtıcı zemini 100-110 C civarında ayarlanmıştır. Buna ek olarak ABS cam yüzeye

yapışması daha zor olduğu için cam ile birlikte ısıya dayanıklı Kapton bant kullanılmıştır.

Şekil 8. Isıtıcı Zemin


55

2.2.7. Isıtıcı Uç

Isıtıcı uç ekstrüderden gelen filaman malzemeyi eriten ve ince bir ip haline getiren parçadır. Bu

nedenle 3D yazıcının performansını direkt olarak etkileyen en kritik parça olmaktadır.

Tüm ısıtıcı uçlar ısı kontrolünü ısıtıcı bloka gömülü termistor ya da termokupl sayesinde

gerçekleştirir. Termistor ve termokupl ısıya mağrus kaldıklarında voltaj üreten elemanlardır. Bu voltaj

değeri 3D yazıcı kontrol kartına gömülü voltaj-sıcaklık tabloları ile sıcaklık birimine dönüştürülür ve

ısıtıcı ucun her zaman istenen sıcaklıkta olması sağlanmaktadır.

Isıtıcı uçların ısıtma bloğu bölümü genelikle alüminyum ya da pirinç gibi ısı iletkenliği yüksek

malzemelerden yapılmaktadır. Isıtıcı blokun üst kısmında kalan ve filamanın bulunduğu bölüm ise

filamanı daha soğuk bir sıcaklıkta tutacak şekildedir ayarlanmıştır. Aşağıdaki Şekil 9’da kullanılan

ısıtıcı uç verilmiştir.

Şekil 9. Isıtıcı Uç

3. SİSTEMİN KONTROLÜ

Bilgisayar destekli tasarımlarda (CAD) ya da animasyon tabanlı modelleme yazımlarında kullanılan

tekniklerden bir tanesi "parçalı" şekilde dijital bir ekranı ayırır gibi, çıktı sürecini de çalışma alanına

ve çıkan sonucun kullanım şekline göre ayıracaktır. Genelleştirilmi ş katmanlı imalat süreci Şekil

10’da belirtildiği gibidir.


56

Şekil 10. Genelleştirilmi ş Katmanlı İmalat Prosesi [5].

Kullanılan makinanın tipine, materyale ya da karıştırılan materyallerin seçim ölçeğine göre 3D model

çıktı olarak çıkartılır. Standart bilgi ara yüzü CAD yazılımlarında farklılık göstermektedir. Kullanılan

format şekli ise bu yazılımlarda STL olarak kaydedilmektedir.

STL dosyası genel itibariyle tek bir model parçasından oluşmamakta, yüzeyi üçgenlerle

kaplanmaktadır. Yüzey noktasında ne kadar minimal kullanılırsa elde edilen sonuç o kadar yüksek

kalitede olmaktadır. PLY ise tarama şeklinde oluşturulan bir format şeklidir ve VRML5 (WRL) 3

boyutlu çıktı teknolojisine katkısı renkli model çıktısı almayı sağlamasıdır [6].Şekil 11’de 3 boyutlu

parça imalat yönteminin bir örneği verilmiştir.

Şekil 11. 3 Boyutlu Parça İmalat Yöntemi Örneği [7].

FDM (3Boyutlu) tasarım bir yazılım prosesi ile başlar, yazılım STL formatındaki modelleri

matematiksel olarak katmanlara ayırır ve bu katmanları üst üste inşa etmek üzere 3 eksenli


57

cnc kontrollü bir cihaza gönderir. Termoplastik malzemeler thermoset malzemeler ile

karşılaştırıldığında defalarca eritilebildikleri ve belirli sıcaklık aralığında sıvılaşabildikleri için bu

tasarım projesinde termoplastik malzeme kullanılmıştır.

Termoplastik malzemenin düzgün bir şekilde yığılabilmesi için erime sıcaklığına ısıtılmış bir

nozuldan ekstrude edilmesi gerekmektedir. Bu nozul bilgisayar tarafında kontrol edilerek parça

geometrisini simule edecek şekilde hareket ettirilir ve termoplastik malzemenin yığılması ile beraber

parça 2 boyutlu katmanlar halinde tablaya yığılır ve üretilir. Bu süreç günümüzde en çok hızlı

prototipleme ve 3D yazıcı alanlarında kullanılmaktadır.3D yazıcının elektronik tasarımı mekanik

tasarımla beraber eş zamanlı olarak yapılmıştır. Bu tasarıma göre kullanılacak elektriksel malzemeler

seçilmiş ve gerekli devre şeması bilgisayar destekli programlar sayesinde oluşturulmuş ve yazılımsal

veriler kullanılarak simülasyonu yapılmıştır. Bu aşama Şekil 12’de belirtildiği üzere

gerçekleştirilmektedir.

Şekil 12. Sistem Kontrolü

3.1. Kullanılan Arayüz

3D yazıcıdan çıktı alabilmek için .STL uzantılı bir 3b model, yazıcı ile bilgisayar arasında iletişimi

sağlayacak bir Host yazılım (Repetier), 3b modeli iki boyutlu katmanlara ayıracak ve bu katmanların

Gcode’unu üretebilecek bir yazılım (Slic3r), kontrol kartına doğrudan müdahale edebilecek bir

Firmware yazılımı (Repetier) ve son olarak kartı programlayabilecek bir yazılım (Arduino)

gerekmektedir. Şekil 13’da Repetier Host yazılımının ana ekran görüntüsü görülmektedir.


58

Şekil 13. Repetier-Host V1.0.6

Ardinuo Mega 2560 ile açık kaynak kod kullanarak, Repetier-Host v1.0.6 programı ile bağlantısı

kurulup çalışması gerçekleştirilen 3D yazıcı ile amacımız olan katmanlı üretim gerçekleştirilmi ştir.

Şekil 14’te gerçekleştirilen sistem bulunmaktadır.

Şekil 14. Prototipi Gerçekleştirilen Yazıcı


59

3.2. Çıktı İşlemi

Çıktı aşamasına performans getiren, makinenin okuduğu dosyadan elde edilen tasarımın, çıkan sonuç

öncesi kullanılacak materyaldeki hassaslığına bağlı kalmasıdır. Bu materyal içerisinde bulunan, sıvı,

toz, kapıt ya da benzeri materyalin uygunluğu çok önemlidir. Bu alanlar sonucunda CAD model

üzerindeki kesik noktaları birleştirerek otomatik olarak model son aşamaya girmektedir. Bu tekniğin

amacı her türlü şekle sahip objeyi ve geometrik özelliği oluşturabilmektedir.

Çıktı çözünürlüğü X-Y değişkenlerinin (dpi6) sayısal verilerine bağlıdır. Keza form iç kalınlığı da bu

değerlere göre ayarlanabilmektedir. Genel olarak bu değer 10 mikrometre olarak verilmektedir. X-Y

çözünürlüğü diğer yazıcılara göre değişiklik göstermektedir. Parçacık değerleri ise (3 boyut

noktalama) 50 ile 100 mikrometre arasında kullanılmaktadır [7].Aşağıdaki Şekil 15’te sistemden elde

edilen örnek bir ürün çıktısı verilmiştir.

Şekil 15. Sistem Ürün Çıktısı

Modelin yapım aşaması birçok nedene bağlı olarak birkaç saat sürebildiği gibi birkaç günde

sürebilmektedir. Yalnız burada önemli olan kıstas, kullanılan yöntem farklılığı, modelin büyüklüğü ve

karmaşıklığıdır. Bunlar dışında kullanılan makinenin tipi ve ne kadar çok üretileceği de ayrı bir

kıstastır. Geleneksel teknikte, aynı akıtma döküm gibi, maliyet daha az olmaktadır. Bilhassa polimer

üretiminde eğer amaç kaliteli ürün üretimi ise bu sonuç değişiklik göstermektedir. Ancak küçük

değerlerde üretim daha hızlı sonuçlanacak, bununla birlikte daha esnek ve daha ucuz bir çıktı elde


60

edilebilecektir. 3D yazıcılar bilhassa tasarımcılara ve kavram geliştirici takımlara her zaman üretimde

esneklik ve sonsuz bir yaratıcılık sunmaktadır.

4.SONUÇLAR

Yapılan 3D printer ile PLA ve ABS flament malzemelerden özgün tasarımlı çeşitli oyuncaklar, küçük

ev gereçleri, takılar, süs eşyaları gibi parçalar yapılabilmektedir. Sistem değiştirilip geliştirilerek

çalışma uzayı genişletilerek birçok sektörde kullanılabilir duruma getirilebilecektir. Örneğin sağlık

alanı için protez üretimi, moda sektörü için giyim, mimari alanlar için minyatürler, otomotiv sektörü

içinse çok büyük boyutlarda araç parçaları üretilebilmektedir. Kullanılan flament malzemenin türü

değiştirilip seramik gibi malzemelerlede üretim yapılabilmektedir. Ayrıca gıda sektörüne kalıptan

kurtulma olanağı sağlanarak çikolata ile istenilen şekiller kolaylıkla basılacaktır.

TEŞEKKÜR

Bu çalışmayı gerçekleştirmemizde destek sağlayan TÜBİTAK BİDEB’e sonsuz teşekkürlerimizi

sunarız.

KAYNAKLAR

[1] Lu, K., Reynolds, W:T: 2008. "3DP process for fine mesh structure printing”, Powder

Technology, Volume 187, Sayı 1, 8.

[2] Yavuz Selim BALCIOĞLU, Yaşar Üniversitesi, Sosyal Bilimler Enstitüsü,’3 Boyutlu Yazıcı Ve

Sinemada Kullanımı’, İZMİR, 2014

[3] Çelik, İsmet, Karakoç, Feridun, Çakır, Cemal, Duysak Alparslan, (2013), “Hızlı

Prototipleme Teknolojileri ve Uygulama Alanları”. Dumlupınar Üniversitesi Fen

Bilimleri Enstitüsü Dergisi 31, 55

[4] Çelik, İsmet, Karakoç, Feridun, Çakır, Cemal, Duysak Alparslan, (2013), “Hızlı

Prototipleme Teknolojileri ve Uygulama Alanları”. Dumlupınar Üniversitesi Fen

Bilimleri Enstitüsü Dergisi 31, 56

[5] Campbell, T., Williams, C., Ivanova, O., Garrett, B. 2011. “Strategic Foresight Report,” Atlantic

Council, p.3.

[6] Decker, Bıll & Dıkovıtskaya, Valerıa & Jacobson, Josh (2013) How To 3d Print Money: Second

Edition, CreateSpace Independent Publishing.

[7] İnternet : http://tr.wikipedia.org/wiki/3D_baskı


61

ULTRASONİK İŞLET İCİLERE SAHİP KALIP TASARIMI VE

ÜRETİMİ

Mehmetcan ZEYTİN, [email protected] TOBB ETU, 06560, Ankara

Eren Can ERGÜL, [email protected] TOBB ETU, 06560, Ankara

Mehmet Bülent ÖZER, [email protected] TOBB ETU, 06560, Ankara

Nuri DURLU, [email protected] TOBB ETU, 06560, Ankara

Yiğit TA ŞÇIOĞLU, [email protected] TOBB ETU, 06560, Ankara

ÖZET

Son dönemde yapılan araştırmalarda döküm işlemi sırasında eriyik metallere uygulanan ultrasonik

işlemin, döküm mikroyapısını değiştirerek metalin mekanik özelliklerini geliştirdiği ifade edilmiştir.

Katılaşma sırasında uygulanan ultrasonik işlem doğrudan ve dolaylı olmak üzere iki şekilde

kullanılabilir. Bu çalışmada dolaylı yoldan uygulanan ultrasonik işleme uygun, metal dökümü

sırasında ultrasonik dalga etkisini maksimize etmeyi hedefleyen kalıp tasarımı yapılmış ve

üretilmiştir. Çalışma sonunda üretilen kalıplara dökülen sıvı çinko metali üzerinde uygulanan dolaylı

ultrasonik işlemin mikroyapıya etkileri araştırılmıştır.

Anahtar Sözcükler: Dolaylı ultrasonik işlem, akustik basınç, kalıp tasarımı, mikroyapı, döküm

ABSTRACT

Recent studies have shown that inducing ultrasonic waves to a molten metal during solidification

improves the mechanical properties, due to achievement of finer microstructures. Ultrasonic treatment

can be applied in either direct or indirect way. In this study, a mold where indirect ultrasonic treatment

can be applied by ultrasonic actuators is designed and manufactured. The mold is designed in order to

maximize the ultrasonic wave effects on the solidified metal with the help of finite element software.

By using the mold, effects of indirect ultrasonic treatment on the liquid zinc metal solidification and

microstructure has been investigated experimentally.

Keywords: Indirect ultrasonic treatment, acoustic pressure, mold design, microstructure, casting

1. GİRİŞ

Döküm işlemi esnasında uygulanan ultrasonik işlemin, döküm mikroyapısı üzerindeki etkileri son

yıllarda çeşitli araştırmalara konu olmuştur. Ultrasonik işlem ile oluşturulan dalgaların meydana


62

getirdiği basınç alanları kavitasyon etkisi ile tane sınırlarının sayısının artmasına ve malzemenin tane

yapısının küçülmesine yol açmaktadır [1]. Özellikle sıvı metalin kalıp duvarlarıyla teması dolayısı ile

meydana gelen hızlı soğuma ve katılaşma süreci ile oluşan uzun tane yapıları ultrasonik işlem

sonucunda küçülmektedir. Malzemenin mikroyapısında meydana gelen değişim mekanik özelliklerin

artmasına yol açmaktadır [2-5].

Ultrasonik dalgaların eriyik metale uygulanmasında iki farklı uygulama görülmektedir. İlkinde

ultrasonik dalgaları üreten kaynak eriyik metale temas ederek dalgaları eriyiğe aktarmaktadır. Buna

doğrudan metot denmektedir. İkinci tür uygulamada ise kaynak dalgaları eriyik metale kalıbı

titreştirerek aktarmaktadır. Bu metoda da dolaylı metot denmektedir. Doğrudan uygulanan ultrasonik

işlem sonrasında meydana gelen mikroyapı değişimleri literatürde yaygın olarak gösterilmiştir.

Dolaylı ultrasonik işlemin döküm mikroyapıları üzerindeki etkileri aynı yoğunlukta incelenmemiştir.

Ultrasonik işlemin kalıp dışından uygulanması sırasında ise doğrudan uygulanmasından farklı olarak –

güç aktarımı ve akustik etkinin zayıflaması v.b. - nedeni ile, dolaylı ultrasonik işlemin malzeme

mikroyapıları üzerindeki etkileri daha sınırlıdır [1]. Döküm işlemi sırasında dolaylı ultrasonik

işlemlerin kullanımında, doğrudan uygulanan ultrasonik işleme yakın sonuçlar elde edebilmek için,

kalıp tasarımında ultrasonik dalgaların en etkin şekilde katılaşma sürecindeki sıvı metal üzerine

etkimesi ön planda tutulmalıdır. Bu nedenle dolaylı ultrasonik işlemin başarı ile uygulanmasında kalıp

tasarımı önemlidir.

Bu çalışmada, döküm işlemi sırasında kullanılabilecek olan dolaylı ultrasonik işlem için kalıp tasarımı

yapılmıştır. Yalın karbon çeliğinden imal edilen tasarım kalıpları kullanılarak, sıvı çinko dökümü

işlemi sırasında uygulanan dolaylı ultrasonik işlemin mikroyapıya etkisi incelenmiştir.

2. TASARIM

Kalıp tasarımı gereksinimleri belirlenirken ilk başta kullanılacak olan ultrasonik işleticiler üzerinde

durulmuştur. Sonrasında literatür çalışmaları incelenmiş ve benzer nitelikli çalışmalar araştırılmıştır.

Bu sayede kalıp tasarımını etkileyebilecek değişkenler belirlenmiştir. Ayrıca benzer çalışmalarda

kullanılan deneysel değişkenler incelenmiştir. Sonrasında kullanımına karar verilen ultrasonik

jeneratör aracılığıyla üretilen gücün, ultrasonik eyleyiciler yardımı ile kalıba titreşim olarak

aktarılması da göz önünde bulundurularak kalıp tasarımı yapılmıştır. Kalıp tasarımı esas olarak döküm

işlemine göre değişmektedir; fakat çalışmanın deneyleri esnasında kullanılacak olan deneysel

değişkenlere göre kalıp tasarımı üzerinde çalışılmıştır.

Döküm işlemi sırasında uygulanan dolaylı ultrasonik işlemin mikroyapıya etkisi çeşitli değişkenlere

bağlıdır. Bu değişkenler kalıp geometrisini ve dolayısıyla da tasarımı etkileyecektir. Değişkenler esas


63

alınarak yapılan kavramsal tasarımlar çeşitli simülasyon programları ile ayrı olarak değerlendirilmiş

ve analizleri- titreşim analizi ve ısıl analiz - yapılmıştır.

Analizlerde kullanılan kalıp geometrileri ve kalıp malzemeleri aşağıda verilmiştir.

• Kalıp geometrisi (Açık Kalıp, Kapalı Kalıp, İki Parçalı Kalıp, Silindirik Kalıp, Prizmatik Kalıp)

• Kalıp malzemesi (Çelik Kalıp, Bakır Kalıp)

Bu analizlere göre seçim yapılması için mikroyapıya etkisi olan değişkenlere karar verilmesi

gerekmektedir. Bu değişkenlerden en önemlisi akustik basınçtır. Akustik basınç ile birlikte akustik

kavitasyon meydana gelmekte ve katılaşma sürecindeki mikroyapı oluşumunu etkilemektedir. Yüksek

akustik basınç alanı için kalıp boyu başlıca değişken olduğu sayısal benzetimler ile görülmüştür..

Dolayısıyla kalıp geometrisinin belirlenmesinde yüksek akustik basınç önemli bir rol oynar. Akustik

basınç, önemli ölçüde titreşim genliği, titreşim uygulama süresi ve titreşim frekansına bağlıdır.

Prizmatik kalıp için deneysel değişkenlere göre yapılan titreşim analizi sonuçlarına göre kalıp

uzunluğu ile akustik basıncın birbiri ile bağlı olarak değişimi Şekil 1.’de kalıbın sol yan görünüşü

üzerinde verilmiştir. Prizmatik kalıp boyunun değişimi ile birlikte akustik basıncın kalıp uzunluğuna

göre değişimi bu Şekil 1. üzerinden gözlemlenebilir. Şekil’de iki ultrasonik eyleyicinin kalıbın

uzunlamasına ekseninde karşılıklı uçlardan kullanıldığındaki durum için akustik basınç dağılımı

gösterilmiştir. Akustik basınç kalıbın her iki yanında en yüksek değere çıkmaktadır. Kalıp

uzunluğunun tasarımında yüksek akustik basınç alanına ulaşılmaya çalışılmıştır.

Prizmatik kalıp için deneysel değişkenlere göre yapılan titreşim analizi sonuçlarına göre kalıp

uzunluğu ile akustik basıncın birbiri ile bağlı olarak değişimi Şekil 2.’de verilmiştir. Kalıp boyunun

190mm – 192 mm aralığında olduğu durumda rezonans oluşmaktadır ve akustik basınç bu noktada en

yüksek değere çıkmaktadır.

Şekil 1. Akustik basıncın prizmatik kalıp üzerindeki etkisi.


64

Toplam uzunluk (mm)

Şekil 2. Akustik basıncın kalıp uzunluğu ile değişimi.

Kalıp malzemesi olarak bakır ve çelik seçilmiş ve bunların ısıl analizleri yapılmıştır. Bakır’ın ısı

transferi katsayısı çeliğe göre daha yüksektir [6]. Kalıp ile doğrudan temas halinde olan ultrasonik

eyleyicilerin içinde yer alan piezoelektrik malzemelerin Curie sıcaklığı ise yaklaşık 250oC civarındadır

[7]. Piezoelektrik malzeme bu sıcaklığın üzerinde işlevini yitirmekte ve buna bağlı olarak titreşimlerin

oluşumunu engellemektedir. Her iki kalıp malzeme için de çevrelerine olan ısı iletimleri üzerine

analizler yapılmıştır. Ayrıca ısı sonlu eleman analizleri ile birlikte eriyik metalin katılaşma süresi gibi

diğer değişkenlerde elde edilmiştir. Hem çelik malzeme için hem de bakır malzeme için yapılan ısıl

analizlerde, piezoelektrik malzemenin ulaşabileceği en yüksek sıcaklık hesaplanmıştır. Şekil 3. a ve

Şekil 3. b’ de kalıp malzemesi olarak çelik ve bakır kullanıldığında piezoelektrik malzemenin hangi

sıcaklığa ne kadar süre içinde ulaşacağı verilmiştir. Şekil 3.’de kırmızı grafik piezoelektrik malzemede

görülen en düşük sıcaklık, yeşil grafik ise en yüksek sıcaklıktır. Her iki malzemede de ulaşılan en

yüksek sıcaklık 250oC’nin altında olduğu için kalıp malzemesi olarak kullanılmalarında bir engel

bulunmamaktadır. Ancak, kalıp malzemesi olarak bakır kullanıdığında bakır’ın çeliğe göre ısıl iletimi

daha fazla olduğu için eriyik metaldeki katılaşma daha kısa sürede gerçekleşeceğinden dolaylı

ultrasonik işlem etkisi sınırlı kalacaktır. Bu nedenle kalıp malzemesi olarak çelik seçilmiştir.

Toplam Akustik Basınç Alanı (Pa)


65

Şekil 3. Piezoelektrik malzeme sıcaklığının zamana göre değişimi (a) Çelik kalıp, (b) Bakır kalıp.

Analiz sonuçlarına göre değerlendirmeler yapıldıktan sonra yatay uzunlamasına eksenden karşılıklı

olarak merkezlenmiş iki ultrasonik eyleyici sahip 1040 çeliğinden açık prizmatik kalıp kullanılmasına

karar verilmiştir. Deneysel çalışmalar esnasında tasarımı yapılan bu kalıp üzerinde çalışılmıştır.

Ayrıca karşılaştırmalar yapabilmek için rastgele uzunluklara sahip kontrol kalıbı üretilmiştir. İdeal

prizmatik kalıbın boyutları 100x100x188 mm ve kontrol kalıbı olan prizmatik kalıbın boyutları

100x100x200 mm’dir.


Tasarlanan kalıpların üretimi sonrasında üzerlerinde ultrasonik jeneratör kullanılarak çalışılmaya

başlanmıştır. Deneysel değişkenler her deneyde sabit tutulmaya çalışılmıştır. Dolaylı ultrasonik

titreşim sonrasında malzemeler makroyapıyı incelemek üzere hazırlanmıştır. Sonrasında kontrol kalıbı

ve tasarım kalıbı arasındaki sonuçlar, hem dolaylı ultrasonik işlem uygulanmış durumda hem

uygulanmamış durumda karşılaştırılmıştır.

Tablo 1.’de verilen deney şartlarına göre ideal olarak tasarlanan kalıp ve ayrıca üretilen kontrol amaçlı

ideal olmayan kalıp için tekrarlanmıştır. Deneyler esnasında sıcaklık değişimlerini gözlemlemek için

kalıp üzerinde çeşitli noktalardan K-tipi termokapıl’lar kullanılmıştır.


66

Tablo 1. Deney şartları .

Deneysel Veriler Deneysel Parametre Değerleri

Malzeme Çinko

Malzeme Ağırlığı 500 g

Titreşim Frekansı 28 kHz

Titreşim Süresi 120 sn

Malzeme Başlangıç Sıcaklığı 650 oC

Titreşim Gücü 200 W ( Her ultrasonik eyleyici için )

Çalışma Akımı 0.7 A

Deneysel çalışmalar sırasında Şekil 4.’te görülen üretilmiş tasarlanan kalıba önceden bahsedildiği

üzere ultrasonik jeneratör bağlanmıştır ve bu sayede güç elde edilmiştir.

Şekil 4. Deney Düzeneği.

Deneyler sırasında duvarlardan meydana gelen ısı transferinin etkisinin yüksek olduğu

gözlemlenmiştir. Bu yüzden duvarların döküm işlemi öncesinde 650oC’ye ısıtılması planlanmıştır. Bu

sayede duvarlardan başlayarak iç yüzeye doğru ilerleyen ısı transferinin önüne geçilmesi

düşünülmüştür.

İdeal tasarlanan kalıp ve kontrol kalıplarında aynı koşullarda tekrarlanan deneylerden sonra elde edilen

sonuçlar, titreşim uygulanmayan döküm deneylerindeki sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Deneysel

Ultrasonik Eyleyiciler

Ultrasonik Jeneratör

Döküm Kalıbı


67

verilerden elde edilen sonuçlarda ideal tasarlanan kalıp üzerinde yapılan deneylerde dolaylı titreşim

işleminin çinko’nun mikroyapısı üzerinde etkisi olduğu görülmüştür. Şekil 5.’de tane boyutundaki

küçülme kırmızı daire içine alınmış bölgede görülebilir. Dolaylı ultrasonik işlem uygulanmamış

parçada (soldaki) tane yapıları ince ve uzundur, ultrasonik işlem uygulanmış parçada ise tane yapıları

daha küçüktür.

(a) (b)

Şekil 5. Dolaylı yoldan uygulanan ultrasonik işlemin çinko metalinin döküm yapılarına etkisi. (a)

Ultrasonik işlemn uygulanmamış, (b) Ultrasonik işlem uygulanmış.

4. SONUÇLAR

Kalıba döküm işlemi esnasında uygulanan ultrasonik işlemin malzeme mikroyapısı üzerinde etkisi

olduğu görülmüştür; fakat dolaylı ultrasonik işlem esnasında malzeme üzerindeki etkilerin en etkin

şekilde gözlemlenebilmesi için döküm malzemesinin değişkenleri de dahil olmak üzere çeşitli

değişkenlere göre kalıp tasarımı değiştirilmelidir.

Akustik dalgaların dolaylı ultrasonik işlem esnasında zayıflamasından dolayı en etkili kalıp tasarımı

önemlidir. Ultrasonik jeneratörden gelen güç en etkin şekilde kullanıldığında katılaşma sürecindeki

malzeme üzerinde daha iyi sonuçlar elde edilebilir. Doğrudan ultrasonik işlem esnasında katılaşma

sürecindeki malzeme üzerinde gözlenen malzeme özelliklerine yaklaşılabilir.

Deneyler sırasında kalıp boşluğu duvarlarından başlayarak eriyik malzemenin iç yüzeyine doğru

gerçekleşen ısı transferinin sonuçları etkilediği görülmüştür. Kalıp boşluğu duvarlarından başlayan ısı

transferi malzemede dış yüzeylerden başlayarak iç yüzeylere doğru uzun ve ince tane yapısının

oluşmasına neden olmaktadır. Bu tane yapısı oluşumları ile birlikte duvarlardan başlayan hızlı soğuma

dolaylı ultrasonik işlemden etkilenmektedir. Daha etkili sonuçların alınabilmesi için kalıp boşluğu

duvarlarının işlem öncesinde ısıtılması gerekmektedir. Kalıp boşluğu duvarlarının ısıtılmasıyla birlikte

dolaylı ultrasonik işlem ile daha küçük tane yapıları elde etmenin mümkün olduğu deneyler ile

gösterilmiştir. Daha küçük tane yapıları ise katılaşma sürecindeki malzemede malzeme özelliklerinin

iyileşmesine neden olacaktır.


68

TEŞEKKÜR

Bu çalışma yapılırken üretim aşamasında bizlere katkıda bulunan MGT Makina’dan Mehmet Galip

Turgut’a ve TOBB ETÜ Makine Mühendisliği Bölüm teknisyeni Kamil Arslan’a teşekkür ederiz.

KAYNAKÇA

[1] G.I. Eskin, D.G. Eskin, (1998), “Ultrasonic Treatment of Light Alloy Melts”, Gordon and Breach

Science Publishers, Hollanda

[2] W.Kong, D.Q. Chang, J.H. Song, (2011), “Effects of Ultrasonic Treatment during the

Solidification Process on the Structure Formation of Low Carbon Steel”, Materials Transactions -

Japan Institute of Metals , Cilt 52, Sayı 9, Sayfa 1844-1847

[3] S.Lü, S.Wu, C.Lin, Z.Hu, P.An, (2011), “Preparation and rheocasting of semisolid slurry of 5083

Al alloy with indirect ultrasonic vibration process”, Materials Science & Engineering A, Cilt 528,

Sayfa 8635-8640

[4] G.Wang, M.S. Dargusch, M. Qian, D.G. Eskin, D.H. St.John, (2014), “The role of ultrasonic

treatment in refining the as-cast grain structure during the solidification of an AL-2Cu alloy”, J. Cryst.

Growth, Cilt 408, Sayfa 119-124

[5] K.S. Suslick, (2001), “Encyclopedia of Physical Science and Technology”, Cilt 17, Sayfa 363–376.

[6] Frank P. Incropera, David P. DeWitt, (2006), “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”, John

Wiley & Sons Inc., A.B.D.

[7] http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19980236888.pdf (Erişim Tarihi: 07.03.2015)


69

HAVUZ GÜVENL İK SİSTEMİ

Yusuf AKSÜT, [email protected] Karabük Üniversitesi, 78100, Karabük

Ender MET İN,[email protected] Karabük Üniversitesi, 78100, Karabük


ÖZET

Bu çalışmada, havuza düşen insanlar için önlem amaçlı bir havuz prototipi gerçekleştirilmi ştir. Havuz

güvenlik sistemi istenildiği an kontrol edilecek şekilde tasarlanmıştır. Bu prototip yapımı çocukların

havuz etrafındaki olabilecek tehlikeli durumlara önlem almak için yapılmıştır.

Havuz güvenlik sistemi, yatay da ve dikeyde konumlanmış cisim algılama sensörleri ile kontrol altına

alınmıştır. Herhangi bir cisim düştüğünde, sistemdeki kayıtlı numaralar sesli olarak aranabilmektedir

ve aynı anda havuz boşaltma işlemi devreye girmektedir. Havuz bir depoya boşaltılır ve su tekrar

kullanılabilir.

Anahtar Sözcükler: GSM modülü, sensör, havuz güvenlik

ABSTRACT

In this study, a pool prototype has been implementeal to protect people when droping in a poor. Poor

protect system has been designed when demanding time. The construction of this prototype may be

reviewed to prevent dangerous situations that children around the pool area.

The sensors have been positioneal vertically and horizantally in poor protect system. Registered phone

numbers with recorded voice can be called by a phone when dropping an object in poor. At the some

time, poor empty system empties water.

Keywords: GSM Shield,sensors,pool security

1. GİRİŞ

Bu çalışmada, sistemin temel elemanlarından biri olan MZ80 kızılötesi sensör ile haberleşmede

kullanılan Arduino GSM modüllü kullanılmıştır. Havuz üzerine belli aralıklar ile yerleştirilen


70

sensörler sayesinde cisim algılama olayı gerçekleşmesi sağlanmaktadır. Bu modülleri kullanılarak

havuz içerisinde bir cismin var olup olmadığını tespit edilerek arama olayı, sesli mesaj bırakma ve

havuz suyunun boşaltılması işleminin gerçekleşmesi hedeflenmiştir.

2. SİSTEM TASARIMI VE PROTOT İPİ

2.1. Tasarım Aşaması

SOLIDWORKS programıyla sistemin bütün devre elemanlarının yerleşme pozisyonun belirlenerek

tasarımı gerçekleştirilmi ştir. Havuz 20x30x50 cm ebatlarında bir kısmı Flexiglass diğer yüzeyleri

camdan yapılmıştır üç kısımdan oluşan havuz prototip Tasarım Şekil 1’de gösterilmektedir.

Şekil 1. Sistemin Tasarımı

2.2. Montaj aşaması


71

MZ80 kızılötesi sensörleri, endüstri standartlarında üretilmiş, minimum tepki süreli ve güçlü

sensörlerdir. Tablo 1'de MZ80 kızılötesi sensörün teknik özellikleri verilmiştir.

Tablo 1. MZ80 kızılötesi sensörün özellikleri

Çalışma gerilimi ve çektiği akım 5V/ 10ma

Menzil mesafesi 3-80 cm

Tepki süresi 2ms

Algılama açısı 15 °

Koruma sınıfı IP65

Çalışma sıcaklığı -25, +55 °C

MZ80 kızılötesi algılama sensörü dijital çıkışlı bir sensördür. Algılanacak cisim menzili içerisine

girdiği zaman sensör çıkışı 0V’ dan 5V’ a yükselir. Çıkış sinyali mikrodenetleyici devrelerine

doğrudan bağlanabilmektedir [1]. Şekil 2’de bu sensöre ait bir resim gösterilmiştir.

Şekil 2. MZ80 kızılötesi sensör


72

Arduino, Processing/Wiring dilini kullanarak çevre elemanları ile temel giriş çıkış uygulamalarını

gerçekleştiren açık kaynaklı fiziksel programlama platformudur. Arduino ile bağımsız olarak interaktif

uygulamalar gerçekleştirilebilir

Arduino uno elektronik kartı ATmega328 işlemci kullanan Arduino çeşididir. 14 dijital giriş/çıkış pini

bulunur, bunlardan 6’sı PWM çıkışı olarak kullanılabilir. 6 analog giriş pinine sahiptir. 16 MHz kristal

osilatörü, USb bağlantısı, 2.1mm güç girişi, ICSP başlığı ve reset butonu vardır. Mikroişlemciyi

destekleyecek her şeye sahiptir. Çalıştırmak için DC 7~12V güç kaynağına bağlamak yeterlidir [2].

Şekil 3'de arduino uno gösterilmiştir.

1

Şekil 3. Elektronik devre kartı (Arduino uno)

Arduino GSM modüllü kartı sayesinde Ardiuno UNO ve GSM Click kartı RX ve TX bacakları

üzerinden haberleşir. Arduino GSM Shield sensörü Şekil 4’de gösterilmiştir.


73

Şekil 4. Elektronik devre kartı (Arduino GSM Modüllü)

Tablo 2. Su pompası özellikleri

Çalışma gerilimi ve frekansı 220-240V/50Hz

Motor gücü 85 Watt

Su basabildiği en yüksek alan 400 cm

Su çevrim kapasitesi 106 saatte 4000 litre

DC motor ile çalişan su pompasi suyu emiş borusundan toplar, çıkış borusundan dışarı atar, bu işlemi

gücü ile doğru orantılı gerçekleştirir. Tablo 2'de kullanılan su pompasının özellikleri verilmiş ve Şekil

5' de gösterilmiştir [3].

Şekil 5. Su pompası


74

Yapılan havuz ebatlarına yerleştirilen sensörler, havuz içerisine düşen cismi her noktada

algılayabilmektedir. Denemelerde sistemde kullanılan malzemeler kalitesinde istenilen performansa

yakın bir şekilde cevap verebilmektedir. Bu sistemin amacı olabildiğince havuz içine düşen cismi çok

kısa bir sürede algılamak, yetkililere haber vermek ve havuz suyunu boşaltma işlemini

gerçekleştirmektir. Bizim projemizde bu olayları yapılan denemelerde iyi bir şekilde başarabilmiştir.

Şekil 6. Havuz Güvenlik Sistem Prototipi


Sistem devrede iken algılanacak cisim içerisine girdiği zaman sensör çıkış sinyali üretir bu sinyal

arduino uno mikroişlemci kartına gönderilir. Arduino gelen sinyalle bağlı olarak üç adet dijital pini

çıkış yapmaktadır. Bu pinler GSM modüllü hoparlörü ve su pompasını bağlı oldukları sürme

elemanlarını (Röle , Transistör v.b ) tetikler ve çalışmalarını sağlar.Sistem çalışması ile havuz

içerisindeki su boşalmaya başlar ve aynı anda kayıtlı numara aranarak sesli mesaj dinletilir. Sistemin

kontrol akış şeması Şekil 7’de gösterilmiştir.


75

Şekil 7. Sistemin Blok Diyagramı

4.SONUÇLAR

Bu çalışmada ilk olarak, sistemin tasarlanılmasıyla başlanılıp daha sonra sistemde kullanılan parçalar

tanıtılmış ve teknik özellikleri hakkında bilgiler verilmiştir.

Proje ile havuz içerisine düşen cismin algılanması, gerekli yerlere haber verilmesi ve havuz suyunu

boşaltma işlemlerini gerçekleştirilmi ştir. Havuz yüzmeye açık olmadığında ve sistem devredeyken can

kaybının yaşanmamasının önüne geçilmiştir.

Şu anlık yeni bir çalışma olsada, sistem geliştirilerek havuza düşen görüntü işleme teknikleriyle daha

hassas ve garanti sonuçlar alınabilir. Bu sayede havuzda cisim hakkında daha net fikirler verilebilir.

Havuzdaki cisim canlı olmadığı takdirde sistem görmezden gelebilir ve gereksiz telaş durumlarının

önüne geçilmiş olur.

KAYNAKÇA

[1] robotus.net / MZ80-endustriyel-kizilotesi-sensor.pdf. ( Erişim tarihi: 30.04.2015)

[2] http://arduinoturkiye.com/ (Erişim tarihi: 01.05.2015)

[3] http://reefedu.com/ (Erişim tarihi: 01.05.2015)


76

TOROİDAL SARIM MAK İNASI

Mehmet Akif AHRAZO ĞLU , maahrazoglu @etu.edu.tr TOBB ETÜ, 06560, Ankara

ÖZET

Rogowski bobini olarak da bilinen toroidal bobin, çembersel manyetik alan eldesinin bilinen en yaygın

uygulamasıdır. Geçmişten günümüze, sinyaller üzerine yapılan çalışmalardan, plazma üzerine yapılan

çalışmalara kadar geniş bir uygulama alanına sahiptir. Bu geniş uygulama alanına karşın kısıtlı bir

yerel üretim ağına sahiptir ve dolayısıyla maliyeti özellikle yüksek indüktans değerine sahip elemanlar

için yüksektir. Bazı araştırmalarda, yüksek indüktans değerlerinde bobine ihtiyaç duyulduğunda bu

durum bobinin insan eliyle sarılmasıyla çözülmektedir. Bu tür çalışmalara kolaylık ve bir örnek olması

açısından, düşük maliyetle ve kolay uygulanabilir bağlantılarla elde edilebilecek bir sarım makinası

yapılmış ve parametrik tasarım değerleriyle sunularak, benzerlerinin önünü açmak amaçlanmıştır. Bu

çalışmada tek katmanlı, açısız sarımlardan oluşan bobin imal eden bir sarım makinası elde edilmiştir.

Anahtar Sözcükler: Toroidal Sarım Makinası, Rogowski bobini imalatı, Tek katmanlı sarım

ABSTRACT

Toridal coil, also known as Rogowski coil, is the most common and well known application of

obtaining circular magnetic field. From past to present, toroidal coils have a wide range of application

field, from studies on signals to studies on plasma. Despite this wide range of application field, it has a

limited network of local production and expensive costs especially in high-inductance coils. In some

studies, researchers prefer to manually produce this kind of coils when it is needed. For convenience

of such studies and in terms of being an example, a winding machine was made that can be obtained

with low cost and easily applicable connections, and presented with parametric design values to guide

the like. In this study a winding machine was obtained which manufactures coils consisting of single-

layer and non-angled windings.

Keywords: Toroidal Winding Machine, Rogowski Coil manufacturing, Single-layer winding


77

1. GİRİŞ

Manyetik alanın elektrik akımı ile olan bağlantısı üzerinden bazı uygulamalar yapılmaktadır. Bu

çalışmada bahsi geçen ilişkinin uygulandığı, bir hızlandırıcının ölçüm mekanizmasında kullanılan bir

tür bobinin üretimi sunulacaktır.

Elektrik akımı etrafında oluşan manyetik alanın varlığı, akımın büyüklüğü ve yönü hakkında fikir

sahibi olunmasını, yeterli hassasiyette ölçüm yapılırsa yaklaşık değerlerin elde edilmesini mümkün

kılar.[1] Bu manyetik alanın algılanması için, bu manyetik alandan etkilenecek bir almaca ihtiyaç

duyulur. Söz konusu manyetik alan, simetri ekseninde düz bir çizginin bulunduğu çembersel bir eğri

olarak tasvir edilirse, belirtilen bu alana uygun almaç türü olarak toroidal indüktör önerilebilir.

Algılancak akımın yüksek frekansta ve çok düşük genlik değerlerine sahip olması nedeniyle tercih

edilen almaç toroidal indüktör olarak belirlenebilir.[2] Bu belirlemede akımın geçtiği herhangi bir

kesitte toroidal indüktörün tamamının bulunması etkilidir. Dolayısıyla bir kesit üzerinde yüksek

indüktans değerine sahip bir almaç tercih edilmiş olur, bu da daha yüksek hassasiyette ve kabiliyette

bir ölçüm demektir.

Toroidal indüktör tercihi yapıldıktan sonra bu indüktörün üretimi düşünülürse, el ile sarımı oldukça

meşakkatli bir süreç olduğu vurgulanmalıdır. Manyetizmanın tarihine yakın bir tarihe sahip olan sarım

makinaları bu meşakkatli süreçleri ortadan kaldırmak için geliştirilmi şlerdir. Bu sarım makinalarından

bir tanesi toroidal sarım makinasıdır.

Toroidal Bobin (İndüktör)

Toroid, kapalı bir düzlem eğrinin bir eksen etrafında çevrimi ile oluşan ve kendisi ile kesişmeyen

geometrik yapıdır[3]. Toroidal bobin, toroid geometriye sahip bir kor üzerine sarılmış veya bu

geometriye sahip olacak şekilde havaya sarılmış bobindir. Bu çalışmada toroidal kor üzerine sarılmış

bir bobinin imalatını gerçekleştiren bir makine sunulacaktır.

Toroidal bobinin geçmişte uygulanan ve halen devam eden birçok uygulaması bulunmaktadır.

Özellikle sinyaller üzerine yapılan çalışmalarda, renkli tüplü televizyonların tüpleri[4], telefonlar[5],

telemetri cihazları[6], manyetik başlıklar[7] ; ölçüm cihazlarında, temassız akım ölçümü[1], alternatif

akım ve yüksek hızlı akım darbelerin ölçümü[2], sondaj esnasında yer kabuğunun gösterdiği direncin

tespiti[8] ; sağlık alanında sinir sistemi üzerine yapılan çalışmalar[9]; fizik alanında sentez devre

elemanlarının eldesi[10] ve tokamak uygulamaları[11] gibi birçok kullanımı mevcuttur.


78

2. ELEKTR İKSEL HESAPLAMALAR

Sarımı gerçekleştirilecek olan bobinin istenen indüktans değerine sahip olabilmesi için gerekli

parametreler ve bu parametreler arasındaki ilişkiler belirlenmelidir.

Eşitliklerde, B manyetik alan şiddeti (T), Ф manyetik akı (Wb), µ0 boşluğun manyetik geçirgenlik

(H·m-1), katsayısı, µr bağıl manyetik geçirgenlik katsayısı (H·m-1), I akım (A), r toroid kesit

merkezindeki yarıçapı (m), h kor yüksekliği(m), a toroid iç yarıçapı (m), b toroid dış yarıçapı (m), A

kesit alanı (m2), N sarım sayısı, L indüktans (H) olarak kullanılmıştır.

Dikdörtgen kesitteki bir toroidin içindeki manyetik alan (1)’den hesaplanır.

= 2 (1)

Toroid içinde her turdaki manyetik akıya (2)’den ulaşılır.

Ф = ℎ (2)

N tur sarımlı bir toroid içindeki manyetik akı (2)’nin içinde (1) kullanılarak elde edilen denklemdeki

integral işlemi a’dan b’ye yapılarak manyetik akı için (3) elde edilir.

Ф = ℎ2 (3)

İndüktansın tanımı (4)’teki gibidir.

= Ф (4)

(4)’teki tanımda (3) kullanıldığında sarım yapılacak geometrik parametreler ve manyetik geçirgenlik

katsayısı cinsinden indüktans değeri (5) ile hesaplanabilir.

= ℎ2 (5)

Hava kora sarılan bir toroid için (5) kullanılırken, µ0 = 1.256 · 10-6 (H·m-1) yerine konarak ve terimi eklenerek manyetik kora sarılı toroidin indüktansı için (6)’daki eşitlik kullanılır.[14]

≅ 0.2 ℎ ∙ 10 (6)

(6)’da elde edilen eşitlikteki değerinin kullanılan standart kor malzemesinin çeşidine bağlı olarak

belirli değerler olduğu bilindiğine göre, indüktans değeri kor malzemesinin yanı sıra ağırlıklı olarak

kullanılan korun geometrik özelliklerine ve yapılacak sarım sayısına göre şekillenecektir. Genel itibari

ile toroidal bobin imalatında kullanılan kor malzemesi ferrit ve toz demirdir. [13]


79

3. GEOMETRİK HESAPLAMALAR

Tasarlanan sistemde sarım işleminin otomatik olarak yapılabilmesi için gerekli üç parametre

bulunmaktadır. Bu parametreler aşağıda belirtildiği gibi ifade edilebilir.

- Sarım turu : Kor üzerine belirtilen indüktans değerine ulaşmak için sarılacak tur sayısı

- Yükleme turu : Tel yükleme işlemi esnasında çarka yüklenecek tur sayısı

- Tur açısı : Kor üzerine yapılan her bir sarımın kor merkezine göre bir önceki sarımla yaptığı açı

Bu üç parametreye (6)’da verilen eşitlikteki toroid iç yarıçapı (a), toroid dış yarıçapı (b), sarım sayısı

(N), kor yüksekliği (h) ve makinenin diğer kısımlarının sahip olduğu yapısal özellikler, yükleme çarkı

iç yarıçapı (dC) ve bunun yanı sıra sarılacak tel çapı (dW) parametreleri doğrudan veya dolaylı

kullanılarak birkaç farklı şekilde ulaşılabilir.

Sarım turu (NS), istenen indüktansa göre (6)’dan hesaplanan ya da doğrudan kullanıcı tarafından

verilen bir değerdir. Bu parametre için (7) geçerlidir. = (7)

Yükleme turu (NY) , sarım tur sayısı ve kullanılan yükleme çarkının ve telin geometrik özelliklerine

bağlı olarak değişen bir parametredir. İdeal olmayan yükleme şartları düşünülerek yeterli yükleme

turu, U (8)’de verildiği gibi, bir sarımın çevre uzunluğu olmak üzere (9)’daki gibi hesaplanabilir. = 2 (8)

! " (9)

Tur açısı (Ɵ), Şekil 1’de gösterilen yöntem üzerinden Şekil 2’de gösterilen geometriye geçilerek

(10) ile elde edilir.

Şekil 1. Teller arasındaki, merkeze göre açı Şekil 2. Şekil 1’deki açının geometrik gösterimi

# 2 tan' () * (10)

4. SİSTEM YAPISI


80

4.1 Platform

Platformu oluşturan mekanik bileşenler:

Çark : Sarımı yapılacak telin yüklendiği ve yükün kora sarıldığı üç kanallı polimer disk

Makara : Çarkı merkezleyen silindirik polimer

Gövde : Çark, makaralar ve sarım motorunun bağlı olduğu geometrik sınırları içine koru

alabilen plaka

Mengene : Sarılacak koru yatayda merkezleyen raylı mekanizma

Platformu oluşturan elektrik ve elektronik bileşenler:

Sarım Motoru : 12 V DC Motor

Tur Sensörü : Sarım sayısını kontrol eden magnet sensör

Çevrim Motoru : Sarılacak koru merkezindeki düşey eksen etrafında çeviren step motor

Konum Sensörü : Korun konumunu kontrol eden sensör

İşlemci : ARDUINO UNO geliştirme kartı

Platformun üç boyutlu montajlı modeli Şekil 4’te verilmiştir.

Şekil 4. Platformun montajlı modelinde mekanik bileşenlerin görünümü

4.2 Kontrol

Çalışma prensibi: Sarım makinasının çalışma prensibi şematik olarak Şekil 5’te gösterilmiştir.

Gövde

Makara

Çark

Mengene


81

Şekil 5. Sistemin şematik gösterimi

Hız kontrolü: Motor ile verilen harekette çarkın hızı, dolayısıyla sarım ve yüklemenin hızıyla ilgili

sistem dinamiği hesabının sonucu (11)’de verilmiştir. #+, = (( 1-. /012 34012-.0125 * 67 *, (11)

Ka motor sabiti, imot, Vmot ve rmot sırasıyla motora verilen akım, voltaj değerleri ve motor şaftına bağlı

makaranın yarıçapıdır. b, gövdedeki makaralarda kullanılan rulmanlardaki sönümleme katsayısı, rb ise

bu makaraların çarkla temas eden dış yarıçapıdır. t zaman değişkeni ve ƟL çarkın belirli bir eksene

göre düşeydeki açısal konumudur. J de çarkta yüklü bulunan telle beraber çarkın polar atalet

momentidir, dolayısıyla sarım ve yükleme boyunca değişkendir. Ancak çarkın fiziki şartları gereği

maksimum tel kapasitesi dolayısıyla polar atalet momentindeki değişim hesaplamalarda ihmal

edilmiştir.

Korun konum kontrolü: Kora hareket veren mekanizmanın tek başına korun hareketini takip

edebileceği veya dış etkilerin payını tolere edebileceği bir yapısı bulunmamaktadır. Bu korun

yüzeyinden tahrik alan bir dönel hareket sensörü kullanarak sağlanabilir. Bu mekanizma bir sonraki

prototipte uygulanacaktır. Manyetik kodlayıcı veya şanzımanlı potansiyometre kullanarak korun

hareketi işlemciye geri bildirim olarak verilir. Bu geri bildirimi değerlendiren işlemci çevrim

mekanizması ile beraber kapalı bir döngüyü oluşturur. Elde edilen bu kapalı döngü Ziegler-Nichols

metodunun sürekli titreşim yöntemi ile PID kontrol ayarı yapılarak kullanılır.

Ziegler–Nichols metoduna göre sadece orantı bileşeni aktive edilip, integral zamanı sonsuza, türev

zamanı sıfıra ayarlanarak, basamak fonksiyonu uygulandığında sürekli titreşimin elde edildiği KP


82

değeri KU (maksimum kazanç) olarak, bu titreşimin periyodu ise PU olarak belirlenir. Belirlenen bu

maksimum kazanç ve periyod üzerinden diğer bileşenler Ziegler – Nichols metodundaki korelasyona

göre hesaplanır. KP, Ki ve Kd sırasıyla orantı, integral ve türev çarpanı; KU ve PU sırasıyla maksimum

kazanç ve bu kazançtaki salınım periyodu olmak üzere, PID kontrolünün kullanılacağı bir sistem için

bileşenlerin eşitlikleri (12) ,(13) ve (14)’te verilmiştir.[15]

-8 = 0.6-: (12)

-; 2-8<: (13)

-= -8<:8 (14)

4.3 Kullanıcı Arayüzü

Sistem, kullanıcı ile bütün iletişimi sağlayan ve girdi parametrelerini hesaplayan, C# üzerine yazılmış

bir GUI programı ile bir arayüze sahiptir. (6)’da verilen terimler ve platformun sahip olduğu

parametreler doğrultusunda (7), (9) ve (10)‘da belirtilen işlemleri gerçekleştiren program sistemin

çalışması için gerekli olan üç girdiyi sağlar. İşlemci ile haberleşerek bu değerleri işlemciye aktarır ve

bu haberleşmeyi çalışma boyunca sürdürerek çıktıları kullanıcıya bildirir. Sarım öncesinde, sarım ile

yükleme arasında ve yükleme sonrasında kullanıcıya sistemi manuel kontrol etme imkânı sunar.

Arayüzün görünümü Şekil 3’te verilmiştir.

Şekil 3. Kullanılan arayüz programı ekran görüntüsü


83

4.4 Fiziki Kısıtlar

Sarım makinasının çalışabileceği koşulları, büyük oranda fiziki kısıtlar belirlemektedir. Fiziki

altyapının değiştirilmesiyle birlikte bu kısıtlar da değiştirilebilmekte ve daha geniş aralıkta özelliğe

sahip ürün çıkarılabilmektedir. Bu değişkenlikten ötürü kısıtlar, parametrik olarak (15),(16),(17),(18)

ve (19)’da verilmiştir.

Minimum kor iç çapı (a) : ? ," @ 2A (15)

Maksimum kor genişliği (b-a) :

B;C 2A (16)

Maksimum kor yüksekliği (h) : h B hE 2A (17)

Maksimum tel çapı (dW) : dA B ,E (18)

Maksimum toplam sarım uzunluğu (LT) :

G B H I(J ,+AK*;C @ 2" @ A2/ 1LMNO/=QR;S'

(19)

Yukarıda belirtilen terimler Şekil 6’daki çizim üzerinde parametrik ölçülerle gösterilmiştir.

din : Çark iç çapı

dW : Tel çapı

hG : Kapak yüksekliği

hL : Yük haznesi yüksekliği

tL : Yük haznesi genişliği

hC : Yük haznesi et kalınlığı

tC : Çark genişliği

tG : Tel salınan boşluğun genişliği

Şekil 6: Çarkın yüklük bölümünün çizimi


84

5. ÜRETİM SÜREÇLERİ

5.1 İmalat ve Malzeme Seçimi

Sistemin üretiminde, işlevinin önemine göre, farklı parçalarda farklı sayıda prototip üretimi

gerçekleştirilmi ştir.

Yüklemenin ve sarımın yapıldığı sarım ünitesinin parçaları sırasıyla çark, makaralar, gövde ve DC

Motordan oluşmaktadır. En kritik öneme sahip çark ilk etapta MDF malzemeden kesilerek elde

edilmiş bunun yetersizliği ve kullanışsızlığından ötürü Kestamid malzeme ile torna tezgahında

yeniden imal edilmiştir ve halen bu prototip kullanılmaktadır.

Çarkın gövde üzerine sabitlenmesi ve merkezlenmesinde yeteri kadar hassas ölçülere sahip parçalar

kullanılmalıdır, aksi takdirde verimli ve kullanılabilir bir tasarımın dışına çıkılmış olur. Bu yüzden bu

sabitleme işlemini sağlıklı bir şekilde gerçekleştirmek adına makaralar Teflon malzemeden torna

tezgâhında elde edilmiştir. Çarkın merkezlenmesi noktasında ise gövdenin üzerindeki deliklerin ve

kanalların birbirine ve parçanın esas geometrisine göre konumu kritik bir öneme sahiptir. İlk etapta

MDF parçadan el ile imal edilen bu parça her ne kadar makinenin çalışmasına imkân tanısa da ikinci

ve daha hassas imal edilmiş bir parçaya ihtiyaç duyulmuştur. Bu yüzden MDF malzemeden CNC freze

tezgâhında yeniden imal edilmiştir.

Sarılacak korun çevrimini sağlayarak toroidal bobin şeklini almasını sağlayan çevrim ünitesinin

elemanları da benzer aşamalardan geçmiştir. Halen kullanılan ilk prototipte diğer parçalara oranla daha

detaylı bir tasarım söz konusu olup, esas parçanın imalatı yine MDF malzemeden elle yapılmıştır.

Mengene iki kolunda rulman yataklı miller, üçüncü kolunda ise korun çevrimini sağlayan step motor

bulunmaktadır. Tüm kollar ray görevi görecek lineer sistemi oluşturmak maksatlı tijler ve somunlar

içermektedir. Bu kısım makinanın çalışması için gerekli şartları sağlasa da verimi ve kullanışlılığı

iyileştirmek adına farklı malzemelerle yeniden imal edilecektir. Hali hazırda bulunan ilk prototipe ait

bir görünüm Şekil 7’de verilmiştir.


85

Şekil 7. İlk prototipe ait bir görüntü

Tüm parçaların üretiminde dayanımlar göz önünde bulundurularak imalat yapılmıştır. En fazla yüke

maruz kalan gövde için gerekli dayanım değerleri hesaplanmış ve buna göre malzeme temin edilmiştir.

5.2 Elektrik ve Elektronik Bile şenlerin Seçimi

Sistemin işlemcisi olarak ilk etapta düşük maliyetlerinden ötürü PIC işlemciler seçilmiş ve sistem ilk

denemelerde bu şekilde çalıştırılmıştır. Ancak devrede meydana gelen bir hasar sebebiyle çalışmaları

hızlandırmak adına Arduino Uno geliştirme kartı kullanılmaya başlanmıştır.

Motorların hareketi için gerekli komutlar ilk denemelerde küçük sürücülerle verilmiş ardından yeterli

torku elde etmek adına DC Motor için 1 A, step motor içinse 500 mA‘lik sürücüler ile bu şartlarda

çalışabilecek bir güç kaynağı temin edilmiş ve elektronik kart bu değişikliklere göre yeniden

tasarlanmıştır.

Sensörlerde ise ilk denemelerde konum sensörü kullanılmazken, tur sensörü olarak dijital geri bildirim

sağlayan lazer-LDR ikilisi kullanılmıştır. Daha hassas geri bildirim elde etmek ve daha kaliteli bir

ürün elde etmek adına tur sensörü “magnet rotary encoder” ile değiştirilip ve korun hareketini kontrol

eden konum sensörü sisteme eklenecektir.

6. SONUÇLAR

Bu çalışmada tek katmanlı, açısız sarımlı toroidal bobin imalatını, zaman ve bütçe açısından ucuz bir

şekilde gerçekleştirebilecek bir sarım makinası üretilmiş ve gerekli parametreler farklı imalat

ihtiyaçlarına göre esnek bir şekilde açıklanarak sunulmuştur. Çalışma boyunca tasarım süreçleri doğal


86

olarak takip edilmiştir. Kavramsal tasarım aşamasında mekanik olarak uygulanabilirlik iç içe geçen

çembersel geometrilerle sağlanmıştır. Sistem düzeyi tasarım esnasında, benzerleri incelenmiş ve taslak

çizimler meydana gelmiştir. Detaylı tasarım aşamasında teknik çizimlerle beraber üretime geçilmiştir.

Tasarlanan ve üretilen mevcut parçalar ilk etapta, manuel tezgâhlarda veya insan eliyle imal edilmiştir.

Bunun oluşturduğu zorluklar nedeniyle ilk ürünlerde, yüksek gerilim nedeniyle kopmalar veya

kitlenmeler gerçekleşmiştir. CNC gibi daha gelişmiş imkânların kullanılması ve daha çok parçanın

tezgâhlarda imal edilmesiyle beraber bu problemler aşılmış ve ilk sağlıklı ürün elde edilmiştir. Hali

hazırda gerginlik ayarı, yeterli olmamakla beraber kullanıma elverişlidir. Konum kontrolü sayesinde

daha düzenli aralıklarda sarımlar elde edilecektir.

Mevcut ölçülerle fiziki kısıtları, minimum 56 mm iç çapı, maksimum kor genişliği 65 mm, maksimum

kor yüksekliği 45 mm, maksimum tel çapı 4 mm olacak şekilde bir sarım makinası elde edilmiştir. İlk

prototipte kullanılan, Kestamid malzemeden yapılan ikinci çark prototipi eş zamanlı hareket eden iki

çarktan oluşuyordu. Bunun getirisi olarak sarım esnasında telde yüksek tansiyon ve kopmalar

gözlenmiş ayrıca yine bu yüksek tansiyon sebebi ile sarım esnasında mengenenin mengenenin kor

üzerindeki kontrolünün zayıfladığı gözlenmiştir. Yapılan denemeler esnasında alınan ölçümlerle aynı

tek katmanlı bobinin, ortalama bir elle sarım süresi ile en kötü durumda makinede sarım süresi

kıyaslandığında, makine ile yaklaşık 8 kat daha hızlı sarım yapılabileceği tespit edilmiştir. Sarımların

özdeş olmasına karşılık bu aşamada aynı kalitede sarım elde edilememiştir. Yapılacak tansiyon

aparatı, konum kontrol mekanizması gibi eklemelerle mevcut kalite yakalanacak hatta bu kalitenin

üzerine çıkılacaktır. Dolayısıyla bir sonraki prototip için bu eklemeler uygun görülmüştür.

İleriye yönelik çalışmalarda, ideal koşullar düşünülerek yapılan hesaplama ve tasarımların daha

gerçekçi olabilmesi açısından, tel düzenleyici mekanizma gibi bazı değişiklikler yapılabilir. Çok

katmanlı, açılı bobin sarımı, gerçekleştirebilecek bir platform eklenerek, ürünün kullanım özellikleri

çeşitlendirilebilir. Tansiyon sistemi geliştirilerek kaliteli ürün elde edilebilir. Manyetik geçirgenlik

katsayısı girdisi ile sarım gerçekleştirilebilirdi; ancak sistemde indüktansla ilgili bir geri bildirim

bulunmadığı için bu yol tercih edilmedi. Bu geri bildirim mekanizması eklenerek istenen özellikteki

ürün net bir şekilde elde edilebilir.

TEŞEKKÜR

Çalışmanın başından beri desteğini esirgemeyen Prof. Dr. Nuri DURLU ve Doç. Dr. Yiğit

TAŞÇIOĞLU ’na, teknik desteğini tüm aşamalarda çekinmeden sunan Hasan YILMAZ’ a ve Fahri


87

ÇETİNKAYA’ ya, maddi manevi her türlü desteklerinden ötürü Ahmet & Ümmü Gülsüm

AHRAZOĞLU ‘na teşekkür borç bilinmiştir.

KAYNAKÇA

[1] http://www.digikey.com/en/articles/techzone/2012/aug/accurate-power-measurement-in-

smart-meters-part-2-specifying-components (Ziyaret tarihi : 16.04.2015)

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Rogowski_coil (Ziyaret tarihi : 16.04.2015)

[3] Gardner, M. "Mathematical Games: On the Remarkable Császár Polyhedron and Its

Applications in Problem Solving." Sci. Amer. 232, 102-107, May 1975.

[4] Fahrbach, R. “Toroidal coil-winding machine for deflection yoke coils for television picture

tubes and the like” , USPTO, US3559899, 24 Feb 1969.

[5] D.Harder, “Machine for winding toroidal coils”, USPTO, US2672297, 16 Nov 1949.

[6] S. Harrison, “Toroidal coupled telemetry apparatus”, USPTO, EP0070319 A1, 26 Jan 1983.

[7] Yiming, H, Zhupei, S, Yong S, Billy W. “Magnetic head with a toroidal coil encompassing

only one yoke layer”, USPTO, US 6275354 B1, 21 Jan 1998.

[8] B. Clark , S. Bonner, J. Jundt, M. Luling, “Well logging apparatus having toroidal induction

antenna for measuring, while drilling, resistivity of earth formations” USPTO, US5235285, 31 Oct

1991.

[9] R. Carbunaru, D.M.Durand, “Toroidal coil models for transcutaneous magnetic simulation of

nerves”, Biomedical Engineering, IEEE Transactions on (Volume:48 , Issue: 4 ), Nisan 2001.

[10] J Cooper, “On the high-frequency response of a Rogowski coil”, Journal of Nuclear Energy,

Part C Plasma Physics 5 285 doi: 10.1088/0368-3281/5/5/302, 1963.

[11] K. Tani, M. Azumi, H. Kishimoto, S. Tamura, Effect of Toroidal Field Ripple on Fast Ion

Behavior in a Tokamak, Journal of the Physical Society of Japan, 50, pp. 1726-1737 (1981)

[12] http://phy214uhart.wikispaces.com/Magnetic+Fields+Due+To+Currents (Ziyaret tarihi :

16.04.2015)

[13] http://en.wikipedia.org/wiki/Permeability_(electromagnetism) (Ziyaret tarihi : 16.04.2015)

[14] Terman, E. Frederick, Radio Engineers Handbook, McGraw-Hill, New York, 1943, p58.

[15] Ziegler, J.G and Nichols, N. B. (1942). "Optimum settings for automatic controllers" (PDF).

Transactions of the ASME 64. pp. 759–768.


88

JOYSTİCK KONTROLLÜ J İMMY J İB TASARIMI VE PROTOT İPİ

Elvin M İÇOOĞULLARI , [email protected] Karabük Üniversitesi, 78050, Karabük

Onur AKSOY , [email protected] Karabük Üniversitesi, 78050, Karabük

Doç. Dr. Birhan IŞIK , [email protected] Karabük Üniversitesi, 78050, Karabük

ÖZET

Bu çalışmada joystick kontrollü jimmy jib tasarımı ve prototipi gerçekleştirilmi ştir. Jimmy jib kontrol

paneli üzerinde bulunan joysticklerle motorlara gönderilen bilgiyle istenilen açılarla dönme hareketi

yaptırılmıştır. Sistemin daha stabil ve dengeli çalışması için Jimmy jib üzerine rulmanlar

yerleştirilerek motorlara düşen yükün azaltılması planlanmıştır. Ayrıca motor gücünü direkt olarak

değil, dişli zincir yardımıyla vererek sistemin hassasiyeti arttırılmıştır. Jimmy Jib mekanizmasının

hareketli olması ve istenilen yerlere gidebilmesi için gövde tekerlekli olarak yapılmıştır.

Anahtar Sözcükler: Arduino, Jimmy Jib, joystick kontrol

ABSTRACT

In this study, the joystick -controlled jimmy jib design and prototype were carried out. Jimmy jib

rotation of the control panel with the desired angle with the joystick on the submitted information to

the engine is provided. The system more stable and balanced work of the engine bearings placed on

the Jimmy jib is planned to reduce the falling load. In addition, the engine power is not as direct, the

sensitivity of the system is enhanced by the help of the gear chain. Jimmy Jib is moving mechanism of

the body and is made wheelchair to go to the desired location.

Keywords: Arduino, Jimmy Jib, joystick kontrol


89

1. GİRİŞ

Jimmy Jib, kameranın sağa-sola ve aynı zamanda 360° kendi ekseni etrafında dönerek değişik efektler

elde edilmesini sağlayan, her yöne dönebilen tekerlekleriyle bozuk zeminde dahi yer değiştirmelerde

çekim kalitesini bozmayacak, titreşime sebebiyet vermeyecek, hareketlerin sertliği ve yumuşaklığını

istediğimiz gibi ayarlayabileceğimiz bir teknolojiyi kullanımımıza sunmaktadır. Çekim esnasında

görsel efekt yaratmayı amaçlayan sistem elektronik kumandalı kamera vinç sisteminin benzeridir

[1-2]. Jimmy Jib sisteme bağlı kontrol paneli olan ve üzerinde kamera bulunan, motorların

hareketlerine bağlı olarak herhangi bir pozisyona getirilebilen bir sistemdir. [3-5].

Bu çalışmada, Jimmy Jib tasarımı yapılmış ve sistemin uzaktan kumanda kontrolü sağlanmıştır. Bu

sayede kişinin Jimmy Jib başında durmasına gerek kalmadan uzaktan kumanda ile hareketi sağlanmış

ve görüntü alınmıştır. Sistem tasarımı gerçekleştirilirken özellikle mekanik sisteme önem verilmiştir.

Mekanik sistem ne kadar stabil olursa o kadar dengeli ve düzgün çalışacağından bunun üzerine

motorları düz dişliler yardımıyla daha hassas ve gerekli yerlere rulmanlar yerleştirilerek sistemin

bütün yükünü motorların üzerine bırakılmamıştır. Yani kısaca sistemi özetlemek gerekirse sistem

tasarımı yapılırken mekanik parçaların birbiri ile uyumu göz önüne alınarak ona göre uygun

alüminyum malzemeler, yataklı rulmanlar, zincir dişliler, redüktörlü motorlar tercih edilmiştir.

2. SİSTEM TASARIMI VE PROTOT İPİ

2.1. Tasarım

Gerçekleştirilecek proje için SolidWorks programında bir tasarım yapılıp, bu tasarım üzerinden

gidilerek projede kullanılacak elektronik malzemelerin özellikleri belirlenmiştir (Şekil 2). Tasarım

aşamasında piyasada kullanılan Jimmy Jib’lerde farklı olarak 4 adet DC redüktörlü motor kullanılmış

ve bu motorların kontrolleri Joystick ile gerçekleştirilmi ştir. Sistemlerin gerekli yerlerine dişliler ve

rulmanlar yerleştirilmi ştir.

Şekil 1. Tasarlanan Jimmy Jib


90

2.2. Donamım

Gerçekleştirilen projede DC motor, Arduino mega, DC motor sürücü kartı, iki eksenli joystick, güç

kaynağı, kontrol paneli, kamera, rulmanlar, dişliler, zincir, gergi halatı, dambıllar, tekerlekler, tripod

ayağı, alüminyum yuvarlak profiller, alüminyum levha profiller ve montaj içi gerekli aksesuarlar

kullanılmıştır.

2.2.1.Arduino Mega

Arduino, Processing/Wiring dilini kullanarak çevre elemanları ile temel giriş çıkış uygulamalarını

gerçekleştiren açık kaynaklı fiziksel programlama platformudur. Arduino ile bağımsız olarak interaktif

uygulamalar gerçekleştirilebilir. Aynı zamanda Arduinoyu bilgisayar ile Flash, Processing, MaxMSP,

C Sharp gibi birçok yazılım üzerinden haberleştirerek de kullanabilir.

Tablo 1. Kontrol kartının teknik özellikleri

Mikroişlemci ATmega1280

Çalışma Gerilimi 5V

Giriş Gerilimi (önerilir) 7-12V

Giriş Gerilimi (limitler) 6-20V

Dijital I / O Pimleri 54 (ki 15 PWM çıkışı sağlayan)

Analog Giriş Pins 16

I / O Pin başına DC Akım 40 mA

3.3V Pin için DC Akım 50 mA

Flaş Bellek 4 KB bootloader tarafından kullanılan hangi 128 KB

SRAM 8 KB

EEPROM 4 KB

Saat Hız 16 MHz


91

Şekil 2. Arduino Mega

2.2.2. DC Motor

Sistemin ve kameranın hareketini sağa-sola, ileri-geri gerçekleştirmek için kullanılmıştır. Yüksek

dönüş hızlarını makineler için gerekli olan dönüş hızlarına düşürmek için kullanılır. DC motorlar

piyasa da farklı çalışma voltajına ve rpm değerlerine sahip redüktörlü ya da redüktörsüz pek çok

çeşitte bulunabilmektedir. DC motorların pwm ayarı ile hız kontrolleri yapılabilir (Şekil 3).

Şekil 3. DC Redüktörlü Motor

2.2.3.DC Motor Sürücü Kartı

Bu motor sürücü kartı, Dagu tarafından Rover 5 platformu için özel üretilmiş, 4 eksenli sistemler için

de idealdir. Dört motor çıkışı, dört girişi ve tüm motorlar için akım hassasiyeti, dört yönlü hareket için

gerekli bütün ihtiyacınızı bu motor sürücü ile yapılabilir. Motor sürücüsü ile motorların yünü için lojik

0 ya da lojik 1 ve PWM sinyali için hız pini ile kontrolünü çok rahat yapabileceksiniz. Bu yol ile dört

motoru ayrı bir şekilde kontrolünü 8 GPIO pin bağlantısı ile sağlanabilir.

Akım sensörü sayesinde çıkış okuma kolaylığı ve motorlardan herhangi bir anda zorlanma olması

durumunda acil müdahale edilmesi istenmiştir. Bu durumda yapılan algoritmaya göre motorların

koruması sağlanmıştır. Kartta iki güç bağlantı ucu vardır. Biri 5V, sinyal uçları ve 12 V, diğer güç

bağlantısı motorlar için düşünülmüştür (Şekil 4).


92

Şekil 4. DC Motor Sürücü Kartı

Kontrol kartı; 4 x düşük direnç fet "h" köprüleri, her kanal 4a stall akım, kullanımı kolay kontrol

lojik, her kanal için akım izleme ,enkoder sinyal birleştirici devresi gibi özellikler mevcuttur.

2.2.4.İki Eksenli Joystick

İki eksenli bu joystick çeşitli robotik projelerde, kumandalarda ve kontrol sistemlerinde kullanılan bir

karttır. X ve Y ekseni olmak üzere iki eksende analog çıkış verir. Bununla birlikte joystick'in ortasında

bir adet de buton bulunmaktadır (Şekil 5).Tablo 2 . İki Eksenli Joystick teknik özellikleri verilmiştir.

Şekil 5.İki Eksenli Joystick

Tablo 2. İki Eksenli Joystick teknik özellikleri

Özellikler Açıklama

Joystick Eksen Hareketi (X,Y Ekseni) Merkezden 220° Tam Hareket

Potansiyometre Direnç Değerleri 5KΩ veya 10KΩ (220°)

Rezistans Toleransı ±%20

Bağımsız Doğrusallık ±%1

Mekanik Kullanım Süresi 0,5x10⁶ Çalışma Torku X Ekseni: 90gf, Y Ekseni: 250 gf, Z Ekseni: 330 gf

Çıkış Hassasiyeti Maksimum % 0,5


93

2.2.5.Güç Kaynağı

Güç kaynağı bir sistem ya da düzeneğin gereksinim duyduğu enerjiyi sağlamak için kullanılan

birimlerin genel adıdır. Güç kaynağı genellikle bilgisayar içerisinde metal bir kasaya yerleştirilen,

içinde transformatör veya elektronik devreler bulunan, farklı gerilim değerlerinde doğru akım sağlayan

donanımdır. Güç kaynağının çıkışlarından iki ayrı 12V çıkış gerilimi alınarak arduino ve dc motor

sürücü kartı beslemesi yapılmıştır (Şekil 6). Tablo 3 Güç kaynağın teknik özellikleri verilmiştir

Şekil 6. Güç Kaynağı

Tablo 3. Güç kaynağın teknik özellikleri

Özellikler 25 W

Giriş Gerilimi 85-264 vac

Çıkış Gerilimi 12 V

Çıkış Akımı 2,1 A

Aşırı Akım Koruma %105 – %150

Aşırı Gerilim Koruma %115 – %135

Çalışma Sıcaklığı -10 C ---- +80 C (%80)

Güvenlik Standartları UL1012,TUV EN60950-1

Emc Standartları EN55022 classB,EN61000

Bağlantı Klemensler

Ağırlık 0,4 kg

Boyutlar 99x97x36 mm


94

2.2.7.Zincir Dişliler

Birçoğumuzun çocukken tanışmış olduğu ilk mekanizma bisiklet pedalından arka tekere hareketi

aktaran zincir dişliler olmuştur. Eksenler arası mesafenin uzun olduğu ve aynı düzlemde dönme

hareketin aktarılması gereken yerlerde zincir dişliler kullanılır. Zincir dişlilere yüksek tork

uygulanabilir ancak yüksek devirlerde kullanılamazlar ve çok gürültülüdürler. Bunların bir diğer

dezavantajı gevşek tarafta zincirin sarkmasıdır. Sarkmayı gidermek için genellikle gerdirme

dişlileri kullanılır (Şekil 7).

Şekil 7.Dişli Zincir Sistemi

Sistemin daha stabil bir şekilde çalışması hız kontrolü yapılırken hassasiyetin iyi olması ve motorun

gücünü direk vermektense dişliler yardımıyla vermek sistem tarafından daha elverişli olmuştur.

2.2.8.Yataklı Rulmanlar

Yatak ve bombeli rulmanların birleşmesinden oluşan bu üniteler kullanılacağı yere takılmaya hazır

olarak tasarlanmıştır. Tüm çalışma koşullarında doğru çalışmanın ve çalışma güvenliğinin

sağlanabilmesi için yatak ve rulmanlar birbirileriyle uyumlu şekilde eşleştirilmi ştir. Yataklı rulmanlar,

içindeki rulmanın küresel dış bileziği ve küresel yatak yuvası sayesinde mildeki eksensel kaçıklıkları

dengeleme özelliğine sahiptir (Şekil 8).

Şekil 8. Yataklı rulman montajı


95

Sistemimizde özellikle yataklı rulman seçmemizin sebebi hem montajı kolay olduğu hem de daha

dengeli olduğu içindir. Sistem birçok noktaya yataklı rulman koyarak sistemin daha dengeli olması ve

motorlara düşen yükleri azaltmış olduk. Bu tür rulmanlar montajda kolaylık sağlayabildiği için, iş

yükünün hafiflemesine ve zamandan kar edilmesine vesile olur. Rulman takıp çıkarılmasının,

bakımının zor oluğu yerlerde tercih edilir.

Rulman yatak özellikleri

• Oynaklık

• Sızdırmazlık

• Kolay montaj ve demontaj

• Yabancı ürünler ile uyumluluk

• Rulman yataklarının yüksek güvenilirlik ve kolay kullanım avantajı

• Dış bilezikte dönmeyi engelleyecek pim

• Setskur için yuva

2.2.9. Diğer Elemanlar

Gergi halatı, tekerlekler, dambıllar, kare alüminyum profil, silindir alüminyum profil projenin montajı

için kullanılan donanımlardır [6-7].

Tablo.4. Montajda kullanılan mekanik aksamlar

Parça Adı Standart Açıklama

Rulman UCFL 204 Badem Tipi Yataklı Rulman

Rulman UCF 204 Kare Tipi 4 Delikli Yataklı Rulman

Alüminyum Yuvarlak Profil AA2021 30x30 mm Ebat

Alüminyum Levha Profil AA2021 40x60 mm Ebat

Alüminyum Saç AA2021 300x300 mm

Zincir Dişliler DIN 8187 3/8 - 1/2 Standart Zincir Dişliler

Tekerlek 3012 SLB 100 F3 Tekerlek

Çelik halat EN 12385 3m boy

3. SİSTEM KONTROLÜ


96

Mekanik kısmından hariç elektronik kısmını tasarlarken de mikrodenetleyici, motor, motor kontrol

ünitesi, joystick ve güç kaynağından oluşan Jimmy Jib sisteminin blok diyagramı Şekil 9’de

görülmektedir.

Şekil 9. Sistemin Çalışma Düzeni

Sistemimizin yazılımını yaparken arduino üzerinden C programlama dilinden kodlama yapılmıştır.

Sistemin blok şemasında gösterildiği gibi joysticklerden gelen bilgilere göre microdenetleyici bilgiyi

işleyip motor sürücü kartı üzerinden motorların yönüne karar vermektedir. Kartın üzerindeki akım

sensörü yardımıyla motorlar üzerinde zorlanma olabilme ihtimaline karşı motorlara gerekli bilgileri

yollamaktadır. Bu sayede motorlar istenilen doğrultuda hareket ettirilebilir (Şekil 10).

Şekil 10.Arduino yazılımı


97

Kontrol panelinde bulunan 1.joystick kamera hareketleri için kullanılmaktadır.1.motorun hareketi ile

kamera sağa sola hareket etmektedir. 2.motor hareketi ile kamera aşağı yukarı hareket etmektedir 2.

joystick ise Jimmy jib mekanizması için kullanılmaktadır. 3.motor hareketi ile Jimmy jib mekanizması

aşağı yukarı hareket ederken ve 4. Motor hareketi ile de kendi ekseni etrafında sağ sola hareket

etmektedir (Şekil 11).

Şekil 11. Jimmy Jib mekanizmasının çalışır durumu

3. SONUÇLAR

Gerçekleştirdiğimiz bu proje ile Jimmy jib tasarımı yapılmış olup joystick kontrolü

sağlanmıştır.Günlük hayatta manüel kontrol edilen Jimmy jibin uzak tan kumandalı kontrol paneli ile

joystick kontrolü sağlanmıştır.Jimmy jibin ve kameranın hareketi sağlanmış olup net görüntü

alınmıştır.Sistemin daha dengeli ve hassas bir şekilde çalışabilmesi için Jimmy jibin eklem yerlerine

rulmanlar kullanılarak motorların üzerine düşen yük azaltılmıştır. Dişli ve zincir yardımı ile motorun

gücü direk verilmeyip hassasiyet ayarı yapılarak sistemin daha düzgün çalışması sağlanmıştır. Jimmy

jib ömür hesabı olarak düzenli periyotlarda bakımları yapılıp temizlenirse 3 yıl gibi süre sorunsuz

çalışır.


98

KAYNAKLAR

[1] http://tr.wikipedia.org/wiki/Jimmy_Jib

[2] http://www.kapro.com.tr/kategori/tripod-jib/cammate/

[3] http://www.jimmyjib.com/Manuals/TriangleStandard4C.pdf

[4] http://www.jimmyjib.com/Manuals/MiniHead.pdf

[5] http://pacificmotion.net/downloads/Talon_Manual_9-12-2012.pdf

[6] http://www.avkom.com/roamer-jib-jimmy-jib-cv-support

[7] http://www.kapro.com.tr/kategori/tripod-jib/cartoni-tripod/cartoni-jib/


99

NFC KONTROLLÜ YATAKLAMALI GARAJ KAPISI

İbrahim SAT, [email protected] ,Karabük Üniversitesi, 78050, Karabük


ÖZET

Bu çalışmada , Avrupa da sıkça kullanılan NFC (Yakın Alan İletişimi) Kontrollü Elektronik Kilitleri

Türkiye’de de kullanımını artırmak amacıyla estetik ve güvenli bir kilit sistemi oluşturulmuştur.

Örnek uygulama olarak, yataklamalı garaj kapısı (Amerikan tipi) tasarlanarak ve sistemin kontrolü

NFC özellikli akıllı telefon ile gerçekleştirilmi ştir. Burada sistem iletişiminin NFC ile kontrol

edilmesindeki amaç , NFC’ nin diğer Bluetooth ve Zigbee vb. gibi kablosuz ağlara göre daha güvenli

bilgi iletişiminin sağlanmasıdır. Geliştirilen güvenli bir android uygulama sayesinde kişiye özel

kullanıcı girişi oluşturulmuştur. Garaj kapısına ait elektronik kilit ilavesi ile telefon elektronik kilite

yaklaştırılarak kapının açma/kapama kontrolü gerçekleştirilmi ştir.

Anahtar Sözcükler: NFC (Yakın Alan İletişimi) , Elektronik Kilit Sistemleri, NFC Kontrollü

Elektronik Kapı Kilitleri

ABSTRACT

In this study, NFC (Near Field Communication) Controlled Electronic Locks ,widely used in Europe

was formed a lock system , esthetics and secutiry in order to increase the usage of NFC in Turkey. As

an example application, designed bushings garage door (American type) and systems control carried

out with NFC-enabled smart phones. The objective in controlling communication with the NFC

system is that NFC provides more secure data communication according to other the wireless network

as Bluetooth and Zigbee, etc. Android application developed through a secure personalized user input

is formed. Electronic door lock with zooming on phone with the addition of electronic lock of the

garage door open / close control is performed.

Keywords: NFC (Near Field Communication), Electronic Lock Systems, NFC Controlled Electronic

Door Locks


100

1. GİRİŞ

Günümüzde bilgi teknolojilerinin, özellikle temassız akıllı kartlar ve mobil iletişim teknolojilerinin,

hızlı gelişimine ve benimsenmesine yönelik artan bir ilgi söz konusudur. Yakın Saha İletişimi (NFC)

teknolojiside IT sektöründe gelecek vaadeden teknolojik gelişmelerden ve aynı zamanda önemli

araştırma alanlarından biri olmuştur. NFC teknolojisi kısa menzilli, yüksek frekanslı, düşük bant

genişliğine sahip ve Radyo Frekanslı Tanımlama (RFID) teknolojisine dayanan kablosuz bir iletişim

teknolojisidir. NFC teknolojisi insanların çevresiyle olan etkileşimini basitleştirmekle beraber güvence

altına almayı hedefler [1]. NFC Teknolojisinin bu özelliği sayesinde bir çok alanda (bilet

uygulamaları, ödeme işlemleri, tanıtım-reklam vb.) kullanılmıştır.

Çeşitli ev, büro ve sistem giriş ve çıkışların kontrolünde kullanılan elektronik kilit sistemlerini,

yüksek kalite ve güvenirlikli , kullanımı kolay, çağın teknolojisi ile paralel giden güvenli uygulamalar

sunmak amacıyla temassız haberleşme, dijital, mobil teknolojiler ile temassız kilit sistemleri

üretilmiştir [2]. Temassız teknolojilerin birkaç yıldır bir çok alanda kullanımının artmasıyla yeni

inovatif düşünceler gerçekleştirilerek Avrupa firmaları tarafından NFC kontrollü elektronik kilit

sistemleri gerçekleştirilmi ştir. NFC teknolojisinin Toplu Ulaşım sektöründe mobil bilet, akıllı

posterler, temassız okuyucu gibi daha önce gerçekleştirilmi ş alanların yanı sıra elektronik kilit

sistemlerinde de kullanıcıların taleplerini cezbederek kullanıcılara daha lüks ve güvenli bir kilit sistemi

sağlayacaktır.

Bu çalışmada, NFC teknolojisinin daha iyi anlaşılması , öneminin gösterilmesi ve kullanımında farklı

bakış açısı ortaya koyarak bu teknolojinin geliştirilmesi en önemlisi bu teknolojiyi Türkiye’de

kullanımını sağlayarak Avrupa firmalarıyla bu alanda yarışa dahil olmaktır. Gerçekleştirilen bu NFC

Kontrollü Kilit Sistemi proje çalışması sayesinde ev ,büro vb. çeşitli kilit sistemlerinin kolay ve daha

güvenirlikli olmasını sağlayıp ,en önemlisi olan fazla anahtar kullanımını ortadan kaldırmıştır. Akıllı

Kart ile cep telefonları birleştirilerek, cep telefonu NFC okuyucuya yaklaştırıldığında Akıllı Kart gibi

davranarak güvenli ve kolay kilit açma imkanı sağlar.

2. SİSTEM TASARIMI

2.1 Modelleme

Aşağıda gerçekleştirilen çalışmanın katı modellemesi gösterilmiştir. Şekil 1 (a)’da garaj kapısının

yataklama rayı ve çerçevesi gösterilmiştir.


101

(a). Kapının çerçeve ve ray görünümü (b). Sistemin platform ile görünümü

(b) ‘da gerçekleştirilecek olan garaj kapısının tamamen kapalı halinin platformu ile birlikte görünümü

verilmektedir. (c) ‘de ise garaj kapısının perçin bağlantıları arka profilden görülmektedir.

(c) Sistemin arka görünümü

Şekil 1. Yataklamalı garaj kapısı sisteminin modelleme görünümleri

2.2 Montaj

Gerçekleştirilen yataklamalı garaj kapısının yan tablaları sistemin çalışmasının daha iyi görülmesi

amacıyla şeffaf pleksiglass malzemeden yapılmış olup ,kapının yataklamalı hareket rayı aliminyum L


102

profil tasarımıyla gerçekleştirilmi ştir. Garaj kapısının ölçüleri 50x60 cm² olup düzenek platform

60x70 cm² ölçülerindedir.

2.2.1 MZ Endüstriyel Kızılötesi Sensörü

Gerçekleştirilen çalışmada garaj kapsı kapanırken meydana gelecek kazaları önlemek amacıyla

kullanılmaktadır. Kapı kapanacağı zaman bu sensör aktif olarak kapı önünde herhangi bir cismi

nesneyi algılamasıyla kapının olduğu yerde durmasını ve engel ortadan kalktığı zaman kaldığı yerden

devam etmesini sağlamaktadır.

Şekil 2. MZ Endüstriyel kızılötesi sensörü

Tablo 1. MZ Endüstriyel kızılötesi sensörü özellikleri [3]

Menzil Mesafesi 80cm

Çalışma Gerilimi 5V DC

Tepki Süresi 2ms

Boyutları 17mm çap, 45mm uzunluk

Çalışma Sıcaklığı -25, +55 °C

Kablo Uzunluğu / Ağırlık 50cm / 21gr

Çıkış Kabloları

Kırmızı: 5V

Yeşil: Toprak

Sarı: Data


103

2.2.2 NFC Okuyucu Kart

Android cihazın üzerinde bulunan ve cihazın uygulamasında bulunan etiket bilgisini okuyarak

sistemin hareketi için tasarlanmış kontrol kartına gerekli açma/kapama sinyalini iletir. Bu işlemi

gerçekleştirmek içinse telefonun NFC okuyucu kart üzerine bağlı olan antenine 4 cm’yi geçmeyecek

şekilde yaklaştırılması gerekmektedir.

Şekil 3. NFC Okuyucu karta bağlı olan anten

Şekil 4 . Pic14f İşlemcisiyle tasarlanmış elektronik NFC okuyucu devre

2.2.3 PIC Manyetik Sınır Anahtarı

Garaj kapısının açma /kapama sınırlarını belirlemek ve ona göre kapının yön hareketini sağlamak

amacıyla kullanılmaktadır. Hareket, kontrol kartına bağlı olarak kontrol edilmektedir. Manyetik sensör

özellikleri aşağıda Tablo 2.’de belirtilmiştir.


104

Tablo 2. Manyetik sensör özellikleri [4]

Anma Gücü 10W

Hareket Mesafesi 15-25mm

Max. Geçen Akım 0.5 A

Boyutları 5,9 x 13,9 x 23mm

Şekil 5. PIC açma /kapama yön kontrol manyetik sınır anahtarı

2.2.4 Nema Step Motor

Garaj kapısının hareketini sağlamak amacıyla kullanılmaktadır. Garaj kapısında yüksek tork ve

hassasiyet istediği için sistemin kontrolünü sağlamak amacıyla step motor tercih edilmiştir.

Tablo 3. Nema step motor özellikleri [5].

STEP AÇISI 1.8 Derece

NEMA 24

AMPER 3.0 A

INDUKTANS 3.0mH

TUTMA TORKU 3 N.m

FAZ NUMARASI 2

AĞIRLIK 1.1 Kg

TEL SAYISI 8


105

2.2.5 JK1545 Step Motor Sürücüsü

Garaj kapısının hareket için kullanılan Nema step motorun kontrolü için kullanılmaktadır. Bu motor

sürücü sayesinde garajın hareket hızı hassasiyeti sağlanarak daha güvenli ve doğru kontrol

sağlanmaktadır. Motor sürücüsünün çalışma sinyali hareket kontrol karti üzerinden gönderilmektedir.

Özellikleri [6] ;

1. ZM-2H504 Sürücü Karakteristiği

Entegre aşırım akım koruma devresi.

En düşük toleranslı ve en yüksek kalitede elektronik bileşenler.

Ayarlanabilir microstep çözünürlüğü.

Aşırı voltaj, faz-faz bağlantısı ve faz-toprak bağlantısı koruması.

2. Kontrol Pinleri

PUL+ Step sinyali + ucu / PUL- Step sinyali - ucu

DIR+ Direction sinyali + ucu / DIR- Direction sinyali - ucu

3.Teknik Şartnameler

Besleme: 24-50VDC

Uygun Motorlar: 4,5Nm ye kadar tüm 2 faz step motorlar

Sürüş Akımı: Akım ayarı kullanılacak motorun, nominal akım değerinden daha düşük bir

seviyeye ayarlanmalıdır. Aksi taktirde motorda aşırı ısınma meydana gelebilir.

Şekil 6. JK1545 mikrostep motor sürücü

2.2.6 Atmega328p Kontrol Kartı

Gerçekleştirilen sistemin hareket kontrolünün hepsini ve yukarıda belirtilen bütün elemanların

kontrolünün sağlandığı karttır. Atmega328p işlemcisiyle tasarlanan bu kart Arduino Mega işlemcisine

benzer mantıkta bir kontrol kartı olarak gerçekleştirilmi ştir. Bu sayede gerçekleştirilen “NFC


106

Kontrollü Yataklamalı Garaj Kapısı” projesine istenildiği zaman yeni özellikler veya elemanlar

elektronik kontrol sistemini değiştirmeye yada tekrar devre basmaya gerek duymadan test sistemi

olarak kullanılabilmektedir. Devrenin beslemesi motor sürücüde olduğu gibi DC güç kaynağı

üzerinden beslenmekte ve sistemi anahtar ile aç/kapa özelliği sayesinde aktif edebilmektedir.

Şekil 7. Sistemin hareket ve diğer bütün kontrolünü sağlayan Atmega328p kontrol kartı

Yukarıdaki Şekil 7.’de sistemin test aşamsı sırasında Arduino Uno kartı motor sürücü ,sensör ve NFC

Okuyucu bağlantıları görülmektedir.

2.2.7 Rulman Tekerlekler

Garaj kapısının hareketinin L profil çerçevesi üzerinden sağlanması için Şekil 8. ‘da gösterilen

rulmanlar kullanılmıştır. Tasarlanmış olan aparat yardımıyla garaj kapısı tekerleklere somunlarla

rulman tekerleklere monte edilmiş ve kapının tekerlekler ile açma kapama işlevi gerçekleştirilmi ştir.

Tasarlanan aparat 15x15mm² boyutlarında olduğu için lazer kesimle gerçekleştrilmi ştir. Rulmanların

dış çapı 30mm olup iç çapı 5mm ve kalınlığı 10mm dir.

(a). Rulman tekerlek görünümü (b). Rulman tekerleğin aparata montaj görünümü


107

(c). Tekerleklerin montajında kullanılan aparatın ölçeklendirilmiş AutoCAD görünümü

Şekil 8. Rulman tekerlek ve aparat görünümleri

Yukarıda Şekil 8’de sistemin ray üzerinden hareketi için kullanılan rulman (a)’da ve rulmanın aparatla

birleştirilmi ş hali (b)’de belirtilmiş aparatın AutoCAD çizimi ölçeğiyle birlikte (c)’de belirtilmiştir.

Şekil 9. Sistemin kontrol bölümünün (kontrol kartı, step motor sürücü ve güç devresi) görünümü

Yukarıda Şekil 9.’da sistemin arkadan profilden elektronik aksamlarının montaj görünümü verilmiştir.


108

Şekil 10. Projenin test çalışması ön görünümü

Yukarıda Şekil 10. ‘da garaj kapısının yataklanmış halinin ön profil görünümü verilmiştir. Şekilde de

görüldüğü üzere , kapı hareketini sağlayan step motor tavana sabitlenmiş ve kapı yanlarda bulunan

aliminyum profil üzerinde hareket etmektedir. Aşağıda Şekil 11. ‘da ise sistemin genel görünüşü

verilmiştir.

Şekil 11. NFC Kontrollü Yataklamalı Garaj Kapısı projesi genel görünümü


109


Projenin blok diyagramı NFC Okuyucu ünitesi, mikrodenetleyici ünitesi, sensör ünitesi ve step motor

ünitesi olmak üzere dört ana bölümden oluşmaktadır. Sisteme ait blok diyagram Şekil 9’de

verilmektedir. Projenin çalışma mantığını adım adım anlatacak olursak ;

Yukarıda ki şekilde görüldüğü üzere sistem E-Lock uygulaması üzerinden, telefon Nfc

Okuyucu’ya okutulur ve okutulan telefonun lisansı Nfc Okuyucu ile uyumlu ise sistem başlatılır.

Başlatılan sistem sinyali kontrol devresini uyararak step motor ile sistemin hareketi

gerçekleştirilir.

Ayrıca sistemin tamamen açılıp kapanması manyetik sınır anahtarlarıyla kontrol edilir.

Sistem kapanacağı zaman MZ Endüstriyel Kızılötesi Sensörü yardımı ile kapı kapanması

sırasında yaşanabilecek kaza ve yaralanmalar önlenmiş olur

Şekil 12. Projenin blok şeması

Bu aşamada android cihazdan gelen komut ile garaj kapısının açma kapama işlemi

gerçekleştirilmektedir. NFC okuyucu/yazıcı kart üzerinden gelen sinyal projenin kontrolünü sağlamak

amacıyla Atmega328p işlemcisiyle tasarlanan kontrol kartına iletilir. Daha sonra alınan sinyal ile

sistemin hareketi sağlanmış olur.


110

3.1 Sistemin Hareketinin Arduino Kontrol Kodları

Arduino ara yüzünde yazılan kodlar Arduino Uno kartı üzerine yerleştirilen Atmega328p işlemcisine

gömülerek kendi tasarlamış olduğumuz sistemin hareketini sağlayan kontrol kartına yerleştirilir.

Aşağıda yazılan kodlar açıklamasıyla birlikte verilmiştir.

Şekil 13. Programın giriş/çıkış pin isim tanımlamaları

Şekil 14. Programın pinlerinin giriş/çıkışlarının belirtilmesi

Şekil 15. Step motorun dönüş hızının belirlenmesi


111

Yukarıda garaj kapısının açma kapama kodları verilmiştir. İlk olarak Şekil 13. ‘da sistemde

kullanılacak giriş çıkışların isimleri ve mikrokontrolcüye hangi pinlere bağlanacağı belirtilmiştir. Şekil

14. ‘da ise çalışmada mikrokontrolcü üzerindeki pinlerin hangilerinin giriş/çıkış olduğu ve sabit değer

tanımlamaları yazılmıştır. Şekil 15.’ Da çalışmanın açma /kapama işlemi sırasında step motorun hızı

ayarlanarak kapı hızı kontrol edilmiştir. Şekil 16. ‘da ise programın ana çalışma işlemi olup sistemin

hangi durumlarda, gelen sinyal komutuna göre, nasıl hareket edeceği alogoritması oluşturulmuştur.

Sistemde acil stop özelliği amacıyla kullanılan MZ80 Endüstriyel Kızılötesi Sensörü sadece kapı

kapanacağı zaman sisteme dahil olmaktadır. Yani garaj kapısı açılırken eğer sensör cisim algılasa dahi

sistemin açılmasını durdurmayacaktır.

Şekil 16. Programın kapı açma/kapama alogoritmasının belirlenmesi


112

3.2 Sistemin Kullanıcı Android Kontrolü

Gerçekleştirilen proje çalışmasında açma/kapama komut işlemi NFC özellikli android bir cihaz

üzerinden sağlanmaktadır. Android Studio veya Java Script gibi programlar sayesinde tasarlanan bu

ara yüz sayesinde, kişiye özel kullanıcı özelliği oluşturularak güvenirlikli bir garaj kapısı sistemi

oluşturulmuştur.

Bu özellik sayesinde aynı android programa sahip başka kişilerin kullanımı önlenmiştir. Ayrıca

gerçekleştirilen bu sistemde anahtar taşıma problemini de ortadan kaldırarak kolay ve lüks bir kilit

sistemi imkanı sunmaktadır.

Şekil 17. Gerekli Android program ayarlarının yapıldığı program ara yüzü

Yukarıda kullanıcı ara yüzü verilen uygulamaya Android Studio üzerinden ücretsiz olarak sahip

olunabilmektedir. Bu uygulama NFC destekli android cihaza yüklendikten sonra garaj kapısında

bulunan NFC okuyucu/yazıcı kart ile ilişkilendirilerek gerekli özelleştirme işlemleri yapıldıktan sonra

kullanılabilmektedir. Bu program sayesinde kullanılacak kapı veya kilit sayısı tanımlanarak istenilen

sayıda kilit sistemi kontrol edilebilmektedir.

(a) İle belirtilen resimde E-Lock uygulamasının genel arayüzü ve telefona kayıtlı olan

NfcReader’ların (kilit sistemlerinin) ismi görülmektedir.

(b) İle belirtilen resimde kayıtlı olan Nfc Okuyucu’nun istenilen sinyalizasyon ayarlarının

yapıldığı ve programlandığı ara yüzdür. İstenilen ayarlamalar yapıldıktan sonra Program Lock

tuşu ile kart programlama işlemi gerçekleştirilir.


113

(c) ve (d) İle belirtilen şekilde kartın kişiye özel lisanslama ayarlarının yapıldığı ve bu bilgilerin

bulunduğu kısmın görülmektedir.

3.3. Sistemin Çalışma Kontrolü

Daha önce de belirtildiği üzere sistem beslemesi AC/DC converter üzerinden 24V DC güç kaynağı ile

beslenmektedir. Böylece sistemi gerçek hayatta doğrudan AC kaynak ile beslenebilmektedir.

Şekil 18. Telefonun Sistemi Aktif Etmek İçin NfcReader’a Okutulması

Yukarıda Şekil 18’te telefonun NFC Okuyucu’ya nasıl okutulacağı gösterilmiştir. Telefon NFC

antenine yaklaştırılarak kapının açılma komutu verilir ,kapanacağı zaman ise yine aynı şekilde telefon

antene yaklaştırılmalıdır.

SONUÇLAR

Bu projede yaygın kullanılan akıllı telefonlar sayesinde amacında belirtildiği üzere gereksiz ve fazla

anahtar kullanımı ortadan kaldırılmıştır. Ayrıca kullanılan android uygulama sayesinde yüksek

güvenirlik imkanı sağlanarak hırsızlık gibi problemlerin önüne geçilmiştir. Bu sistem, projedeki garaj

kapısı kontrolünde uygulanmıştır ancak geliştirilen E-Lock uygulaması sayesinde bu sistemin birçok

benzerleri (ev , büro vs. kapılarında veya gerçekleştirilen herhangi bir sistemin kontrolünde)

uygulamanın ayarlar menüsünden istenilen sinyalizasyon ayarları yapılarak gerçekleştirilebilmektedir.


114

KAYNAKLAR

[1] NFC Teknolojisinin Toplu Taşımada Kullanılması , Tuğba NAROL [364210] Yüksek Lisans Tez

Çalışması -Yıldız Teknik Üniversitesi, (11.06.2014).

[2] S. C. Alliance, (2013) “NearFieldCommunication (NFC) andTransit:Applications, Technology and

Implementation Considerations ”.

[3] MZ80 Endüstriyel Sensör Özellikleri , http://robotus.net/wp-content/uploads/2012/07/MZ80-

endustriyel-kizilotesi-sensor.pdf.

[4] GM Electronic Reed Magnetic Sensor MEDER MK471B , http://www.gmelectronic.com/reed-

magnetic-sensor-meder-mk471b-p634-184.

[5] Step Motor Nema 24 Ürün Katoloğu –Çetinkaya Makine Otomasyon,

http://www.otomasyoncu.net/3Nm-JK60HS88-3008B,PR-136.html.

[6] JK1545 İki Faz Step Motor Sürücüsü Ürün Kataloğu , Robosan Otomasyon San. Tic. Lmtd. Şti.

www.robosan.com.tr.


115

MEKATRON İK SİSTEML İ ÇOCUKLARA YÖNEL İK EĞLENCEL İ

FİTNESS BİSİKLET İ

İbrahim SAT, [email protected] ,Karabük Üniversitesi, 78050, Karabük

Ramazan TACİR, [email protected], Karabük Üniversitesi, 78050, Karabük

Doç.Dr. Birhan IŞIK , [email protected]ük Üniversitesi, 78050, Karabük

ÖZET

Bu çalışmada , çocuklara yönelik sporu sevdirmek ve özellikle obezite problemi olan çocuklara sporu

eğlenceli bir hale dönüştürerek sağlıklı bireylerin devamını sürdürülmesi amaçlanmıştır. Çocuklara

yönelik tasarlanmış olan yatay kondisyon bisikleti tercih edilerek, bu bisikletin döner pedal gövdesine

yerleştirilen sistem sayesinde ve tasarlanan elektronik devresi üzerinden bilgisayardaki oyunun

kontrolü gerçekleştirilmi ştir.

Anahtar Kelimeler : eğlenceli fitness bisikleti, çocuk sporu, obez çocuklar

ABSTRACT

In this study,we aimed to popularize the sport for children and especiallythe problem of obesity in

children in sports is intended to sustain the continuation of a healthy converting it fun.The reasons for

preferring a horizontal exercise bike designed for childrenwith this system placed in the body of the

rotary pedal bike and control over the computer game design electronic circuit was performed.

Keywords:Fun fitness cycling, children's sports,obese kids

1. GİRİŞ

Yeni neslin sportif yönden pasif olması, yeterli önemin verilmemesi ve bunun bilincinde

olmamalarından yola çıkarak sürekli büyüyen ülkemizde yeni nesillerin dinamik ve sağlıklı bir

şekilde yetişmesine yardımcı olmaktır. Dinamik ve sağlıklı toplumun yetişebilmesi için spora önemin

artırılması gerekmektedir. Gerçekleştirilen “Mekatronik Sistemli Çocuklara Yönlik Eğlenceli Fitness

Bisikleti” projesinde çocuklara sporu sevdirerek alışkanlık edinmelerini sağlamak amacıyla

tasarlanıştır. Projemizin amacı, spor yapma alışkanlığı olmayan, özellikle obez çocuklara sporu daha

zevkli hale getirerek onların spor yapmasını sağlamaktır. Bu projede çocuklar hem sporunu yapacak

hem de aynı zamanda oyun oynayarak sıkılmadan spor hareketlerine devam edebileceklerdir.


116

2. SİSTEM MODELLENMES İ VE TASARIMI

2.1 Modelleme

Aşağıda Şekil 1’de gerçekleştirilen sistemin katı modelleme tasarımı gösterilmiştir.

Şekil 1. Manyetik yatay bisiklet katı modelleme

2.2 Sistemde Kullanılan Elemanlar

2.2.1 MekanikFitnessBisikleti

Projede çocuklara uygun olan ve Karabük Üniversitesi Fizik Tedavi ve Rehabilitasyon Bölümü bölüm

başkanı ve birkaç fizik tedavi uzmanı tavsiyesi doğrultusunda “Altis Mk 690 Manyetik Yatay

Kondisyon Bisikleti” kullanılmıştır. Bisiklette bulunan fonksiyonlar dikkate alındığı zaman bisikletin

selesi yaslanılabilir şekilde ve bisikletin pedal kısmı ile sele kısmı kişiye göre ayarlanabilirdir. Bu

şekilde çocukların daha rahat spor yapmaları sağlanmıştır. Ayrıca bisiklet 8 kademeli zorluk ayarıyla

sporun daha etkin ve faydalı şekilde yapılmasına olanak sağlamıştır. Aşağıda bisikletin resmi ve

özellikleri belirtilmiştir.


117

Şekil 2. Manyetik yatay bisiklet[1]

• Gösterge Bilgileri : Hız, mesafe, zaman, kalori, nabız, ve ODO (oda sıcaklığını gösterir)

• Gösterge Tipi : LCD ekran

• Pedal Sistemi : 8 Kademeli ayarlanabilir.

• Nabız Sistemi : Elden nabız ölçülebilmektedir

• Sele Ayarı : İleri/Geri ayarlanabilmektedir.

• Genel Özellikler : Ön tekerlekleri sayesinde kolayca taşınabilir,

• Silent Belt Transmission sistemi ile sessiz çalışma sağlar.

• Her kullanıcıya uyumlu ve ergonomik sele yapısıyla sağlıklı spor yapmanızı sağlar.

• Taşıma Kapasitesi :120-125 kg

Ayrıca sistemde IPS dokunmatik LED monitör kullanılmıştır. Ekranın dokunmatik olmasındaki amaç

kullanımı estetik ve görsel olarak çocukların dikkatini çekmektir.


118

2.2.2. Elektronik Kart ve Devreler

2.2.2.1. Arduino Leonardo

Arduino; Bir giriş çıkış kartı ve Processing/Wiring dilinin bir uygulamasını içeren geliştirme

ortamından, İtalyan elektronik mühendisleri tarafından açık kaynak kodlu geliştirilen ve isteyen

herkesin baskı devreleri indirerek kendi devrelerini basabilecekleri dilerlerse şık bir görüntüye sahip

hazır basılmış ve bileşenleri yerleştirilmi ş halde alabilecekleri, esnek, kolay kullanımlı donanım ve

yazılım tabanlı bir fiziksel programlama platformudur [2]. Arduino geliştirme kartı üzerindeki

mikroişlemci (AtmegaXX) arduino programlama dili (wiring tabanlı) ile programlanır

ve bu program processing tabanlı arduino yazılım geliştirme ortamı (IDE) yardımı ile karta yüklenir.

Atmega firması özellikleri doğrultusunda çeşitli elektronik kartlar geliştirmiştir. Bunlardan biride

buton, tuş , mause vb. uygulamalarda kullanılmak üzere Arduino Leonardo kartı geliştirilmi ştir ve

bu projenin oyun kontrolü bu elektronik kart üzerinden gerçekleştirilmi ştir. Projede bilgisayarda oyun

kontrolü yapmak için birkaç favori oyun üzerinden denemeler yapılmıştır. Kullanılan oyunlar

Flat Out, Euro Truck, F1 gibi beğenilen oyunlar üzerinde test edilmiştir. Bu tarz oyunlar klavye

üzerinden kontrol edildiği için bizde aynı özelliği gösteren Arduino Leonardo kartı üzerindeki

ATmega32U4 işlemcisi sayesinde butonlarla ve manyetik switchlerle gerçekleştirilmi ştir.

Şekil 3. Arduino Leonardo Modülü

Arduino Leonardo ATmega32u4 tabanlı, 20 tane dijital giriş/çıkış pini olan bir arduino çeşididir.

20 pinin 7 tanesi PWM çıkışı, 12 tanesi de analog giriş olarak kullanılabilmektedir. 16MHz.


119

kristalosilatörü mevcuttur. Haberleşmesi mikro USB bağlantıyla gerçekleştirir[3]. Bu özellik Arduino

Leonardo‘ nun takıldığı bilgisayara fare, klavye olarak tanıtılabilmesini sağlamaktadır.

Tablo 1. Arduino Leonardo’nun temel özellikleri [4].

Mikrodenetleyici ATmega32u4

Çalışma Voltajı 5V

Giriş Voltajı (önerilen) 7-12V

Giriş Voltajı (limit) 6-20V

Dijital G/Ç Pinleri 20

PWM Kanalı 7

Analog Giriş Kanalı 12

Pin başına DC akım 40 mA

3.3V Pin için DC akım 50 mA

Flash Bellek 32 KB (ATmega32u4) 4 KB bootloader

tarafından kullanılıyor

SRAM 2.5 KB (ATmega32u4)

EEPROM 1 KB (ATmega32u4)

Clock Frekansı 16 MHz

2.2.2.2 Manyetik Switch ve Push Butonlar

Projedeki amaç oyunların yön bilgisini Arduino Leonardo’ nun özelliğinden yararlanıp kontrol

etmektir. Bu yön kontrolünde buton yardımıyla kolaydı ancak bisikletten hız bilgisini alıp, yani

pedalların dönme bilgisini alıp bununla arduinoyu birleştirmek ayrı bir problemimizdi. Projedeki

önemli problemlerden biri de bisikletten hız bilgisini almak olmuştur. Bunun için yapılan

araştırmalardan sonra manyetik etkili bir düzenek kurulmuştur. Bu düzenekte bisikletin göbek kısmına

belirli aralıklarda kuvvetli mıknatıslar döşenerek sabit bir yere de reed switch koyarak anahtarlama

işlemi yapılmıştır. Reed switch bisikletin dönen göbeğinden geçen mıknatısları algılayarak bir nevi

hız tuşuna basmış gibi oyundaki hız komutunu aktif etme işlevini gerçekleşmiştir.


120

Şekil 4. Butonların bağlantı şeması

Şekilde görüldüğü üzere butonlardan birtanesi hız anahtarlama diğerleri de yön kontrol etmede

kullanılmaktadır.

2.2.2.2.1 Reed Switch

Oyun hız kontrolünde göre alan Reed Switchler, manyetik alan ile (mıknatıs yaklaşması ile) aktive

olan reed kontaklar, devreyi açarak veya kapatarak, tasarlanmış olan işlevlerini gerçekleştirirler.

Doğru şartlarda kullanıldığında yüksek güvenilirlikte ve yüksek hassasiyette çalışabilmektedir [5].

Genel olarak pozisyon belirleme, düzey belirleme ve daha birçok farklı alanlarda uygulaması olan reed

kontaklar; beyaz eşya, otomotiv ve sağlık sektörü ile birlikte çeşitli otomasyon alanlarında da

kullanılabilmektedir. Ancak biz burada anahtarlama işlevinde kullanılmıştır.

Şekil 5.ReedSwitch iç yapısı


121

Şekil 6. Göbeğe yerleştirilmi ş mıknatıslar

Yukarıda dönen kısma sabitlenerek monte ettiğimiz mıknatıslar görülmektedir. Bunların karşısında da

bulunan Reed Switch yardımıyla hız kontrolü gerçekleştirilmeye çalışılmıştır. Ancak Reed Switch

kontrolünde sistem takılmaları olduğundan dolayı yerine aynı anahtarlama işlevini gerçekleştirecek

olan seri port iletişimi bilgisayarlara uygun olan USB Joystick işlemcisi tasarımı gerçekleştirilmi ş ve

sistemin beslemesi gövdede ki dönme enerjisinden sağlanarak dinamo yardımıyla gerçekleştirilmi ştir.

Zaten bu işlemcilerde bilgisayar iletimi ile alakalı gerekli ayarlamalar içerisinde olduğu için projede

sadece arduino ile ilişkilendirilme kısmını yapılmıştır.

Dolayısıyla kullanıcı ekranı ile bisiklet arasında üç yardımcı eleman kullanmıştır. Bisikletin döndürme

hızına göre dinamo transistor devresini aktif ederek manyetik switchlerde kullanılan mantıkta

anahtarlama işlevi yapılmıştır.

Şekil7.Mıknatıslar yerine hız bilgisini almak için yerleştirilen transistor devresi görünümü


122

Şekil 7’de görüldüğü üzere Reed Switchlerin yerine gerçekleştirilen anahtarlama devresi ve bütün

sistemi gerilim üreterek besleyen dinamo montajı görülmektedir.

Şekil 8. Transistor devresi isis çizimi

Yukarıda kullandığımız transistorlu anahtarlama devresi görülmektedir. Burada joystic ve dinamonun

+ ve – uçları ortak bağlanmalıdır.

Şekil 9. İşlemciye bağlanmış dinamonun anahtarlama devresi

Şekil 10. Bisiklete eklenmiş hali


123

Şekil 10.’de Arduino Leonardo doğrudan devrede kullanılmış ve kartın gerilim beslemesi dinamo

üzerinden sağlanmıştır.

2.3 Montaj

(a). Yön kontrol butonlarının ön görüntüsü (b)Yön kontrol butonlarının yan görüntüsü

(c). Proje Kontrol Aşaması

Şekil 11. Sistemin montaj görünümleri

Yukarıda Şekil 11. ‘da sistemin montaj görünümleri verilmiştir. (a) ve (b) de oyun yön kontrolü

sağlanmaktadır. Oyunun kontrolü ise bisiklet pedalının çevrilmesiyle sağlanmaktadır. (c) ‘de ise

sistemin test aşamasındaki bir görüntüsü resmedilmiştir.


3.1 Bilgisayar Yazılımı

Projemizde Arduino Leonardo kiti üzerinden bilgisayardaki oyunu kontrol etmek için arduinonun

üzerindeki işlemciye gerekli programı kodlarını yazılarak gömülmüştür.


124

Şekil 12. Arduino ara yüzünden kodların açıklamasıyla görünümü

3.2 Sistemin Çalışması

1. 2. 3. 4. 5.

1.Kısım: Bu kısımda bisikletin pedal hareketini dinamo yardımı ile algılatarak (anahtarlama yaparak)

transistor devresine gönderilmiştir.

2.Kısım : Bisikletin döndüğü bilgisi dinamo üzerinden transistor devresine iletiliyor. Bisikletin hızlı

çevrilmesine göre transistor aktif oluyor ve doğrudan joystick işlemcisini aktif ediyor.

3.Kısım : Yön kontrol butonları Arduino Leonardo kitinin üzerinde bulunmaktadır. Kullanıcının

komutlarına göre butonlar arduino üzerinden algılanarak joystick işlemcisine aktarılmaktadır.

4.Kısım : Algılanan veriler ,bisikletin pedalının döndürüldüğü ,buna bağlı olarak oyunun hızlanması

gerektiği ve yön kontrol bilgileri diğer bir ara eleman olan joystic işlemcisi yardımıyla bilgisayarın

seri portuna gönderiliyor.

5.Kısım : Usb seri porttan gelen bilgiye göre oyun bilgisayar üzerinden kontrol ediliyor. Bu kısımda

ise ekran olarak görselliği ve kullanımı hoş bir hale getirmek için dokunmatik lcd ekran kullanılmıştır.

Bisiklet

Hız Bilgisi

Arduino ve buton

Algılanan Hız ve buton komutu

KULLANICI

EKRANI


125

Bu işlemlerde dikkat edilecek önemli hususlardan biri kullanılan ara işlemcinin binlerini (+,-)

arduinoya doğru bir şekilde bağlanılmalıdır. Aksi takdirde arduino ve işlemci yanabilir.

4. SONUÇLAR

Özellikle obezite problemi olan çocuklar için sporu sevdirmek ve bu doğrultuda onlara alışkanlık

edindirmek amacıyla “Mekatronik Sistemli Çocuklara Yönelik Eğlenceli Fitness Bisikleti” çalışması

gerçekleştirilmi ştir. Bu sayede çocuklar spor yaparak aynı zamanda oyun oynama zevkini

yaşayabileceklerdir. Bu sistem spor salonlarına kurulduğu zaman , spor salonlarına gelen velilerin

yanlarında aynı onlar gibi spor yapma zevkini sıkılmadan yaşama fırsatı bulacaklardır.

TEŞEKKÜR

Bu çalışmayı gerçekleştirmemizde destek sağlayan TÜBİTAK BİDEB’e sonsuz teşekkürlerimizi

sunarız.

KAYNAKLAR

[1] Altis MK 690 Magnetik Yatay Kondisyon Bisikleti, http://www.n11.com/altis-mk-690-manyetik-

yatay-kondisyon-bisikleti-P15725640

[2] Arduino Nedir VE Ne Değildir - Coşkun Taşdemir, http://arduinoturkiye.com/arduino-nedir-ve-

ne-degildir/

[3] Arduino Leonardo Datasheet , http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardLeonardo

[4] Arduino Tipleri –Arduino Leonardo , http://arduinoturkiye.com/arduino-leonardo/

[5] Reed Switch Caracteristics Meder Electronics-The Basic Reed Switch,

http://www.biltek.tubitak.gov.tr/gelisim/elektronik/dosyalar/31/reed.pdf


126

MEKATRON İK ÜRÜNLER İÇİN MODÜLER TASARIM

UYGULAMASI: ÇOK AMAÇLI TEM İZL İK ROBOTU

Onur CAMKIRAN, camkiran.onur@ student.atilim.edu.tr, 06836, Ankara

Ragıp CAN, ragip.can@ student.atilim.edu.tr , 06836, Ankara

Mustafa SARICA, sarica.mustafa@ student.atilim.edu.tr, 06836, Ankara

ÖZET

Bu projenin amacı mekanik ürünler için geliştirilmi ş olan modüler tasarım ilkelerini bir mekatronik

modüler ürün grubu tasarımına uygulanmasıdır. Bu çalışma sırasında, projenin tanımı, literatür

araştırmaları ve var olan robotlar incelenmiş, uygun olanlar “çok amaçlı temizlik robotu” modüler

ürününe uygulanmıştır. Çalışmalar sonunda, “Rosie” adı verilen ve farklı görevler için kullanılan bir

modüler mekatronik ürün tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmi ştir.

Anahtar kelimeler: Modüler Mekatronik, Mekatronik Ürün Ailesi, Modüler Mekatronik Sistem

Tasarımı, Modüler Robot Tasarımı, Kitlesel özelleştirme

ABSTRACT

The aim of this study is to develop a modular mechatronic product family by applying modular design

principles which have been developed for mechanical products. Design of the mechatronic modular

product family is based on mass customization. During this study, project in detail was defined,

literature survey and the existing suitable modular robots were investigated and implemented on this

project.

Keywords: Modular Mechatronics, Modular Mechatronics Product Family , Modular Mechatronics

System Design, Modular Robot Design.


127

GİRİŞ

Son yıllardaki teknolojik gelişmeler ve müşteri odaklı rekabet ortamı üretim yapan firmaların

özelleştirilmi ş ürünlere yönelmesine ve bu sayede ürün gamını attırmasına sebep olmuştur. Böylece

şirketler daha verimli, düşük maliyetli, kaliteli ürünleri kısa zamanda piyasaya sunabilmektedirler.

Özelleştirilmi ş ürünler müşteri taleplerine göre rekabet gücünü artırmakta ve bu nedenle önemli

ölçüde tercih edilmektedir ve bu avantajlar firmaların modüler ürün geliştirmeye yönlenmesine neden

olmuştur.

Özelleştirilmi ş ürünlerin geliştirilmesi genel olarak modüler ya da platform tabanlı ürün tasarımı ile

sağlanmaktadır. Modüler tasarım son yıllarda mekatronik ürünlerin geliştirilmesinde yaygınlaşmış ve

mekatronik için ayrı bir öneme sahip olmuştur.[1] Bu tür ürünlerde donanım ve yazılım modülerliği

önem taşımaktadır. Bu kavramlar sayesinde mekatronik sisteme daha fazla görev yüklenebilmesi

mümkün olmakta, zaman zaman sadece yazılımda yapılabilecek değişikliklerle dahi yeni bir modül

oluşturularak, daha verimli ve görev odaklı sistemler geliştirilebilmektedir.[1] [9]

Bu projenin amacı: modüler tasarım yöntemlerinden ve literatürde araştırılan nesne ayırma, stereo

görüntü işleme ve temizleme robotlarından yararlanarak, laboratuvar düzeyinde gösterim amaçlı bir

mekatronik ürün ailesi tasarımı ve imalatını gerçekleştirmektir. Bu ürün ailesi çok amaçlı bir temizlik

robotu olarak planlanmıştır. Sistemin temel modülleri çevredeki atıkların konumunu belirleme ve

toplama, parkur alanını süpürme ve parkurda bulunan çiçekleri sulama işlemlerini yerine getirmek

üzere tasarlanmıştır. Bu işlemler aşağıda genel hatlarıyla açıklanmıştır.

Atık Toplama Modülü: Bu modül platform çevresindeki atıkları (plastik, metal, cam) bir kol

yardımıyla aracın önündeki hazneye taşır. Platform çevresindeki bütün katı cisimler atık olarak

varsayılmıştır. Atıkların konumu iki kamera yardımı ve görüntü işleme teknikleri kullanılarak

belirlenir.

Sulama Modülü: Aracın üzerine takılan bu modül çiçekleri rengine göre farklı miktarda su ile

sulamaktadır. Kırmızı renk olgunlaşmış ve su ihtiyacı az olan çiçek, sarı ise olgunlaşmamış su ihtiyacı

daha fazla çiçek anlamına gelmektedir. Robot kararını verdikten sonra sulama işlemi başlar.

Süpürge Modülü: Aracın altına takılan bu modül platformu bir fırça yardımıyla süpürmektedir.

Aracın başlama noktasından bitiş noktasına kadar süpürge sürekli çalışacaktır.

Yukarıda maddeler halinde açıklanmış olan tüm modüllerin tasarımı ve üretimi tamamlanmıştır.

Elektronik devreleri ve yazılımları hazırlanmıştır. Bu çalışmada geliştirilen modüler mekatronik ürün

ailesi uygulamasında, farklı modüllerin bir araya getirilmesiyle elde edilen çeşitli ürünlerle artan


128

işlevselliğin birçok faydaları görülmüştür. Gerek tasarım aşamasında, gerek üretim aşamasında

kolaylıklar sağlamanın yanı sıra, elektronik devreler tasarlanırken ve yazılım hazırlanırken iş yükü

önemli ölçüde azalmıştır.

Bildirinin bundan sonraki kısmı şu şekilde düzenlenmiştir: Bölüm 2’de çalışmanın genel

içeriği ve bu çalışma için kaynak araştırması yapılmıştır. Daha önceden yapılmış benzer robotlar ve

modüler yöntemler anlatılmıştır. Bölüm 3’de bu projede geliştirilen, çok amaçlı temizlik robotunun

tasarımı ve üretimi açıklanmıştır. 4. Bölüm ’de ise bu çalışmada ulaşılan sonuçlar değerlendirilmiş ve

ileride yapılacak çalışmalar için öneriler sunulmuştur

2.LİTERATÜR TARAMASI

2.1 MODÜLER TASARIM

Son yıllarda meydana gelen gerek teknolojik, gerekse sosyo-ekonomik gelişmeler ve yükselen yaşam

standartları bir yandan ürün ömürlerinin azalmasına neden olurken diğer yandan ürün çeşitlili ğinin

artması ihtiyacını doğurmuştur. Günümüz piyasa koşullarında var olan rekabet ortamında, tasarım ve

üretim yapan firmalar ürün gamını artırmaya ve yeni özellikler taşıyan ürünleri kısa zamanda

müşterilerin beğenisine sunmaya çalışmaktadırlar. Modüler ürün mimarisi, ürün tasarımında ürün

çeşitlili ğinin artması, üründe yapılacak değişiklikler konusunda esneklik sağlaması, ekonomik olması,

sipariş teslimat süresini kısaltması, ürünün iyileştirilmesi, bakımı, onarımı ve imha edilmesini

kolaylaştırma konularında büyük avantaj sağlamaktadır. Tüm bu avantajlar firmaların modüler ürün

geliştirmeye yönlenmesine neden olmuştur [2] [3].

Bir ürün genel olarak fonksiyonel ve fiziksel olmak üzere iki çeşit eleman grubundan meydana

gelmektedir. Fonksiyonel elemanlar ürünün performansına katkı sağlayan operasyon veya değişimler

olarak ifade edilebilir. Fiziksel elemanlar ise ürünün fonksiyonlarını yerine getirmesini sağlayan alt

sistemler ve komponentlerdir. Ürünün fiziksel elemanları çeşitli yapısal bloklar biçiminde organize

edilmiştir. Her blok ürünün bazı fonksiyonlarını yerine getirecek parçaların birleşiminden

oluşmaktadır. Ürün tasarımında fiziksel elemanların oluşturduğu blokların yapısı ürün mimarisi ile

ilgilidir. Ürün mimarisi, ürünün işlevsel elemanlarını fiziksel bloklar halinde düzenleyen ve bu fiziksel

blokların birbiriyle etkileşimini sağlayan bir plan olarak tanımlanmaktadır [3] [4].

Modüller tek modül, tek ürün ve bütün sistem gibi bir dizi işleve dayalı olarak tanımlanır ve yapılacak

olan görev, verilen temel işlevlere göre bir modüle atanır. Böylelikle bir modül bir işlevin fiziksel


129

olarak gerçekleşmesini sağlar. Bir öğe bu fonksiyonların herhangi biri ile ilgili değilse modül değildir.

Thomas’a göre bu şekilde her parçanın modül olmasından kaçınılmıştır [5]. Fonksiyon tiplerine göre

işlevler Şekil 1’de verilmiştir.

Şekil 1: Modüler Nitelik [5]

2.2 ÖRNEK ROBOTLAR

Bu bölümde modüler olmayan robotlar incelenmiştir. İncelenen bu robotlar farklı görevlere sahiptir.

Bu projede ki amaç görevlerin farklı modüller tarafından yerine getirilmesidir.

2.2.1 Açık Alan Yol Temizleme Robotu ( SI-lab AW)

Şekil 2’ de şematik olarak gösterilen açık alan temizlik Robotu SI-lab AW, temizlik mekanizmasında

bir ana temizleme silindiri, iki fırça ve bir dc motor bulunmaktadır . Temizlenecek bölgeleri algılar ve

sınır tespiti yapar [6]. SI-lab AW robotunda kullanılan fırçalar ve motorlar Rosie Temizlik Robotunda

kullanılan fırçalar ve motorlarla aynı görevde olup çok iyi bir kaynakça olmuştur.

Şekil 2: Temizlik robotu [6]


130

2.2.2 Hareketli Bant Üzerinde Nesne Ayırma

Nesneleri ayırt etme işlemi iyi bir otomasyon gerektiren bir uygulamadır. Nesneyi algılamak ve

tanımlamak için en önemli ve verimli yol tutmalı algılama yöntemidir. Cisimlerin adresleri ayırt etme

için önemlidir. Şekil 3’deki sistem, bant üzerinde giden nesneleri ayırt etmektedir. CCD kamera

kullanılarak yapılan bu işlem nesnelere lazer ışını göndererek 3 boyutlu optik algılayıcı yardımıyla

algılamakta ve verileri bilgisayara aktarmaktadır. Nesnenin geometrik konumunu belirlemek için

Matlab grafik modülleri kullanılmıştır.[7]

Şekil 3: Kayış üzerinde giden cisimler (a),[7]

3. MODÜLER MEKATRON İK TASARIM UYGULAMASI: ÇOK AMAÇLI TEM İZL İK

ROBOTU

Bu çalışmada modüler mekatronik ürün, çok amaçlı bir temizlik, sulama ve süpürme sistemi olarak

planlanmıştır. Günümüzde çeşitli kamu araçlarında kullanılan sistemlere ek olarak, bu çalışma

kapsamında oluşturulan ürünler, işlevleri açısından çöp toplayabilen, çöpün malzemesine göre ayrım

yapabilen, yolu süpüren ve farklı türdeki bitkileri farklı su miktarı ile sulayan işlevleri üstlenmişlerdir.

Bu işlevler Şekil 5’de şematik olarak gösterilmiştir. Ürün ailesi temel olarak iki farklı bölümden

oluşmaktadır. Bunlardan ilki aracı tekerlekler yardımı ile hareket ettiren, merkezi işlem birimini içinde

barındıran ve modüllerin çalışması için gerekli olan gücü sağlayan ana modüldür. Diğer bölüm ise

işlevselliği sağlayacak olan modüllerdir. İşlevine göre bu modüller; çöpü yerden alan ve malzeme

ayrımı yapan robot kol, yolu süpürecek olan süpürge ve sulama işlevini gerçekleştiren su pompası ve

su tankından oluşmaktadır.


131

Şekil 5: Sistem Görünümü

Sistemdeki ana modül temelde çizgi takip eden bir araçtır. İşlevsel modüller ise bu ana modülün

üzerine takılır.

3.1 Modüller ve Çalışma Detayları

3.1.1 Çöp toplama modülü: Birinci modül bir adet robot kol ve toplanan çöplerin konulacağı

haznelerden oluşmaktadır. Bu modül temelde çöp toplamak ve malzeme ayrımı yapmak olarak iki

görev üstlenmiştir. Araç hareket halinde iken yerde herhangi bir cisim endüktif sensörler tarafından

algılanırsa araç durur ve kameralar algılanan cisime doğru döner. Cismin konumu, görüntü işleme

teknolojisi yardımı ile iki kamera kullanılarak belirlendikten sonra robot kol cismi bulunduğu

konumdan alır. Robot kol cismi yerden aldıktan sonra cismin malzemesini belirleme süreci, çöp robot

kolun tutucu kısmında iken başlar. Cismin hangi malzemeden üretildiği endüktif, kapasitif ve LDR

sensör ile bu çalışma kapsamında yapılan bir devre yardımı belirlenir. Tablo 1’de gösterilen doğruluk

tablosu sonucunda cismin malzemesi metal, plastik ve cam olarak ayrılmış olur. Proje kapsamında

yapılan devrede, LDR sensör üzerine sürekli bir LED yardımı ile ışık yansıtılmaktadır ve LDR sensör

ile LED karşılıklı konumlandırılmıştır. LED ile LDR sensör arasında metal veya plastik bir malzeme

geldiği zaman LDR üzerine gelen ışık engellenmiş olup karanlık olacaktır. Ancak cam ışığı geçirdiği

için LDR üzerine ışık gelmeye devam edecektir. Bu şekilde malzemenin cam olup olmadığını ayırt

edilebilmektedir. Endüktif sensör, yapısı gereği sadece metal algıladığı için malzemenin metal veya

plastik olduğu da ayırt edilebilmektedir. Bu süreçten sonra robot kol aldığı çöpü aracın arkasında

bulunan ilgili hazneye yerleştirir. Bu şekilde metal, cam ve plastik çöpler yerden toplanmış birbirinden

ayrılmış olur. Bu işlem aracın üzerindeki aç-kapat anahtar ile durdurulup modülü çıkartana kadar

otomatik olarak devam eder.


132

Tablo 1: Malzeme Belirleme Doğruluk Tablosu

kapasitif

sensör

endüktif

sensör

LDR

sensör

metal 1 1 1

plastik 1 0 1

cam 1 0 0

Şema 1 : LDR’li Cam Algılama Sensörü

3.1.2 Sulama modülü: İkinci modül bir adet su pompası ve yine aracın arkasında bulunan su

deposundan oluşmaktadır. Modülerlik kavramı gereği birinci modüldeki robot kolun yerini bu sefer su

pompası ve çöp haznesinin yerini de su deposu alır. Bu modülün görevi, bitkileri türüne göre farklı

miktarda su ile sulamaktır. Araç hareket halinde iken herhangi bir bitki algılanırsa araç durur. Bu

modül takılıyken araç bunu algılar ve sadece bitkiye duyarlı olarak bitkinin rengini algılamaya çalışır.

Kablosuz kameralar bu sefer bitkinin türünü belirlemek için kullanılmıştır. Bitkinin türü rengine göre

belirlendikten sonra, su pompası bitkiyi türüne göre farklı miktarda su ile sulama işlemini

gerçekleştirir.

3.1.3 Süpürge modülü: Bu modül yolları süpürme görevini üstlenmiştir. Araç belirlenen çizgi

üzerinde hareket ettiği sürece süpürge çalışmaktadır. Bu modül montaj yeri bakımından diğer

modüller gibi aracın üzerine değil altına takılacak şekilde tasarlanmıştır.

3.2 Sistem Donanımı, Haberleşme Protokolü ve Teknolojisi

Projede kablosuz ağ ve bluetooth olmak üzere iki farklı tipte haberleşme protokolü kullanılmaktadır.

Kablosuz ağ haberleşme protokolü kameralar ile bilgisayar arasındaki veri alışverişini, bluetooth

haberleşme protokolü ise bilgisayar ile mikrokontrolcü arasındaki veri alışverişini, sağlar. Bu sayede


133

sistemde kablo kullanımı en az seviyeye indirilmiş ve arıza kaynaklarını azaltmak amaçlanmıştır.

Sistemde kullanılan en temel ve en çok iş yapan teknoloji 3 boyutlu görüntü işlemedir ve bu 3 boyutlu

görüntü işleme iki kamera kullanarak sağlanmaktadır. İki kamera, nesnelerin konumunun uzay

düzleminde tam ve doğru bir şekilde belirlenmesi için kullanılır. İnsanın çevresini, 3 boyutlu olarak

görmesini sağlayan yani derinlik hissini algılamasını sağlayan iki gözünün olmasıdır. Yani, insanlarda

iki gözden alınan aynı ortam görüntüleri insan beyni tarafından uygun şekilde işlenerek derinlik hissi

veren tek görüntünün yani 3 boyutlu görüntünün oluşmasını sağlar. Burada bahsi geçen görüntüler iki

farklı görüntüdür ve iki farklı kameradan sağlanmaktadır. Sistem bu iki görüntüyü kameraların farklı

adreslere sahip olmasından dolayı ayırt edebilmektedir. Çünkü nesnenin konumunu belirlemede

kullanılan algoritma iki görüntü arasındaki derinlik, kameralar arasındaki uzaklık, kullanılan

kameraların özelliği olan odak mesafesi ve kamera açısı parametrelerine ihtiyaç duymaktadır. Bu

parametreler şekil 6’te görülmektedir.

Şekil 6: 3 boyutlu görüntü işleme parametreleri [8]

Kameralar tarafından çekilen fotoğraflar Matlab yazılımına kablosuz ağ üzerinden aktarılır ve Matlab

yazılımı Şekil 7’deki algoritmayı işler.


134

Şekil 7: 3 boyutlu görüntü işleme Matlab algoritması

Şekil 8: Aracın Robot Kol Takılı Halde Görüntüsü


135

çöp

algılandımı?

Kameraları çöpe doğru

çevir ve fotoğraf çek

Çiçeğin rengini bluetooth

üzerinden arduinoya

aktar

Çöpün konumunu

bluetooth üzerinden

arduinoya aktar

Renge göre

belirlenen sürece

pompayı çalıştır

Çöpü robot kol ile

belirlenen

konumdan al

Çöpün

malzemesine göre

ilgili bölüme koy

çiçek

algılandımı?

E

H

çöp modülü

takılımı?

E

E

H

Sulama

modülü

takılımı?

H

E

H

H

E

başla

Çiçeğin

rengini

belirle

Çöpün

malzemesini

belirle

Çöpün

konumunu

hesapla

süpürge

modülü

takılımı?

Fotoğrafı kablosuz ağ

üzerinden bilgisayar ile

paylaş

Fotoğrafı kablosuz ağ

üzerinden bilgisayar ile

paylaş

Kameraları çiçeğe

doğru çevir ve

fotoğraf çek

araba harekete başla

ve süpürge motoru

çalıştır

araba harekete başla

ve çöp toplama

moduna geçiş yap

araba harekete

başla ve sulama

moduna geçiş yap


136

4. SONUÇLAR

Modüler tasarım felsefesi ve modüler ürünler son yıllarda değişen piyasa gereksinimleri dolayısıyla

artan bir öneme sahiptir. Üreticilerin günümüzde çeşitlenen müşteri ihtiyaçlarını karşılayabilmek için

modüler ürünler üretmeleri gerekliliği göz ardı edilemez bir gerçektir. Bu bildiride özetlenen

uygulama bu konuda laboratuvar düzeyinde yapılan bir başlangıç çalışması niteliğindedir. Bu projede,

kullanıcının isteklerine göre temizlik robotunun tasarımı, üretimi ve montajı tamamlanmış, denemeleri

devam etmektedir. Sonuç olarak modüler tasarım ilkelerine uygun bir şekilde yeni bir modüler

mekatronik ürün ailesi olan modüler temizlik robotu (Rosie) tasarlanmış ve işlevleri yerine getirebilir

durumda hazırlanmıştır. Buna ek olarak robota farklı modüller eklenerek yeni görevler atanabilir. Bu

esneklik sayesinde üreticiler için öncelikli tercih olabilir.

TEŞEKKÜR

Bu çalışma, MECE 407-408 Lisans Araştırma Projeleri I-II dersleri kapsamında gerçekleştirilmi ş ve

Atılım Üniversitesi tarafından desteklenmiştir (Proje No: ATÜ-LAP-A-1415-01). Projedeki yardımları

nedeniyle Yrd. Doç. Dr. Zuhal Erden ve Öğr. Gör. Cahit Gürel’e ve imalat konusundaki destekleri için

Meral Aday ve Handan Kara’ya teşekkür ederiz.

KAYNAKÇA

[1] W. J. Zhang ” Modular Robot System Architecture “ ICARCV. 7th International Robotics and

Vision Conference “, 2002

[2] J. Jiao, “Product Family Design and Platform-Based Product Development: A State of the Art

Review”, Journal of Intelligent Manufacturing, Cilt 18, No 1, Sayfa 5-29. 2007

[3] Z. Erden “Mekatronik Ürünlerin Geliştirilmesinde Kitlesel Bireyselleştirme ve Modüler Tasarım

Yaklaşımı”, TMMOB Makine Mühendisleri Odası, IX. Endüstri-İşletme Mühendisliği Kurultayı ,2013

[4]C. Huang, “Overview of Product Development”, Proc. Natl. Sci. Counc. ROC (A) Cilt 24, No 3,

Sayfa 149-165 , 2000,

[5] D. Miller “Defining Modules, Modularity and Modularization”, Design for Integration in

Manufacturing, IPS Research Seminar, Fuglsoe, ISBN 87-89867-60-2 “, 1998

[6] M. Chang, ”Design and Implementation of a Novel Outdoor road-cleaning Robot”, in: Proc.

SICE–ICCAS, Busan, Sayfa. 2052–2057, 2009


137

[7] R. Mattone, M. Divona, and A. Wolf, "Sorting of items on a moving conveyor belt. Part 2:

Performance evaluation and optimization of pick-and-place operations," Robotics and Computer-

Integrated Manufacturing, Cilt 16, Sayfa 81-90, 2000.”

[8] A. Kılıç, “Navigation of a Mobile Robot Using Stereo Vision”, Yüksek Lisans Tezi, Gaziantep

Üniversitesi, 2002

[9] Ç.Akbaba, S.Ilgın,L.İğde, K.Uyanık and Z.Erden, “Mekatronik Ürünler İçin Modüler Tasarım

Uygulaması: Yük Taşıma Ve Acil Durum Sistemleri Ürün Ailesi Modeli” 5. Ulusal Mekatronik

Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK2014), Atılım Üniversitesi, Ankara, 2014,Sayfa 83-94


138

ROBOT YÜZ PROJESİ

Elyas DOLGUN, [email protected] Atılım Üniversitesi, Ankara 06836

N. Burak GÜNTEPE, [email protected] Atılım Üniversitesi, Ankara 06836

Tahir URAS, [email protected] Atılım Üniversitesi, Ankara 06836

ÖZET

Bu makale koku alma duysuna sahip olan, konuşma ve mimik yoluyla insanlarla etkileşime geçebilen,

insanları sınırlı miktarlarda tarayabilen robot yüzü tanıtma amacıyla yazılmıştır. Robotun kontrolü

arduino microkontrolcü çekirdeği ile, ses yayını ise EasyVR yazılımı yoluyla sağlanmıştır. Makalenin

içeriğinde Giriş, Literatür Taraması, Mekanik, Elektronik, Bilişsel parçaları ve Sonuçlar yer

almaktadır.

Anahtar Sözcükler: Robot yüz, Hareket edebilen gözler, Boyun mekaniği

ABSTRACT

This article includes the information necessary in the making of the humanoid robot face that can

smell, imitate, recognize and interact with users in question. Speech and voice recognition functions

are realized through the inclusion of arduino microcontroller, an arduino shield, and the necessary

software. The paper also details the mechanical, electronic, software components and the conclusion.

Keywords: Robot Face, Actuated eyes, Neck mechanics

1. GİRİŞ

Günümüzde robot ve robot sistemleri insan hayatının neredeyse her bölümüne başarıyla entegre olmuş

durumdadır. Zaman ilerledikçe ve teknoloji geliştikçe robotik sistemlerin hayatımızda doldurduğu yer

de daha büyümekte, robotların rolü daha fazla artmaktadır. Günümüzde hiç de şaşırtıcı olmayan bir

şekilde robotlardan sıklıkça faydalanılmaktadır, ve bu disiplinin şu ana kadar çok fark edilmemiş bir

kısmı da robot yüz sistemleridir.


139

Robot yüz sistemleri sadece yüksek bütçeli hollywood filmelerinde değil, günümüzde, Avrupa’da akıl

hastanelerde, sanatoryumlarda ve kimsesizler yurtlarında ve kreşlerde terapi amaçlı kullanılmaktadır.

Ayrıca unutulmamalıdır ki insansı robotların boyun üstü kısmı aslında yüz robotlarıdır, ve bu alanda

yapılan çalışmaların insansı robotların geleceği için hayati olduğu söylenebilir.

Robot yüz sistemlerinin önemli özellikleri arasında insanlarla interaksiyona geçebilmesi, ve bu

interaksiyonu gerçekleştirirken karşısındaki insanı yapaylığıyla tedirgin etmemesi için insani

hareketleri ve duyguları mümkün olduğunca taklit edebilmesi vardır. Söylenilenlerin mümkün

olduğunca anlaşılıp uygun yanıtları verebilmesi, söylediklerinin altını uygun çene hareketleriyle

çizebilmesi, mümkünse karşısındakini tanıyıp geçmişe dayalı tecrübelerini kullanarak karşısındaki

kişininin neleri sevip neleri sevmediğine göre karar verebilmesi, ve yaratılmış bir karakterinin olması

da beklenebilir.

Yüz robotlarının büyük kaslarının hareketleri (boyun, çene) daha büyük servo motorlarla

sağlanabilirken yüz ifadelerinin taklit edilmesi için çok daha küçük ve hassas aktüatorlere ihtiyaç

duyulmaktadır. Amaç insana olabilecek en yakın tecrübeyi sunmak olduğunda hiç şüphesiz bu servo

motorlar elde edilebilecektir. Gelecekte düşünülmesi gereken başka noktalar ise robota kameraların

dahil edilmesi, yüze uygun mertebe insan derisini andıracak bir kaplama yapılması, ses giriç çıkışının

problemsiz olması için edinilebilecek daha yüksek kalite mikrofon ve hoparlörler, ve bununla kolayca

çalışabilmek için matlab içeren mikroprosesörler, ve bir vücut olabilir.

2. LİTERATÜR TARAMASI

1980lerden itibaren devam eden robot yüz paradigması, son 10 yılda kolay kullanıma açılan serbest

yazılım programları, kolayca edinililebilen mekanik ve elektronik parçalar sayesinde fevkalade

ilerlemiştir. İlk robot yüz çalışmaları çoğunlukla Japonya’da yapılmış olup, [1] üzerlerinde pek çok

gelişme kaydedilmiştir. İnsanların insandan uzak, robot bir yüzle interaksiyona geçerken bir

rahatsızlık hissetikleri de bu yıllarda fark edilmiş, bu fenomene “Uncanny Valley Effect” ismi

verilmiştir.[2] 1990lardaki çoğu gelişim bu etkiden kaçınmak adına yapılmıştı; yüz robotları mümkün

olduğunca insanlara yakın mimikler ve davranışlarla geliştirilmeye başlandı. [3] Bu amaca ulaşmak

için daha akıcı konuşma sistemleri [4], insani dokunuşu daha çok andıran sentetik dış yüzey

kaplamalar[5], konuşanın hareketlerini takip eden ve onu tanıyan göz sistemlerini [6] kullanmak ve

geliştirmekten çekinmemiş ve bunun sonucu olarak robot yüz üstünlüğü konusunda Japonya’yı

taçlandırmışlardır.


140

1990lar ve 2000lere yaklaşırken teknolojiler ve teknoloji sahibi kişiler Avrupa ile de paylaşılmış, robot

yüz fikri batıda da yayılmaya başlamıştır. Batı robot yüz projeleri Japonya’daki gibi

elektronik/mekanik ağırlıklı değil, batı’nın bilgisayar üzerindeki kontrolünü sergilercesine yazılım ve

yapay zeka odaklı olmaya daha yatkın sistemlerdi. [7]

2000ler civarında ve sonrasında batı da doğu’nun yaklaşımını kabul etmiş ve robot yüz sistemlerinin

insanlara benzemesi konusunda özellikle çalışmaya başlamıştır. Bu iki farklı geçmişe ve kültüre sahip

paradigmanın ortak bir noktada birleşmesi olarak da görülebilir. Pisa üniversitesi tarafından yapılan

FACE bot bunun son derece iyi bir örneği olabilir.[8]

Şekil 4. 1990, KISMET, MIT (1)

Şekil 5. FACE bot, Pisa Üniversitesi (2)


141

Şekil 3, Hanson Robotics ürünü (3)

Günümüzde en gelişmiş Robot yüz sistemleri Amerika kıtasında yapılmaktadır. Filmler ve çizgi

filmler için eğlence sektörü dahilinde lider kabul edilebilecek bir firma şu anda robot yüzlerin büyük

kısmını yapmaktadır ve bu firma robotların hissetmeye ancak bu kadar yaklaşabileceğini iddia

etmektedir. Ortalama bir yüzleri bir kaç milyon dolara mal olmaktadır, ama fiziksel açıdan gerçek bir

yüzden neredeyse hiç bir farkı olmayan sistemler için bu meblağ aslında o kadar da yüksek değildir.

Bir yüz sisteminde Hanson Robotics 32den fazla aktüator, 300 sensör ve binlerce dolar değerinde

sentetik madde kullanıldığını iddia etmektedir. Yapay zeka konusunda bir insandan farklı

bulunmalarının çok zor olduğunun ise altını çizmektedir.

3. İNSANSI ROBOT YÜZÜ

Bu kısım robot yüzünün oluşturulmasını, mekaniklerini ve detaylarını içermektedir. Bu projenin amacı

var olan bir yüz robotuna hareket eden gözler ve boyun sisteminin eklenmesidir. Bu kararın arkasındar

robotun bir insana daha yaklaştırılması yatmaktadır. Robotun sahip olduğu ve geliştirilmi ş olan

özellikleri bu kısımda anlatılacaktır. Robot yüzün konuşma, koku tarafından uyarılma, duyma yetileri

vardır.


142

Konuşma konusunda;

Şekil 4. konuşma şeması

Sensör yoluyla alınan bilgiler Arduino mega (2650) çipseti tarafından diğer değişken bilgilerine göre

ayıklanır (gaz sensörleri, kamera ve ses sensörleri). Arduino mp3 ses kartını uyarır ve ses kartı

hoparlöre uygun bilgiyi gönderir.

Konuşma sisteminin aktive edilmesi için ilk önce yakın mesafede bir insan olduğu bilgisi sensörler

tarafından mikrokontrölcüye iletilmelidir. Bu olduktan sonra mikrofon açılır, ve robot dediklerinizi

dinlemeye başlar. Söylenen şeyler kaydedilir ve arduino kütüphanesindeki bilgilerle karşılaştırılır.

Eğer uygun bir cevap bulunursa bu bilgi arduino tarafından uyarılan ses eklentisi tarafından hoparlöre

gönderilir. Ses dosyalarının saklanımı ve geri çalımı ses eklentisi tarafından yapılmaktadır.

Kütüphanelerde cümleler ve kelimeler bulunmaktadır, aşağıdaki şemada örnek bir konuşma

görülmektedir.


143

Şekil 5, Robot için konuşma şeması

Mekanik yapı

Yüz hareketleri için ilk başta Yapay kas sistemi (EAP, elektrik alanlar tarafından üzerlerinde

değişiklik yapılabilen polimerler) düşünülmüştü ama meblağın fazlasıyla yüksek olması ve Türkiye’de

yaygın olmaması bunun önünü tıkadı. Bu sistem yerine servo motor tarafından kontrol edilen eklemler

kullanıldı. Servo motorların kolay kontrol edilmesi ve uygun fiyatları da karar aşamasında önemli

olduklarını gösterdiler. Servo kontrol şeması için,

Şekil 6, Servo kontrol şeması


144

Açıklamasını yapmak gerekirse, Etrafta çıkarılması gereken bir ses varsa servo kendini “max”

değerine atamaktadır. Bunun dışavurumu ağzın açılması, kaşlaın oynaması olarak gözlemlenecektir.

Eğer çıkarılan ses 2 saniyeden daha kısa sürecekse kendini “max” konuma getiremeden “min” konuma

geçirecektir, bunun özü ise konuşmaya olabildiğince yakın bir simülasyondur. Çene hareketleri için

Slider Crank mekanizmaları kullanılmıştır. Koolstra ve Van Eijden tarafından yapılan araştırmada

kurukafa ve çeneye sağ elli kartezyen kordinatları eklendiğinde ve bu noktaların birleştiği noktalar

ölçüldüğünde ve kaslar kurukafaya dik olarak düşünüldüğünde aşağıdaki denklemin kasların

uzunluğunu belirlemeye yardımcı olabileceği dikkat çekmiştir. [9]

Şekil 7 Kas-servo kol uzunluğu denklemleri [9]

Ls(t) kas uzunluğu, Lm(t) anlık kas uzunluğu, L(f) ilk fiber uzunluğu L(si) ise ilk kas uzunluğu olarak

alınmalıdır. FP, pasif çene gücü anlamına gelir ve Fmax’ın bir yan ürünüdür. Hesaplamalar sonucunda

ortalama bir insan çene kaslarının kapanma esnasında %26lık bir küçülme gösterdiği fark edilmiştir.

Bu denklemin yardımıyla kas dizaynında çene ve servo motorlar arasında 15,47 cm boşluk bırakılması

öngörülmüştür. Bunu replike etmek için yüksek torklu servo gücüne ihtiyaç duyulacağı belirlenmiş, 47

t/mlik Savoy marka dijital servolar kullanılmıştır.

Hareket edebilen gözler

Robota yeni eklenen özelliklerden biri de hareket edebilen gözler olmuştur. X ve Y düzlemlerinde

kontrol edilebilen gözler, toplamda 6 servo motor yardımıyla aktifleştirilmi ştir. Sistem dizaynı için bir

insanın kafa yapısı örnek alınmış ve tip olarak kullanılmıştır. Sistem 1 kilonun altındadır, ve kameralar

dahil edildiğinde de bu ağırlık önemli bir şekilde değişmeyecektir.


145

Şekil 8, Aktif Göz Sistemi

Bu sistem sayesinde robot kendisiyle konuşanları gözlemleyebilecek ve onlara daha insansı bir

görünüm sunabilecektir. Modern robot teknolojilerinin çok önemli bir kısmı olan takip yeteneği

konuşan bir robot kafa söz konusu olduğunda vazgeçilmez hale gelir.

Eklenen diğer bir sistem ise dudak oynatma mekanizmasının geliştirilmesi oldu. Dudak oynatma

sistemi artık çıkarılan sese göre değişmekte, ve böylece önceden kodlanmak zorunda değil, simültane

olarak dudak oynatabilmektedir.

Şemada görülen 2li yan yana duran servoların her biri arduino işlemcisinden aldığı komutlarla beraber

ses kaynağına dönmek üzere programlandı, görülen kurulum mümkün olan en yüksek enerji kazancını

sağlamak adına matematiksel olarak modellendi ve buna uygun olarak dizayn edildi.

Bili şsel Yapı

Sistemin bilişsel dizaynında Arduino Freeware kod bazlı programı ve Easy VR ses kayıt programı

kullanıldı. Bu programlar bedava oldukları ve sahip oldukları yüksek kullanılabilirlik değerleri

sayesinde tercih edildiler. Bunları bağlamak için bir Arduino kalkanı kullanıldı, bu sisteme sürekli

bağlı olan bir bilgisayarın varlığının ihtiyacını ortadan kaldırmaktadır.


146

Şekil 9. Gözlerin yapımında kullanılan diminütif kas mekaniği denklemi. [9]

3.SONUÇLAR

İnsansı yüz robotundan bahsedilen bu bildiri robotun elektronik, yazılımsal ve mekanik bilgilerini

içermektedir. Yüz robotunun iki eksende dönebilen bir boynu, tamamıyla hareketlendirilmiş göz

sistemi, hareket ettirebildiği kaşları ve ağzını açıp kapamasını sağlayan bir çene sistemi vardır.

Karşısındaki birey kendisine hitap ettiğinde karşılık verebilir, havadaki farklı gazları sezip birbirinden

ayırabilir, herhangi biri fazla arttığı zaman etrafını uyarabilir.

Gelecekteki çalışmalar çoğunlukla robotun mimikleri ve insan tanıma sistemleri üzerine olmalıdır.

Robotun mimikleri için gereken meblağ edinildiğinde, ve sistemin etrafında estetik olarak daha az

kaygı üretecek bir kaplama kullanıldığında insansı tecrübeye bir adım daha yaklaşılmış olacaktır.

Robotun kelime dağarcığı üzerinde çalışılmalıdır.

Aktüasyon mekanizmaları yenilenebilir, servo motorlar daha kaliteli versiyonlarıyla değiştirilebilir.

Mafsalların materyalleri bir üst seviyeye çıkarılabilir.

KAYNAKÇA

[1] Kobayashi, H.; Hara, F., "Study on face robot for active human interface-mechanisms of face robot

and expression of 6 basic facial expressions," Robot and Human Communication, 1993. Proceedings.,

2nd IEEE International Workshop on , vol., no., pp.276,281, 3-5 Nov 1993

doi: 10.1109/ROMAN.1993.367708


147

[2] Mori, M.; MacDorman, K.F.; Kageki, N., "The Uncanny Valley [From the Field]," Robotics &

Automation Magazine, IEEE , vol.19, no.2, pp.98,100, June 2012 [3] Bar-Cohen, Y., (2006),

“Biomimetics: Biologically Inspired Technologies”, Taylor and Francis, USA.

[3]Miyashita, T.; Shiomi, M.; Ishiguro, H., "Multisensor-based human tracking behaviors with

Markov chain Monte Carlo methods," Humanoid Robots, 2004 4th IEEE/RAS International

Conferenceon ,vol.2,no.,pp.794,81010-12Nov.2004

[4] Murakami, M. "Task-based dynamic fault tolerance and its safety considerations in humanoid

robot applications", Systems, Man and Cybernetics, 2007. ISIC. IEEE International Conference

on, On page(s): 771 - 776

[5] Hoshi, T.; Shinoda, H., "Robot skin based on touch-area-sensitive tactile element," Robotics and

Automation, 2006. ICRA 2006. Proceedings 2006 IEEE International Conference on , vol., no.,

pp.3463,3468,15-19May2006 doi: 10.1109/ROBOT.2006.1642231

[6] Das, D.; Hoque, M.M.; Onuki, T.; Kobayashi, Y.; Kuno, Y. "Vision-based attention control system

for socially interactive robots", RO-MAN, 2012 IEEE, On page(s): 496 – 502

[7] Mazzei, D., Billeci, L., Armato, A., Lazzeri, N., Cisternino, A., Pioggia, G., Igliozzi, R., Muratori,

F., Ahluwalia, A., De Rossi, D. The FACE of autism (2010) Proceedings - IEEE International

Workshop on Robot and Human Interactive Communication, art. no. 5598683, pp. 791-796.

[8] Mazzei, D., Lazzeri, N., Hanson, D., De Rossi, D. HEFES: An Hybrid Engine for Facial

Expressions Synthesis to control human-like androids and avatars (2012) Proceedings of the IEEE

RAS and EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics, art. no.

6290687, pp. 195-200.

[9] J.H. Koolstra, T.M.G.J. van Eijden, Dynamics of the human masticatory muscles during a jaw

open-close movement, Journal of Biomechanics, Volume 30, Issue 9, September 1997, Pages 883-889,

ISSN 0021-9290, http://dx.doi.org/10.1016/S0021-9290(97)00047-X.

Resimler

(1) http://www.plasticpals.com/?attachment_id=30231 taken on 29/05/015

(2) http://ebongeek.com/2012/07/ taken on 29/05/015

(3) http://www.hansonrobotics.com/robot/philip-k-dick/ taken on 29/05/015

(4) Kinematics Journal of Anatomy, 2001


148

ANDROİD TABANLI EV OTOMASYONU

Nihan YAPICI , [email protected] Karabük Üniversitesi, 78050, Karabük

Özlem ŞAHİN, [email protected] Karabük Üniversitesi, 78050, Karabük

Doç. Dr. Birhan IŞIK , [email protected] Karabük Üniversitesi, 78050, Karabük

ÖZET

Bu çalışmada, otomasyon sistemlerinin prototip bir ev üzerinde uygulaması yapılmıştır. Bu

sistemlerden bazıları, Android uygulama ile kontrol edilmektedir. Prototip evde, ışık, klima, alarm,

kapı kilidi ve perde kontrol edilebilmektedir. Ayrıca sıcaklık bilgisi Android uygulama üzerinden

gerçek zamanlı olarak takip edilebilmektedir.

Anahtar Sözcükler: Akıllı ev, Android, Arduino

ABSTRACT

In this study, a prototype house has been established with using automation systems. Some off the

systems can been controlled by Android. Light, climate, alarm, door lock and curtain have been

followed by Android application on real time.

Keywords: Smart house, Android, Arduino

1. GİRİŞ

Ev otomasyonu sistemleri, günlük hayatımızda kullandığımız, evlerimizde standart ihtiyaçlar

içerisinde yer alan aydınlatma, ısıtma-soğutma, güvenlik, bahçe sulama vb. sistemlerinin kontrolünü

insan müdahalesine gerek kalmaksızın veya uzaktan kontrolü sağlanarak gereksiz yere zaman

kaybettirmeden tek merkezden ve önceden verilen komutları, senaryoları uygulayarak yönetmesidir.

Bu ev otomasyon sistemlerinde dışarıdan aldığı bilgiler doğrultusunda verilen programsal komutlara

göre çıkarım yaparak çıkışlar üretebilen uygulamalar akıllı ev olarak adlandırılmaktadır. Normal bir

ailenin enerji giderlerini arttıran ve gereksiz enerji tüketimine neden olan en büyük etkenler, gereksiz


149

yere açık bırakılan ışıklar, yüksek seviyelerde çalıştırılan ısıtma ve soğutma sistemleri, evin

kullanılmayan bölgelerinin ısıtılması, gün ışığından gerektiği kadar faydalanamama, açık bırakılan

cihazlar ve benzeri durumlardır [1]. Isıtma sistemlerinin otomasyonla denetimi bir evin ısı enerjisi

tüketimini %10, gereksiz ışıkların söndürülmesi, yakılan ışıkların %90 parlaklıkta yakılması,

cihazların ucuz tarife zamanlarına göre programlanmaması gibi yöntemler ise elektrik enerjisi

tüketimini %30’a varan oranda azaltabilir [2].

2. SİSTEMİN TASARIMI

2.1. Donanım

Projede birden fazla teknolojiden yararlanılmış olup her sistemin kendine ait kontrol mekanizması

bulunmaktadır. Ev otomasyonu sistemi, mikrodenetleyiciler, mobil uygulama ünitesi, haberleşme

ünitesi, motor kontrol üniteleri ve sensörlerden oluşmaktadır.

2.1.1. Materyaller

Proje kapsamında iki adet Arduino Uno R3, Ethernet Shield, modem, sıcaklık sensörü, hareket

sensörü, ışık sensörü, fan, DC motor, servo motor, LCD ekran, tuş takımı, lamba ve android işlemcili

telefon kullanılmıştır.

2.1.1.1. Elektronik Devre Kartı

Arduino Uno R3, üzerinde Atmega328 mikroişlemci yer alan, 14 dijital giriş, 6 analog giriş ve 6 PWM

sinyalinin üretilebileceği pinler olan açık platform mikroişlemci geliştirme kitidir (Şekil 2).

Arduino’nun girişlerine bağlanan sensörler aracılığıyla ortam bilgisi alınarak istenilen çıkışlar yazılan

program sayesinde istenilen çıkışlar elde edilmektedir. Diğer elektronik kartlarla karşılaştırıldığında

Arduino Uno R3 kontrol ve programlama kolaylığı sağlaması, giriş ve çıkış sayıları, açık kaynak

kodlu olması açısından tercih sebebidir.

Şekil 2. Elektronik devre kartı (Arduino Uno R3)


150

2.1.1.2. Ethernet Shield

Ethernet shield, Arduino ailesindendir ve bir arduino geliştirme kartının üzerine takılarak kullanılır.

Kontrol edilmek istenen sistemin modem aracığıyla android arayüz ile haberleşmesini sağlamaktadır.

Arduino Ethernet Shield, Arduino platformları için hazırlanmış, ethernet üzerinden internete

bağlanmayı sağlamaktadır. Wiznet W5100 entegresini üzerinde barındıran bu kart hem TCP hem de

UCP ile uyumludur. Arduino Ethernet Shield 4 eş zamanlı soket bağlantısını desteklemektedir. Shield

üzerindeki standart RJ45 ethernet soketine ethernet kablosunu bağlayarak, Arduino ethernet

kütüphanesi ile hızlı bir şekilde Arduino internete bağlanabilmektedir. Ethernet Shield’in genel

görüntüsü Şekil 3’de görülmektedir.

Şekil 3. Ethernet Shield

2.1.1.3. Modem

Android arayüz ile ethernet shield arasındaki haberleşme modem aracılığıyla yerel ağ bağlantısı

üzerinden gerçekleşmektedir. LAN (Local Area Network-Yerel Alan Ağı), birbirine yakın mesafedeki

bilgisayarların bir kablo ve ağ kartı (Ethernet kartı) aracılığıyla bağlanmasıyla oluşan bilgisayar

ağlarıdır. Buradaki maksimum mesafe 170 metre olabilir. Yani bir bina içindeki bilgisayarlar ya da

birbirine yakın iki binadaki bilgisayarlar LAN ağıyla birbirine bağlanabilir. Donanım olarak Kablo

(Coaxiel, UTP(Cat4, Cat5..)) ve Ağ kartı (Ethernet kartı) kullanılır [3].

2.1.1.4. DC Motor

LDR’ den gelen ışık şiddeti bilgisine göre perdenin dönmesi gerektiği yöne hareketini

gerçekleştirmektedir. Yüksek hassasiyet ve yüksek veriminden dolayı Maxon 2326.938 model DC

motor kullanılmıştır.

Motorun teknik özellikleri Tablo 1’ de verilmektedir.


151

Tablo 1. Motorun Teknik özellikleri [4]

Motorun Gücü 4W

Maksimum Tork 13.5 mNm

Çalışma Gerilimi 12V

Yüksüz Durumdaki Devri 5770 rpm

Yüksüz Durumda Çektiği Akım 16.4 mA

Maksimum Verim %80

2.1.1.5. Motor Sürücü Entegresi

DC motorun perde kontrolünde çift yönlü kontrol edilebilmesi için motor sürücü entegresi

kullanılmıştır. Bu iş için L293D seçilmiştir. İç yapısı ve teknik özellikleri Şekil 4’deki gibidir.

Şekil 4. L293D Motor Sürücü Entegresinin İç Yapısı ve Teknik Özellikleri

2.1.1.6. Servo Motor

Ayrıca projemizde şifreli kapı kilit sistemi bulunmaktadır. Doğru şifrenin girilmesi ile açılacak olan

kapının kontrolü servo motor ile sağlanmıştır. Servo motor olarak MG90 kullanılmıştır ve teknik

özellikleri tablo 2’ de belirtilmiştir.


152

Tablo 2. Servo motorun teknik özellikleri [5]

ÇALIŞMA VOLTAJI 4.8V - 6V

TORK 1.8 kg/cm (25 oz/in) @ 4.8V

2.2 kg/cm (31 oz/in) @ 6V

HIZ 0.10 sec/ 60 derece @ 4.8V

0.08 sec/ 60 derece @ 6V

AĞIRLIK 13.4 g

ROTASYON ARALIĞI 180 derece

PULSE DÖNGÜSÜ 20 ms

BOYUTLARI 22mm * 12mm * 29 mm

DİŞLİ Metal

2.1.1.7. Sensörler

Projemizde sıcaklığın algılanması için 2-150° aralığında, 0.5° hassasiyetli ve 0-10mV aralığında çıkış

veren LM35 sıcaklık sensörü [6], ortamdaki ışık şiddetinin algılanabilmesi için LDR ve hareketin

algılanabilmesi için PIR sensörü kullanılmıştır (Şekil 5).

(a) (b) (c)

Şekil 5. Sensörler a. LM35, b. LDR, c.PIR

2.1.1.8. Diğer Elemanlar


153

Sistemimizde şifreli kapı kilit sistemi bulunmaktadır ve bu sistem için 16 pinli LCD ve 4*3’lük

keypad kullanılmıştır. Bu elamanların görünüşü Şekil 6’daki gibidir.

(a) (b)

Şekil 6. Şifreleme elemanları a.Tuş takımı, b.Gösterge

2.2. Montaj

Projenin prototipi SolidWorks programında tasarlandı ve pleksiglas malzemeye lazer kesim

uygulandı. Lazer kesiminin tercih edilmesinin sebebi kapı ve pencere gibi ufak detaylar için hassas

kesimlerde kullanılabilir olmasıdır. Gerekli elemanlar kullanılarak montaj gerçekleştirilip 30*30*30

cm ebatlarında bir ev elde edildi (Şekil 7). Projede bulunan şifreli kapı kilit sistemince önceden

belirlenmiş şifre tuş takımından girilen sayılarla karşılaştırılarak kapıya takılmış olan motor ile kapının

kontrolünü sağlamaktadır. Perde kontrolü için LDR’den alınan ışık bilgisi önceden belirlenmiş eşik

değer ile karşılaştırılarak perdenin açılıp kapanması veya durması sağlanmaktadır. Evde hareket

olması durumunda hareket sensörü çıkış vererek alarmı çalıştırır. Android arayüz üzerinden de

sıcaklık, lamba, fan ve hareket kontrolü gerçekleştirilmektedir. Sisteminin blok diyagramı Şekil 8’de

görülmektedir.

Şekil 7. Prototip Genel Görünümü


154

Şekil 8. Sistemin Blok Diyagramı

2.3. Kullanılan Yazılımlar

Projemizde telefonla sistem arasındaki iletişimin sağlanabilmesi için Eclipse programı kullanılarak

android uygulama geliştirilmi ştir. Işık ve klimanın kontrolü için telefon ekranında bulunan butonlar ile

modem aracılığıyla Arduino’ya aç-kapat bilgisi gönderilerek Arduino pinlerine bağlı elemanların

çalışmaları sağlanmaktadır. Ortamın sıcaklık bilgisi sensör ile alınarak telefon ekranında

görüntülenmektedir. Ekranda bulunan hareket butonunun amacı kullanıcının evde olup olmadığını

sisteme bildirmesi içindir. Perdenin kontrolü için öncelikle ışığın artması, azalması ve istenen değerde

olması durumlarında ortamın ışık şiddetine bağlı olarak değişen değerler gözlemlenmiştir. Buna bağlı

olarak 3 farklı değer aralığı belirlenmiş ve motorun sağa, sola hareketi ve durması yazılan kodlar ile

sağlanmıştır. Herhangi bir hareket durumunda hareket sensöründen gelen sinyale bağlı olarak alarm

aktifleşmektedir. Kapı girişinde bulunan tuş takımından girilen şifre ekranda görülmekte ve doğru

şifre girildiği takdirde kapıda bulunan servo motorun ucundaki aparat 90° dönmekte ve 10 sn sonra

tekrar eski pozisyonuna dönmektedir. Tasarlanan ara yüzün telefon ekranındaki görüntüsü Şekil 9’daki

gibidir.


155

Şekil 9. Telefon ekranı görüntüsü

3. SONUÇLAR

Bu proje sayesinde uzaktan ve otomatik olarak mekan içi sistemlerin kontrolü sağlanmıştır. Çalışma

verileri ethernet shield ve modem aracılığı ile mikrodenetleyiciye gönderilip işlenmektedir. Ayrıca

sensör ve tuş takımı giriş verilerine göre kontroller de sağlanmıştır. Bu projede altı ayrı birim kontrol

edilmiştir. İstenildiği takdirde sisteme yeni birimler eklenip kontrolü sağlanabilir.

KAYNAKÇA

[1] M.Yumurtacı ve A.Keçebaş, “Akıllı Ev Teknolejileri ve Otomasyonu Sistemleri”, 5. (IATS’09),

13-15, Karabük, Türkiye, Mayıs 2009.

[2] Göktaş, İ., Akıllı ev teknolojisi, Yüksek Lisans Tezi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği, Fen

Bilimleri Enstitüsü, Gazi Üniversitesi, Ankara, 2006.

[3] Bilgisayar Ağları, Egze Bilişim & Hosting Hizmetleri, http://www.egze.com/ogr/netw.php

[4] Maxon Motor 2326.938-12.111-050 Datasheet,

http://www.maxonmotor.com/maxon/view/product/motor/dcmotor/DC-Sonderprogramm/2326.938-

12.111-050

[5] MG90 Servo Motor, http://www.robotiksistem.com/tower_pro_mg90_servo_motor.html

[6] Texas Instruments LM35 Datasheet, http://www.ti.com/product/lm35


156

SOLAR KÜRE TASARIMI VE PROTOT İPİ

Ramazan TACİR, ramazantacir@ outlook.com.tr Karabük Üniversitesi, 78050, KARABÜK

Yücel DAİL , [email protected] Karabük Üniversitesi, 78050, KARABÜK

Doç.Dr. Birhan IŞIK , [email protected] Karabük Üniversitesi, 78050, KARABÜK

ÖZET

Solar küre, güneş enerjisini daha verimli kullanabilmek için tasarlanmış küresel cam bir toptur. Güneş

piline gelen ışınımla elektrik üretilir. Bu mekanizma aynı zamanda bir güneş takip sistemidir. Güneşin

konumuna göre sistem ışığın panele dik gelmesini sağlayacak şekilde çalışmaktadır. Sistem, güneşi

doğu-batı yönünde takip ederek güneş ışınları panele dik gelecek şekilde tasarlanmıştır.

Bu çalışmada, cam küre vasıtasıyla güneş ışınımı odaklanarak güneş hücrelerinden elde edilen verimin

arttırılması amaçlanmıştır. Solar küre kullanılmadan panelden elde edilen gerilim değeriyle, solar küre

kullanıldıktan sonra elde edilen değerler karşılaştırılmıştır. Bu sayede sistemin uygulanabilirliği test

edilmiştir. Bu şekilde hücrede üretilen elektrik enerjisi odaklanmadan önce üretilen elektrik

enerjisinden daha fazla olduğu tespit edilmiştir.

anahtar sözcükler: solar küre, güneş paneli, elektrik enerjisi

ABSTRACT

The solar sphere is a designed spherical glass ball that to use the sun’s energy more productive. Solar

batteries generated electricity with incoming light this mechanism is also a solar tracking system. The

system according to the position of the sun provides the panel to come to light and perpendicular

work in this way. The system is to follow the east-west direction of the sun, the sun’s raise

perpendicular to the panel has been designed.

In this study, the solar radiation focusing through the spheres are provided to increase the yield

obtained from the solar cell. The voltage values obtained from the panel without using the solar

sphere the values obtained were compared after use sphere. Thus, the applicability of the system

tested. In this way, the power generated before focusing electrical energy produced in the cell is

determined to be greater .

Keywords: solar sphere, sun panels, electrical energy


157

1. GİRİŞ

Bu sistem güneş enerjisinin daha verimli kullanılmasını amaçlamaktadır. Sistemin temel

elemanlarından biri olan 68x63x3 mm ebatlarında monokristal güneş paneli kullanılmıştır. Güneş

paneli mekanik bir yapı üzerinde elektriksel olarak birleştirilmi ş fotovoltaik hücrelerdir. Bu

fotovoltaik hücreler genellikle silikon tabalı yarı iletkenlerdir ve ışığa maruz kaldıklarında elektrik

akımına yol açacak elektronların hareket etmesiyle elektrik üretirler. Her hücrenin belirli bir ışıma

altında oluşturduğu DC gerilim, DC akım ve güç vardır. Hücreler mekanik bir yapı üzerinde seri ve

paralel bağlanarak istenilen gerilim ve akım karakteristiği elde edilir. Hücreler elektriksel olarak

birleştirildikten sonra dış etkilerden ve ultraviyole ışınlardan korumak amacıyla EVA denilen özel bir

madde ile kaplanır. Bu madde sayesinde sadece görünür güneş ışığı hücrelere ulaşmış olur ve

hücrelerin gereksiz yere sıcaklıklarının artmasının önüne geçilmiş olur. EVA’nın önünde de genelde

cam veya benzeri koruyucu şeffaf bir tabaka daha kullanılır [1].

Bu çalışmada solar küre güneş enerjisini daha verimli kullanabilmek için tasarlanmış küresel cam bir

toptur. Güneş piline gelen ışınımla elektrik üretilir bu mekanizma aynı zamanda bir güneş takip

sistemidir. Güneşin konumuna göre sistem ışığın panele dik gelmesini sağlayacak şekilde

çalışmaktadır. Sistem güneşi doğu-batı yönünde takip ederek güneş ışınları panele dik gelecek şekilde

tasarlanmıştır [2].

2. MATERYAL-YÖNTEM

2.1. SİSTEM TASARIMI

Projenin blok diyagramı akrilik küre, güneş paneli, sensör ünitesi, sürücü ünitesi, dc motor ünitesi ve

bataryadan oluşmaktadır. Sisteme ait blok akış diyagramı Şekil 1’de verilmektedir.

Şekil 1: Sistemin Blok Akış Diyagramı


158

Solar küre üzerine gelen ışınlar odaklanarak güneş paneli üzerinde toplanır. Panelin güneş ışığından

gün boyu yararlanmasını sağlamak için takip sistemi devresi tasarlanmıştır. Sistemin detaylıca

çalışması 2.3. Solar Kürenin Çalışma Sistemi başlığı altında anlatılmıştır.

2.2. SİSTEMDE KULLANILAN ELEMANLAR

2.2.1. L293D Motor Sürücü

Gerçekleştirilen çalışmada L293D motor sürücü entegresi kullanılmaktadır. Motorunun hız ve yön

kontrolü yapılmaktadır. L293D motor sürücü entegresi 5V ile 35V arasında motorun çıkış gerilimini

sağlamaktadır. Bu entegre şekil 2’de verilmektedir.

Şekil 2 : L293D Motor Sürücü Entegresi

2.2.2. DC Redüktörlü Motor

Motor sürücüden gelen tetikleme sinyaline göre dönme yönünü belirler ve dönme işlemi yapar. Torku

yüksektir. Salıncağın konumunu korumasını sağlamaktadır. Şekil 3’te devrede kullanılan DC motoru

verilmektedir.

Şekil 3 : Redüktörlü Dc Motoru

2.2.3. LDR Sensörü

LDR ışığın yoğunluğunu algılayıp analog çıkış veren devre elemanıdır. LDR sensörü ile güneş

konumu algılanıp, DC motorunun yönü belirlenmektedir. LDR sensörü Şekil 4’de gösterilmiştir.


159

Şekil 4 : LDR Sensörü

2.2.4. Akrilik Cam Küre

Akrilik küre üzerine düşen güneş ışınlarını mercek görevi görerek, güneş paneli üzerine odaklar.

Şekil 5’te güneş ışığını panele odaklayan akrilik cam küre verilmiştir.

Şekil 5 : Akrilik Cam Küre

2.2.5. Güneş Paneli ve Batarya

Güneş panelleri yani fotovoltaik paneller , birçok solar hücreden oluşur. Bu hücreler silikon adı

verilen ve dünyamızda çokça bulunan elementlerden yapılır. Her bir hücre, aynen pillerde de olduğu

gibi, elektrik akımı yaratmak için bir pozitif ve bir negatif katmandan oluşur. Güneşten gelen fotonlar

güneş panelinin üzerinde bulunan bahsettiğimiz bu hücreler tarafından emildiklerinde, açığa çıkan

enerji elektronların özgürce hareket etmelerine yol açar. Elektronlar panelin alt kışıma doğru yol alır

ve bağlantı kablosundan dışarı çıkarlar. Elektronların bu akımına elektrik denir. İstenilen enerji

miktarına göre solar hücreleri bir araya getirip birçok farklı alanda kullanmak ve enerji üretmek

mümkündür. Kullanılan panelin boyutu yapılacak ise göre değişse de, işleyiş prensibi aynıdır. Şekil

6’da sistemde kullanılan güneş panelli batarya cihazı verilmiştir [3].


160

Şekil 6:. Sistemde Kullanılan Güneş Panelli Batarya Cihazı

2.3. SOLAR KÜRENİN ÇALI ŞMA SİSTEMİ

Küre içi su dolu halde çalışmaktadır ve güneş ışınları 10.000'den fazla kez büyütülmektedir.

Fotovoltaik hücrelerden üretilen güneş panelleri ise doğrudan büyütülmüş ışınların hemen altında

bulunmaktadır. Bu sayede kürenin içinden geçen ışınım elektrik enerjisine çevrilmektedir [4]. Top

şeklinde geliştirilen akrilik polimer lensi ve arka tarafında bulunan güneşin duruma göre hareket eden

özel toplayıcı mekanizması ile güneş ışınlarını tek bir nokta üzerine yoğunlaştırır ve böylece çok daha

etkili ve verimli bir üretim gerçekleştirilebilmektedir [5]. Sistemin prototipi Şekil 7’de verilmiştir.

Şekil 7: Solar Küre Sistemi

Odaklayıcı sistemlerde güneş pillerin ısınması büyük bir problemdir. Bunu önlemek amacıyla solar

kürelerde diğer odaklayıcı sistemlerden farklı olarak odaklama amacıyla kullanılan cam küre içerisine


161

elektriği iletmeyen sıvı konularak güneş enerjisinin ısısı camdan geçerek bu sıvı içerisine hapsolur.

Böylece cam kürenin ardındaki güneşi takip sistemiyle çalışan güneş pili mekanizmasına güneş ışını

sıcaklığı azalmış bir şekilde gelerek güneş pilinin verimini yükseltmektedir. Solar küreyi farklı yapan

özelliği ise geceleri de çalışabilmesidir. Bulutlu güneşli bir günün yanı sıra, ay ışığında da enerji

toplanabilir [6].

Bu dev küre üzerine güneş ışığını toplayan, yoğunlaştıran güçlü bir lens ve yaklaşık yüzde 40

verimlilikle çalışmaktadır. Bu küre, üzerine vuran ışık seviyesini en üst düzeye çıkarmak amacıyla

güneşi takip edebilmektedir. Ayrıca, sabit fotovoltaik panellere oranla döner çift eksenli izleme

olanağını kullanarak yüzde 70 daha fazla güneş enerjisi toplanmaktadır [7].

2.4. ODAKLANMA

Işık ışınları saydam bir ortamdan başka bir saydam ortama geçerken ışınların bir kısmı yansıyarak

geldiği ortama dönerken bir kısmı da ikinci ortama, doğrultusu ve hızı değişerek geçer. Işığın ikinci

ortama geçerken doğrultu değiştirmesine ışığın kırılması denir.

Küresel camlara gönderilen ışık camdan geçerken kırılmaya uğrar. Önce girişte normale yaklaşır.

Çıkarken de normalden uzaklaşarak kırılır. Burada unutulmaması gereken olay, küresel yüzeylerde

merkezden geçen bütün doğruların normal olduğu ve normal üzerinden gelen ışınların

kırılmayacağıdır. Şekil 8’de küresel yüzeylerde odaklanma gösterilmektedir [8].

Şekil 8: Küresel Yüzeylerde Odaklanma


162


Yapılan ölçümler sonucunda, akrilik küre olmadan panelin çıkış gerilimi 1.52 V ölçülmüştür. Akrilik

küre ile yapılan ölçümlerde ise çıkış gerilimi 1.70-2.0 V arasında gerilimler ölçülmüştür. Bu ölçümler

havanın güneş yoğunluğuna göre değişiklik göstermiştir. Şekil 9 ve 10‘da solar küre deneysel

çalışmaları sırasında çekilen gerilim ölçümleri resimleri yer almaktadır.

Şekil 9:Solar Küresiz Panel Gerilimi Şekil 10:Solar Küreli Panel Gerilimi

4. SONUÇLAR

Bu projede kullanılan akrilik küre vasıtasıyla güneş ışınları panelin üzerine yoğunlaşarak odaklanır.

Bu sistemde LDR güneşin konumunu algılayarak da akım motorlarının yönünü belirler. Burada amaç

güneş ışınlarının panel üzerine dik düşmesini sağlamaktır, bu aslında bir güneş takip mekanizmasıdır.

Kullanılan batarya sayesinde motorların ve sürücü ünitesinin beslemesi sağlanır ve çıkış gerilimi

üretilir. Bataryanın üzerindeki LED lambalar bataryanın doluluk yüzdesini belirtir. LDR havanın

kararmasını algıladığı zaman devre üzerinde bulunan LED lambalar yanmaktadır. Yapılan işlemler

sonucunda güneş panelinin verimi %13 ile %35 arasında arttığı gözlemlenmiştir.

Deneylerde gözlemlendiği üzere güneş hücresi üzerine düşen ışık yoğunluğu arttıkça hücre verimi ve

üretilen gerilimde artmaktadır. Bu sisteme entegre edilebilecek mekanizma ve yöntemlerle hücre

verimi arttırılabilir. Bu sistemde verimi etkileyen en önemli faktörlerden biri de ölçüm yapılırken

güneşin geliş açısının gün içerisinde değişiklik göstermesinden kaynaklanan enerji kaybıdır. Bir diğer

etken ise panel arkası sıcaklığının artmasıyla oluşan verim kaybıdır. Bu iki problem en aza


163

indirgenildiği takdirde sistem verimliliği tatmin edici düzeylere gelebilir. Güneşin geliş açısının gün

içerisinde değişiklik göstermesinden kaynaklanan enerji kaybını gidermek için güneş takip sistemi

entegre edilmiştir. Güneş takip sistemiyle birlikte gün içerisindeki güneşin geliş açılarına göre panel

güneşe doğru yönelir ve güneşin geliş açısından kaynaklanan enerji kayıpları en aza indirgenmiş olur.

Takip mekanizmasının olumsuzluğu ise maliyeti ve uzun vadede ki bakım sorunudur. Panel arkası

sıcaklığı da düşürmek amacıyla çeşitli alternatifler mevcuttur. Bu alternatiflerden bu sistem için en

uygunu panel arkasını bir fan vasıtasıyla soğutma işlemidir. Panelden üretilen elektriğin bir kısmıyla

fan çalıştırılır ve panel arkasının ısınmasından kaynaklanan enerji kaybı en aza indirgenmiş olur.

Böylelikle sistemde oluşan enerji kayıplarından kaynaklanan verim düşüşü belirli bir şekilde önlenmiş

olur. Ayrıca bu çalışmadaki solar küre sisteminde kürenin boyutundan dolayı odak sadece bir hücreyi

kapsıyor bu yüzden verim artışı sadece bir hücreye göre hesaplanmış olur. Kürenin boyutu arttırıldıkça

oluşturacağı odağın alanı da artar. Bu sayede odak panelin tamamını kapsayabilir bu sayede verim

artışı daha büyük boyuttaki hücre ve panel sistemleri için hesaplanabilir. Bu şekilde verim daha üst

seviyelere çıkarılabilir.

KAYNAKÇA

1. http://komponentpazari.com/blog/gunes-enerjisi-1-gunes-paneli-nedir-cesitleri-nelerdir/

2. Yücel DAİL, Karabük Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü

Lisans Tezi, 2014

3. http://www.devrearsivi.com/gunes-panelleri-nasil-calisir/

4. İnternet: Elektrikport “Güneşi En Verimli Şekilde Kullanın: Rawlemon Solar Küre PV Sistemler”

http://www.elektrikport.com/haber-roportaj/gunesi-en-verimli-sekilde-kullanin-rawlemon-solar-kure-

pv-sistemler/11437#ad-image-0 (Mayıs-2014).

5. İnternet: Donanımhaber “Rawlemon Adlı Küresel Güneş Konsantrasyon Sistemi İle Her

Noktada Verimli Enerji Üretilebiliyor”, http://www.donanimhaber.com/diger-bilim-ve-

teknoloji/haberleri/ Rawlemon-adli-kuresel-gunes-konsantrasyon-sistemi-ile-her-noktada-verimli-

enerji-uretilebiliyor.htm (Mayıs-2014).

6. İnternet: Bilim.org “Güneş küreleri ile bulutlu günlerde bile güneş enerjisi”,

http://enerjisi2.rssing.com/browser.php?indx=9975249&item=16 (Mayıs-2014).

7. İnternet: EnerjiPostası “Güneş Enerjisinin Geleceği Dev Kristal Küre Teknolojisinde”,

http://www.enerjipostasi.com/5720--HaberGosterozel-haber-gunes-enerjisinin-gelecegi-dev-kristal-

kure-teknolojisinde!.html (Mayıs-2014).

8. http://www.egitimim.com/Oss_Lgs/OSS_Fizik/Optik_KA.htm


164

MODÜLER ÜRÜN AYRI ŞTIRMA OTOMASYONU

Ali Tahir KARA ŞAHİN, [email protected], Karabük Üniversitesi, 78050, Karabük

Yasin Hakan YÜRÜK, [email protected] , Karabük Üniversitesi, 78050, Karabük

ÖZET

Bu çalışma, Karabük Üniversite Mekatronik Mühendisliği öğrencilerinin tasarım ve imalatını yaptığı

Modüler Ürün Ayrıştırma Otomasyonunun tasarım ve imalatı incelenecektir. Sistemin tasarım

esnasında kullanılan malzemeler ele alınacak ve modüler sistemlerin otomasyon sektöründeki yeri ve

önemi üzerinde durulacaktır. Prototip üretim esnasında yapılan maliyet analizleri sonucu olarak,

sistemin prototip maliyeti en aza indirgenmeye çalışılmıştır. Bu yüzden sistemin malzeme seçimi

çoklu üretime göre değil, prototip üretimine göre saptanmıştır.

Anahtar Sözcükler: Modüler Ürün Ayrıştırma, Otomasyon, Modülerlik

ABSTRACT

In this study, Modular Product Separation Automation that University of Karabuk, Mechatronics

Engineering student has designed and manufactured will be investigated. In the process of this concept

design used will be examined and the place and the importance of the modular system in automation

industry will be emphasised. As a result of cost analysis done in duration of prototyping, the

prototyping costs are tried to minimized as far as possible. Therefore materials of the concept wasn’t

selected according to mass production but prototyping.

Keywords: Modular Product Separation, Automation, Modularity

1. GİRİŞ

Endüstriyel otomasyon, bir endüstriyel sistemden beklenen ve amaçlanan biçimde çalışması için

gerekli olan işlemlerin kendiliğinden yapılmasını sağlayan süreç olarak tanımlanabilir. Endüstriyel

otomasyon sistemleri aynı zamanda, üretim sistemlerinin üst düzeyde planlanması ve yönetimi için

gerekli olan süreç verilerinin alınması ve aktarılması işlevini de görür. Bu sistem en genel anlamda,

kumanda, kontrol ve çevre iletişimi ile ilgili i şlevleri sağlayan bölümlerden oluşur. Her bölüm


165

donanım ve dayandığı bilgi nedeniyle değişik alanlar olarak değerlendirilir ve incelenir. Endüstriyel

kumanda sistemleri, üretim birimlerinin çalışma koşularını mantıksal durumlara göre düzenleyen ve

gerçekleyen sistemlerdir. Bu tür devrelerde mantıksal ilişki, zamanlama ve sayma yöntemleri

kullanılarak amaca uygun kumanda işaretleri üretilir. Kontrol sistemleri, bir üretim sürecini her türlü

bozucu etkiye rağmen istenen değerde çalışmasını sağlamak üzere kurulan sistemlerdir. Kontrol

sisteminin temel görevi kontrol edilen büyüklük ile istenen büyüklük arasındaki farkı belirli ölçütler

altında en kısa sürede gidermektedir [1].

Bu çalışmada konveyör sistemi kullanılarak Servo motor, endüktif sensör, renk sensörü yardımıyla

alüminyum ve kırmızı, mavi, yeşil renklerde bulunan plastik malzemelerin belirli konfigürasyonlara

göre ayrıştırma işlemi gerçekleştirilmektedir.

2. GENEL PRENSİPLER

2.1 Modelleme

Sistem sigma profil üzerinde kurulu olan; konveyör sistem, endüktif ve renk sensörü, servo motorlar

ve alüminyum kanallardan oluşmaktadır.

Şekil 1. Projenin solid çizimi

Kullanılan Araç ve Gereçler;

• Sigma Profil

• Arduino Mega

• Renk Sensörü (TCS3200)

• Endüktif Sensör


166

• Servo Motor

• Konveyör Sistem

• DC Motor

• Güç Ünitesi

• Kaplin

2.2 Renk Sensörü (TCS3200)

TCS3200 Renk Sensörü, TAOS TCS3200 sensör çipi ve 4 beyaz LED de dahil olmak üzere tam bir

renk dedektörüdür. TCS3200 ile neredeyse tüm görünür renkleri tanınabilir. Ters şeridi okuma, renge

göre sıralama, ortam ışığı algılama, kalibrasyon ve renk uyumu gibi uygulamalarda kullanılabilir.

Bununla birlikte ürün üzerinde yer alan yuva sayesinde dış ortamdan etkilenmeden renk tespiti daha

sağlıklı yapılabilmektedir.

Özellikleri [2];

• Giriş voltajı: 2.7 V- 5 V

• Arayüz: Dijital TTL

• Sensör yuvası sayesinde daha sağlıklı ölçüm

• Programlanabilir ve tam ölçekli çıkış frekansı

• Mikro denetleyiciler ile doğrudan iletişim

• Boyut: 28.4 x 28.4 mm

Şekil 2. Renk sensörü

2.3 Endüktif Sensör

Metal cisimlerin algılanmasında kullanılır. Sensör, bobin, osilatör, tetikleme ve çıkış katlarından

oluşur. Şekil 5’de bobin kısmında oluşturulan endüktif alan içine giren bir metal, osilasyonun genliğini

etkiler.


167

Şekil 3. Endüktif sensör çalışma prensibi [3]

2.4 Tasarım

Projenin blok diyagramı mikrodenetleyici ünitesi, sensör ünitesi ve servo motor ünitesi olmak üzere üç

ana bölümden oluşmaktadır. Sisteme ait blok diyagram Şekil 4’de verilmektedir. Sistemin

gerçekleştirilmi ş hali Şekil 5’de belirtilmiştir.

Şekil 4. Sistemin blok diyagramı


168

Şekil 5. Gerçekleştirilen modüler üretim sistemi

3. SONUÇLAR

Bu proje sayesinde çalışma parçasının özelliklerine (kırmızı – mavi, yeşil, metal) sensörler vasıtasıyla

erişilerek konumlama istasyonuna gönderilmesi sağlanmıştır. Çalışma parçasının renk bilgisi seri

haberleşme protokolü ile mikrodenetleyiciye gönderilmektedir. Bu proje mikrodenetleyici ve

endüstriyel otomasyon derslerinde rahatlıkla eğitim seti olarak kullanılabilir. Proje modüler yapıya

sahip olduğu için kullanıcı isteğine ilave modüller ve sistemler eklenebilir.

TEŞEKKÜR

Proje çalışmamıza verdikleri destek ve katkılardan dolayı Doç.Dr. Birhan IŞIK ve emeği geçen

herkese teşekkür ederiz.

KAYNAKÇA

[1] Kurtulan S., PLC ile Endüstriyel Otomasyon, Birsen Yayınevi, İstanbul, 2008, 4-50.

[2] “Sistemlerde Otomatik Kontrol” Mehmet Y.Güngör MYG Ahmet Rasim Sokak 6/4

ÇANKAYA/ANKARA

[3] http://www.mefa.com.tr (Erişim Tarihi: 01.06.2015)


169

AKILLI BE ŞİK TASARIMI VE PROTOT İPİ

İsmail Okan KARAY İĞİT, [email protected] Karabük Üniversitesi, 78050 Karabük

Kaan DUMAN , [email protected] Karabük Üniversitesi, 78050 Karabük

Doç.Dr. Birhan IŞIK , [email protected] Karabük Üniversitesi, 78050 Karabük

ÖZET

Bu makalede, günümüzdeki bebek beşiklerinin algılayıcı, dönüştürücü ve eyleyiciler vasıtasıyla

geliştirilmesi hedeflenmiştir. Bebeklerin karşılaştıkları durumlar karşısında verdiği tepkiler araştırılmış

olup, bunlara en uygun algılayıcılar seçilerek projeye uygulanmış bulunmaktadır. Gelişen teknoloji ve

insanların istekleri doğrultusunda hazırlanan bu projede, bebeklerin ve küçük yaştaki çocukların

gelişimine katkıda bulunmak ve daha rahat koşullarda büyümesini sağlamak esas alınmıştır.

Anahtar Sözcükler: Akıllı Beşik, Sensör, Arduino Denetleyici

ABSTRACT

In this article, a baby cradle has been developed by sensors, transducers and actuators. The response

has been investigated in situations faced by infants, so most appropriate sensors are applied in this

project. New technologies and requirements are considered to development of kids and ensure growth

in more comfortable conditions.

Keywords: Smart Sleeper, Sensor, Arduino Controller

1. GİRİŞ

Günümüz koşullarında bebeklerin sağlığı ve gelişim sürecinin önemi, teknolojiden yararlanmayı da

beraberinde getirmiştir. Geçmişte yaşanan birçok ihmal ve sağlıksız ürünlerden dolayı maalesef birçok

çocuk hayatını kaybetmiştir. Günümüzde kullanılan beşikler artık sadece bebeklerin uyuması için

değil, sağlıklı büyümesi ve gelişimi için de tasarlanan bir ürün haline gelmiştir. Eskiden kullanılan

beşikler sadece mekanik aksamlardan oluşmakta iken, günümüzde elektronik aksamlar da eklenerek,

önceden tasarlanan müdehaleler ile farklı bir boyut kazanmıştır. Bebeğin yaşamsal hareket çeşitlerini


170

algılanayak, bunları tek bir sistem içerisinde barındıran melez sistemler oluşturulması son yıllarda

üzerinde durulan sistemler arasında yer almaktadır.

2. PROTOTİP OLUŞTURMA

2.1. Modelleme

Yapılacak mekanizmanın gövdesi Solidworks programı ile modellenmiştir (Şekil 1). Kullanılacak olan

malzeme, sistemin içerisinde bulunan mekanik ve elektronik aksamların detaylı bir biçimde

görülebilmesi için pleksiglas olarak belirlenmiştir. Modelleme kısmında da bu durum esas alınmıştır.

Beşiğin hareket ettirecek sistem raylı bir mekanizma tasarımı ile sağlanmıştır. Sistem modellemesinde

prototip boyutlar (40x50x40) kullanılmıştır.

Şekil 1. Sistemin Modellenmesi


171

2.2. Kullanılan Malzemeler

2.2.1. Servo Motor

6V'ta 35kg/cm, 7.4V'ta ise 40kg/cm'e kadar tork sunabilen servo motor 170gr. ağırlığındadır. RC

servoların aksine HD-1235MG 6-7,4V arası besleme gerilimi ile çalışmaktadır. Servo motor ile ileri

geri beşik sallama hareketi sağlanmıştır.

Şekil 2. Servo Motor

2.2.2. Nem Sensörü

Birbirine paralel olarak çekilmiş iletken hatların su ile teması sonucu sensör çıkış pininde analog bir

değer okunabilmektedir. Arduino başta olmak üzere bir çok mikrodenetleyeci platformu ile beraber

kullanılabilir.

Sensör kullanımı oldukça basittir. Besleme voltajı ve toprak bağlantısı yapılarak, sensör çıkış

bacağından okuma yapılabilmektedir. Hem dijital hem analog çıkış verdiğinden dolayı, farklı

sistemlere rahatlıkla uyarlanabilir. Sensör üzerindeki pot yardımı ile de sensör hassasiyeti

ayarlanabilmektedir. Nem sensörü ile bebeğin altını ıslatma durumu tespiti sağlanmıştır.

Şekil 3. Nem Sensörü


172

Vcc pininden 5V, GND pinine ise toprak bağlantısı gerçekleştirilerek,A0 pininden analog olarak D0

pininden ise dijital olarak çıkış alınabilir.

2.2.3. Ses Sensörü

Ses sensörü kartı, üzerinde mikrofon bulunan ve ortamdaki ses seviyesine göre dijital çıkış veren bir

karttır. Bir el çırpmasını veya bir kornayı; ani ve yüksek şekilde çıkan bir sesi veya ortam gürültüsünü

sürekli olarak okuyabileceğiniz kart üzerinde potansiyometre yer almaktadır.Bu sayede ortam

gürültüsünden sıyrılarak anlık gelen ses çıkışını elde edebilirsiniz. Arduino başta olmak üzere bir çok

mikrodenetleyici sistemi ile beraber kullanılabilmektedir. Ses sensörü ile bebeğin sesi algılanması ve

sistemin harekete geçme durumu sağlanmıştır.

Şekil 4. Ses Sensörü

2.2.4. Mesafe Sensörü

Bu ultrasonik sensör 2cm'den 400cm'ye kadar 3mm hassasiyetle ölçüm yapabilir.5V DC olarak,15mA

akımla,40Hz frekansta,max. 4m,min. 2cm görme menzili sensörün özellikleridir. Mesafe sensörü ile

bebeğin beşikteki konumu hakkındaki bilgiyi sağlamak amaçlı kullanılmıştır.

Şekil 5. Mesafe Sensörü


173

2.2.5. Müzik Devresi

3-6V arası DC ile çalışır. DC besleme yapıldığı sürece melodi müzik çalar. Müzik devresi ile bebeğin

uyuması için gerekli olan ses veya müziği elde etmek amaçlı kullanılmıştır.

Şekil 6. Müzik Devresi

2.2.6. Titreşim Motoru

Düğme tipindeki bu küçük şaftsız titreşim motoru, 0.75gr'lık bir titreşim genliğine sahiptir. 10mm

çapında ve 3mm yüksekliğindedir. 3V'ta 60mA akım çeker. Şaftsız tasarımı sayesinde ve alt

kısmındaki çift taraflı bant sayesinde devreler üzerine yapıştırılabilir. Titreşim motoru ile beşiğin

sallanma hareketi sırasında bebeğin sırtını sıvazlama hareketinin verdiği rahatlığı yakalamak amaçlı

kullanılmıştır.

Şekil 7. Titreşim Motoru


174

2.2.7. Buzzer

Küçük gerilim değerlerinde çalışarak TİZ sesler çıkarma özelliğine sahip olan ve bir bobinde ani akım

değişimleri meydana getirerek zayıf titreşimler elde edilmesini sağlar. Buzzer ile sensör çıkışları

sonucunda olumsuz sonuçlar elde edildiğinde aileye haber vermek amaçlı kullanılmıştır.

Şekil 8. Buzzer

2.2.8. Arduino Uno

Sistemde elektronik devre kartı olarak kolay programlanabilir olmasından dolayı, içinde ATMEL

Atmega328 mikro denetleyici entegresi bulunan Arduino Uno kartı kullanılmıştır.

Şekil 9. Arduino Uno

2.3. Montaj

Beşiğimizin iskeletinde kullanılan malzeme olan pleksiglas hassas bir malzeme olduğundan, şekil

verme işlemi sırasında, titiz bir çalışma ile delme ve montaj işlemi yapılmıştır. Bağlantı elemanları da

malzemenin yüzeyine zarar vermeyecek türden plastik profiller seçilmiştir. Sensörler amacına uygun

bir şekilde, kullanımının gerekli olduğu bölgelere monte edilmiştir. Örneğin, ses sensörü devresi


175

bebeğin ağlama sesi ile aktif olacağından, beşiğin baş bölgesine monte edilmiştir. Motorun montajında

ise, hareket eden tablanın alt kısmı uygun görülmüştür. Ayrıca tabla ile motorun arasında dişli ray

sisemi monte edişmiştir. Motordan aldığı tahriği tablaya iletme görevinde kullanılmıştır. Şekil 10’da

sistemin montajlı hali görülmektedir.

Şekil 10. Sistemin Montaj Hali

3. SİSTEM KONTROLÜ

Sistem denetiminin, analiz ve kestirim konusunda büyük öneme sahip olduğu bilinmektedir. Sistemin

dinamik performansı, algılayıcıların hassasiyeti gibi temel özellikler bu yazılımsal denetim üzerinde

tasarlanmakta ve sınanmaktadır. Bu amaçlara yönelik, doğrusal olmayan bir durum algortiması

oluşturulmuş ve denetimci tasarımı başlamıştır. Denetimci tasarımı konusunda; dinamiğin kararlı hale

gelmesi, algılayıcıların değer aralığının denetiminin sağlanması ve basit bir yörünge üzerinde sistemin

kontrollü bir biçimde çalışması esas alınmıştır. Şekil 11’de sistemin kontrol blok şeması verilmektedir.


176

Şekil 11. Sistemin Kontrol Blok Şeması

Örnek olarak aşağıda verilen yazılımsal satırlar, mesafe sensörünün verdiği çıkış bilgisi ile buzzer ın

aktif edilip edilmemesi denetlenmektedir. Diğer sensörler için de benzer bir mantık kurularak, değer

aralığına göre denetim yapılmaktadır ve bunun sonucunda yapılacak işlem hangisi ise, programda

önceden tasarlanmış olarak belirlenmektedir. Şekil 12’de sistemin yazılımının bir kısmı verilmektedir.

Şekil 12. Sistem yazılımı

long duration, distance;

digitalWrite(trigPin, LOW);

delayMicroseconds(2);

digitalWrite(trigPin, HIGH);

delayMicroseconds(10);

digitalWrite(trigPin, LOW);

duration = pulseIn(echoPin, HIGH);

distance = (duration/2) / 29.1;

cm = (duration/2) / 29.1;

Serial.print(cm);

Serial.print("cm");

Serial.println();

delay(250);

if (distance <15)


177

4. SONUÇLAR

Bu çalışmada akıllı beşik tasarımı ve uygulaması ana hatlarıyla sunulmuştur. Sistemde kullanılan

elemanlara ve amaçlarına kısaca değinilmi ş ve önemine vurgu yapılmıştır. Bebeğin karşılaşabileceği

temel durumlar düşünülmüş ve bu durumlara en uygun algılayıcılar kullanılmıştır. Diğer yapılmış olan

birçok benzer sistemlere göre farklı algılayıcı-eyleyici yapısı sebebiyle kendine has bir yapı ortaya

çıkmıştır. Tek bir algılayıcının aktif diğelerinin kapalı olduğu durumların irdelenmesi ve ilave

edilebilecek ekstra özellikler ilerleyen dönemlerde hedeflenen çalışma konuları arasındadır.

KAYNAKÇA

[1] Tod E. Kurt, (21 Ekim 2006), “Introduction To Microcontrollers With Arduino”, Spooky Projects,

Class 3, Machineproject

[2] Elec Freaks, “Ultrasonic Ranging Module Hc - Sr04”, [email protected]

[3] Gökhan Galip Ergün, Halil Akyol, Ebru Yavuz, Ali Rıza Özkan, “Uzaktan Kontrollü Bahçe

Sulama Sistemi ”, Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik

Bölümü, Haziran, 2014 Trabzon


178

ROBOTİK HASAT İÇİN GÜL OLGUNLU ĞUNUN BELİRLENMESİ

Atahan Çağkan ÇAKIRER , [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara

Faruk İLİM , [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara

Hasan Furkan KALKAN [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara

Cahit Gürel [email protected] Atılım Üniversitesi,06836,Ankara

Mohammad Hassan GOL MOHAMMAD ZADEH [email protected] Atılım

Üniversitesi,06836,Ankara

Abdulkadir Erden [email protected] Atılım Üniversitesi,06836,Ankara

ÖZET

Bu bildiri seralarda gül hasatı yapmak üzere geliştirilen bir robot için, gül olgunluğunu belirlemek

amacı ile yapılan araştırma, gözlem ve incelemeleri içermektedir. Çalışmanın amacı; gülün hasada

uygun olup olmadığını anlamak ve bunun koşullarını Gülderen gül hasat robotuna aktarmaktır.

Gülderen gül hasat robotu Atılım Üniversitesi tarafından geliştirilmi ş, seralarda iş gücü, maliyet ve

işçi sayısını azaltmayı amaçlamaktadır. Gül goncaları Şanlıurfa Seralarında incelenmiş ve ağırlıklı

olarak Samurai gül bitkisi üzerinde çalışılmıştır. Bu güllerin olgun olup olmadığını anlamak için gül

goncasının çap hesabı yapılmıştır. Bunun için üzerinde belirli ölçüleri simgeleyen bir çap-ölçer

geliştirilmi ş, çapı 4.5 cm ve üzeri güller sera koşullarında %94 oranında olgun kabul edilmiştir.

MATLAB’da görüntü işleme elemanları kullanılarak segmantasyon ve filtreleme yapılmış, çap

hesabıyla hasat edilebilir gülün olgun olup olmadığına karar veren algoritmalar geliştirilerek,

laboratuar ortamında hasadı gerçekleştirilmi ştir.

Anahtar Sözcükler: Gül, Hasat, Robot, Olgunlaşmış Gül, Sera


179

ABSTRACT

This paper is about a research project of a robotic system for rose harvesting in greenhouses. The

important one at this point is to understand harvestable mature rose and transfer these conditions to the

Gülderen Rose Harvesting Robot. Atılım University designed a rose harvesting robot for experimental

purposes. Rosebuds were analyzed in Şanlıurfa Greenhouse with on Samurai rose plant. Radius

computations with made in order to differentiate between mature rose and immature rose. A diameter-

gauge which had a circle line so as to measure roses’ diameter was developed and 94% of roses over

4.5 cm diameters and up, were recognized as mature. Consequently, using image processing

components in MATLAB was made segmentation and filtering, were perform to determine and

harvestable mature roses under a laboratory conditions.

Keywords: Rose, Harvest,Robot,Greenhouse,Mature Rose

1. GİRİŞ

Son yıllarda, iş gücü modern seralar için önemli bir maliyet olmuştur. Toplam üretim harcamalarının

%25’inden fazlası tarım işçileri için harcanmaktadır. Ayrıca seralardaki iş koşulları zorlu şartlarda

yapıldığından oldukça güç ve uzun zaman gerektirir. Tarımsal firmalar bu gibi sorunların önüne

geçebilmek için hasat uygulamalarında robotik çalışmalar yapmaktadır. Bu kapsamda birçok hasat

robotu yapılmış ve kullanılmaya başlanmıştır. Bunlara örnek olarak çilek hasat robotu, kırmızı biber

hasat robotu, elma hasat robotu ve Hollanda’da bulunan Gül hasat robotu gösterilebilir [1, 3, 8]. Bu

robotik uygulamaların ışığında Atılım Üniversitesi tarafından Gülderen gül hasat robotu tasarlanmış

ve halen geliştirilmeye devam etmektedir[5]. Gülderen robot Şekil 1’ de gösterilmiştir.

Gülderen gül hasat robotu üretim kalitesini iyileştirip gün boyu kesintisiz hızlı bir üretim sağlamak,

insan kaynaklı hataların ve insana bağımlı yüksek hasat giderlerinin önüne geçmek için geliştirilen

dünyada yapılmış ikinci fakat üst düzey teknolojiyle donatılmış bir robottur.

Hasat için önemli faktörlerden biri, kesilecek gülün olgunluğuna karar verme ve bu işlemi hasat

robotuna aktarma aşamasıdır. Gül serasında yapılan çalışmalar ve araştırmalar sonucunda

MATLAB’da görüntü işleme komutları kullanarak gülün olgun olup olmadığına karar

verilebilmektedir. Bu karar üç önemli duruma bağlıdır.


180

Şekil 1. Gülderen gül hasat robotu

Bunlar;

1. Gülün Açım Formu

2. Gül Çapı

3. Dal Kalınlığı

olarak belirlenmiştir. Gül çapını ölçmek için basit bir çap-ölçer geliştirilmi ş ve üretilen Çap-Ölçer’in

fotoğrafı Şekil 2’de verilmiştir. Üzerinde bulunan dairesel halkalar 1 cm yarıçap ile başlatılmış ve her

halka 0.25cm artışla genişletilmiştir.

175’i olgun, 106’sı olgun olmayan toplam 281 gül üzerinde ölçüm yapılmış ayrıca her bir gül tek tek

fotoğraflandırılmış, bu fotoğraflar yardımıyla hasat edilebilecek güller dijital ortamda görüntü işleme

komutları kullanılarak segmante edilmiştir.

Şekil 2. Gül olgunluğunu belirlemek için geliştirilen Çap-Ölçer


181

2. GÜLDEREN GÜL HASAT ROBOTU

Gülderen gül hasat robotu Mone tarafından Şanlıurfa’da kurulmuş gül seraları için yapılmıştır.

Protatip robot üretilmiş ve geliştrme sürecindedir. Bu hasat robotu ile; üretim kalitesinin, hasat hızının

ve insana bağımlı fazla oranda hasat giderlerinin iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Yoğunlukla Samurai

adı verilen gül çeşidinin hasatı için kullanılacaktır. 5 dönüm serada ortalama günlük en az 500 ile 1500

arasında dal gül hasat edilecektir.

Gülderen robot üç farklı fonksiyonun bir araya gelmesiyle oluşur. Bunlar ‘’gül olgunluk ve yer

tespiti’’, ‘’dal kesimi’’ ve ‘’toplama’’ olarak belirlenmiştir. Sera güllerin hızlı şekilde hasat

edilebilmesi için hareket eden saksılardan oluşmaktadır. İlk olarak gül hasat robotu güllerin yerini ana

kol üzerinde bulunan bir kamera sayesinde çekilen üç boyutlu resmin işlenmesi sonucu verilmesi

gereken kararla tespit eder. Olgun güllerin yeri tespit edildikten sonra dalın ana kol üzerinde bir diğer

kamera yardımı ile takibi yapılır ve kesileceği boğum bölgesi tespit edilir. Bu aşamalardan sonra, eğer

gül hasat edilebilecek düzeyde ise belirlenen yerden 45 derecelik açıyla kesim yapılır. Hava

kompresörsüyle çalışan bir makas tarafından kesim gerçekleşir ve tutucu kollar kullanılarak hasat

edilen güllerin çaplarına bakılır. Gülderen robotun akış şeması Şekil 3’de gösterilmiştir.

Şekil 3. Gülderen Akış Şeması


182

2.1 Gül Goncasının Analizi

Gül hasat robotu ilk olarak hasat edilecek gülün olgun olup olmadığını kontrol eder. Bunun için önce

dijital ortamda görüntü işleme fonksiyonları kullanılarak yer analizi yapılır.[2] Ana kol üzerinde yer

tespiti için bulunan kamera tarafından sağ ve sol görüntü alınarak görüntü üç boyutlu hale getirilir. Bu

sayede gül goncalarının yeri tespit edilir. Tespit edilen goncaların yerleri Şekil 4’te gösterilmiştir.

Görüntü sistemi ve robot ana kontrolcü sayesinde birbirine bağlanır ve tüm fotoğraflar hafızada

işlenmeye başlar.

Şekil 4.Tespit edilen güllerin pozisyon analizi

İkinci ve en önemli aşama yakalanan gül fotoğraflarından gülün olgun olup olmadığı anlaşılmasıdır.

Dijital ortamda belirli segmantasyonlardan geçen gül goncasının olgun olup olmadığına karar verilir.

Bu aşamadan sonra robot hasat konumuna geçer ya da olgun gül aramaya devam eder.

2.1.1 Gül Olgunluğu

Gül üretimi yapılan seralarda ilk amaç köklerinde üç dallı bir çanak oluşturmaktır. Çanak oluşum

noktası Şekil 5’te gösterilmiştir. Bu oluşumun temel nedeni dalları sağlam tutarak seralardaki gül

üretimini üst düzey kaliteye çıkartmaktır. Bunu oluştururken gül üretimi yapılmaz. Bu esnada yetişen

ince dallı bir gül olursa el yordamıyla kırılır ve çanağa destek olması sağlanır. Bu işlem tamamen

manuel yapılmaktadır. Sonunda belirli bir kalınlığa ulaşmış gül dalı için üretim işlemi başlar.

Şekil 5. Güllerde çanak oluşumu


183

Ticari değer taşıyan olgunlaşmış gülleri hasat etmek için iki kıstas vardır. Bu kıstaslar gül çeşitlerine

göre farklılık gösterebilir. Üzerinde çalışılan gül çeşidi Samurai olduğu için kıstaslar bu gül çeşidine

göre belirlenmiştir. Bunlar;

1. Goncanın Açım Formu

2. Gül Çapı

Dal kalınlığı hasat yapılacak gül için oldukça önemlidir. Olgun gül için kabul edilebilir değer

ölçümler sonucunda minimum 4 mm olarak görülmüştür. Bu değerin altındaki güller ticari üretici

firma için değer taşımaz. Grafik 1’de kesim yeri uzunluğunun dal kalınlığıyla oranı gösterilmektedir.

Gülün olgun olup olmadığını anlamak için gül üzerindeki goncanın açım formuna bakılır. Gonca

açılmamış gül tomurcuğudur. Bu goncanın şekline bağlı olarak gülün olgun olup olmadığına karar

verilir. Gül bu zamanlarda içten dışa doğru bir açılma gösterir. Gonca açıldığı zaman gülün yaprakları

arasında belirli bir mesafe oluşmaya başlar ve gülün ortasında bir boşluk oluşmaya başladığı görülür.

Bunun sonucunda gülün olgun olup olmadığına karar verilir. Olgunlaşmış gül goncası Şekil 7’te

gösterilmiştir.

Şekil 7. Olgunlaşmış Gül Goncası

Son olgunlaşma kıstası ise gül çapıdır. Alınan veriler ışığında gül çapı 4,5 cm ve daha büyük olan

güllerin %94 oranında olgun olduğu anlaşılmaktadır. Fakat çapı 4 cm olan güllerin olgun olup

olmadığına bakmak için goncanın açım formuna geri dönmek gerekir. Eğer bu çaptaki güllerin

olgunluğundan bahsedebilirsek bu yapraklar arasındaki mesafenin açıklığıyla doğru orantılı olmalıdır.

Çapı 4 cm altındaki güllerin olgun olmadığı kabul edilmektedir. Bu güller kesilmez ve hasat için

ötelenir. Çapı 4.0 – 4.5 cm arasında olan gülleri için olgunluk oranı %50’dir. Bu güllerin hasat için bir

sonraki hasat zamanını beklemesi gerekir.


184

Gün içerisinde birden fazla hasat yapıldığı için bu güller ikinci hasat zamanı %84 oranında bir sonraki

çap değeri olan 4.5 cm sınırına ulaşır ve hasat edilir. Çaplarına göre güllerin analizi Şekil 2’de

gösterilmiştir.

Şekil 8. Yarıçaplarına göre güllerin analizi

Elde edilen tüm değerler doğrultusunda MATLAB’ta görüntü işleme tekniği kullanılarak

segmantasyon yapıldı. Segmantasyon sonucunda gülün taç yaprakları dışındaki kısımları yok edildi.

Bu sayede güllerin çanak yaprakları tespit edildi. Güllerin olgunluğunda ise önce güllerin çapına

bakıldı. 4 cm altındaki çaplar daima olgun olmayan gül olarak kabul edildiğinden bu güller üzerinde

işlem yapılmadı.

2.2 Dal Kesme

Gül hasat robotu, Gülderen, dijital ortamda görüntü işlemesini yaptıktan ve gülün olgun olup

olmadığına karar verdikten sonraki aşama dal takibi, kesim noktasını belirleme ve istenilen düzeyde

45 derecelik açıyla kesme işlemidir. Dal takibini sürdüren kesim mekanizması dalın boğumlarına göre

üzerinde bulunan kamera sistemini kullanarak kesilecek noktayı belirler. Dal kalınlığının bu nokta

üzerinde etkisi vardır. Kalınlık arttıkça kesim noktası çiçeğin köküne doğru, kalınlık azaldıkça kesim

noktası gülün taç yapraklarına doğru hareket eder. Belirli bir dal kalınlığının altında gül ticari değer

taşımadığı için kesilmez ve işlem başka bir gül üzerinde tekrarlanır.

0

20

40

1

1,2

5

1,5

1,7

5 2

2,2

5

2,5

2,7

5 3

3,2

5

3,5

3,7

5

Gü

l S

ay

ısı

Güllerin Yarıçapı

- - Olgunlaşmış, --- Olgun


185

3.OLGUNLUK DENEY İ

Laboratuar ortamında daha önce Şanlıurfa gül serasından alınan 175’i olgun toplam 281 gül goncası

üzerinde çalışılmıştır.

3.1 Kamera Kalibrasyonu

Başlangıç olarak Gülderen robotta gül goncasını görüntülemek için kullanılan kameranın kalibrasyonu

yapıldı. Bunun için Matlab yardımıyla dijital ortamda görüntü işleme teknikleri uygulandı. Güllerin

kameraya olan uzaklığını tespit etmek için iki farklı mesafeden ölçümler alındı. 30mm x 30mm’den

oluşan kareler kullanılarak farklı mesafelerden görüntüler çekildi. Bu görüntüler doğrultusunda 1

pixel’in herhangi bir mesafede milimetre cinsinden değeri eğri uydurma metodu ile bulundu. Bununla

birlikte herhangi bir mesafede alan ölçüsünün değeri hesaplandı. Şekil 9’da yapılan hesap

doğrultusunda pixel – uzunluk arasındaki oran gösterilmiştir.

Şekil 9. Pixel – Uzunluk Katsayısı

3.2 Olgunluk Algoritması

İkinci aşamada kalibrasyon hesabının ardından Gülderen robotu tarafından dijital ortamda güllerin

fotoğrafı çekildi.[4,6] Olgun güllerin pozisyonları ve kameraya olan mesafeleri MATLAB’da bulundu

ve belirli alan üzerindeki bu güllerin hasata uygun olgunlukta olup olmadığını anlamak için HSV’nin

ikinci kanalında segmantasyon yapıldı. Bunun nedeni segmantasyon sırasında RGB kanalına göre

güllerin renginden dolayı HSV’de daha belirgin segmente edilmesidir. Belirli filtreleme işlemleri

uygulandıktan sonra gül goncalarının dışındaki her şey tamamen yok edildi. Bu sayede Matlab’ta

segmente edilmiş gül goncalarının orta noktalarıları bulunarak çapları hesaplandı. Bunun için

regionprops komutu kullanılmıştır. Şekil 10’da gül olgunluğunu tespit etmekte kullanılan akış şeması,

Şekil 11’de ise segmantasyon işlemi gösterilmiştir.


186

(a) (b)

(c)

Şekil 11. a) Güllerin işlenmeden önceki fotoğrafları b) HSV kanalındaki durumları c)segmantasyon


187

Segmantasyon yapılan güllerin pixel ve cm değerleri aşağıdaki gibidir:

1.Gül=139.82 Pixel= 2.62 cm (Olgun Olmayan Gül)

2.Gül=174.7 Pixel= 4.52 cm (Olgun Gül)

3.Gül=272.14 Pixel=4.98 cm (Olgun Gül)

4.SONUÇLAR

Elde edilen tüm değerler doğrultusunda Matlab’ta görüntü işleme tekniği kullanılarak gül goncalarının

analizi yapıldı. Ana kolda bulunan ve yer tespiti için kullanılan kamera tarafından sağ ve sol olmak

üzere iki farklı açıdan güllerin fotoğrafları 3 boyutlu olacak şekilde çekildi. Yer tespiti ve

segmantasyon yapıldı. Segmantasyon sonucunda gülün taç yaprakları dışındaki kısımları yok edildi.

Güllerin olgun olup olmadığına karar vermek için ise önce güllerin çapına bakıldı. 4 cm altındaki

çaplar daima olgun olmayan gül olarak kabul edildiğinden bu güller üzerinde işlem yapılmadı.4.0 ve

4.5 cm arasında çapa sahip olan güllerin %50 olgunluk dilimine sahip olduğundan dolayı bu güller bir

sonraki hasatı beklemek üzere kesilmeden bırakıldı. Sera ortamındaki bu güllerin %84’ü ikinci hasat

zamanında istenilen olgunluğa ulaştığı görülmüştür. Çapı ,4.5 cm üzerindeki güllerin tamamı hasat

edilebilir kabul edildi. Bu işlem laboratuar ortamında 123 gül üzerinde uygulandı ve 103 (%94)

işlemde doğru sonuç alındı. Günlük hasat sabah ve akşam olmak üzere iki kısma ayrıldığı için geriye

kalan %16 lık hata payının önemli bir kısmı ikinci hasatta giderilmiş olacak.

TEŞEKKÜR

Bu proje Atılım Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği bölümü MECE 407-408 Undergraduate

Research Projects I- II dersleri kapsamında yapılmış olup, ATÜ-LAP-A-1415-01 ve TÜBİTAK

TEYDEB 1505-513001 projeleri tarafından desteklenmiştir. Katkılarından dolayı MONE A.Ş’nin

yönetici ve çalışanlarına teşekkür ederiz.

KAYNAKÇA

[1]Bulanon D. M. and Kataoka T., 2010. Fruit detection system and an end effector for robotic

harvesting of Fuji apples. Agric Eng Int: CIGR Journal, 12(1), 203-210.


188

[2]“Harvest robot for picking roses fully automatically”,

www.greenvision.wur.nl/index.php?option=com_content&task=view&id=25&Itemid=46&lang=en ,

(download date:2.11.2015)

[3] Henten, E.J.,Hemming, J. Ruizendaal, J., Hofstee, J.W.,2014, “Fruit Detectability Analysis for

Different Camera Positions in Sweet-Pepper” Sensors 14 (4). 6032 - 6044.

[4] Bulanon, D. M., Kataoka, T., Zhang, S. Ota, Y. Hiroma, T. “Optimal thresholding for the

automatic recognition of apple fruits”

[5] Erden, A., Gürel,C., (2013),“Conceptual Design of a Rose Harvesting Robot for Greenhouses” The

20th Int. Conf. on Mechatronics and Machine Vision in Practice.

[6] Noordam, J.C., Hemming, J., van Heerde, C., Golbach, F., van Soest, R. ve Wekking, E.,2005,

“Automated rose cutting in greenhouses with 3D vision and robotics: analysis of 3D vision techniques

for stem detection.”,Acta Horticulturae, vol. 691,885-892.

[7] A. Kohan, A. M. Borghaee, M. Yazdi, S. Minaei, M.J. Sheykhdavudi, 2011, “Robotic Harvesting

of Rosa Damascena Using Stereoscopic Machine Vision”,World Applied Sciences Journal 12 (2):

231-237.


189

3 SERBESTLİK DERECEL İ PARALEL K İNEMAT İK HAPT İK CİHAZ

Berkay AKÇA, [email protected] TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi, 06510, Ankara

Hayri GÜLDA ĞLI, [email protected] TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi, 06510,

Ankara

Berk KIZILDA Ğ, [email protected] TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi, 06510,

Ankara

ÖZET

Haptik cihaz, insanların uyguladığı kuvvete karşılık, kuvvet, hareket veya titreşim uygulayarak

dokunma duygusunu sanal gerçeklikte hissettiren geri beslemeli dokunsal cihazdır. Haptik cihazların

iyi bir performans sergileyebilmesi için ataletinin ve sürtünmesinin düşük, rijitli ğinin yüksek, girdi ve

çıktı arasında karşılıklı olarak kuvvet iletimi sağlayabilen (backdriveable), sıfır geri tepmeye, yer

çekimi dengelemesine ve yeterli çalışma alanına sahip olması gerekmektedir.

Bu projede, her eksende 10 cm çalışma alanına, 0.5 mm çözünürlüğe, yerçekimi dengelemesine, USB

girişine sahip üç serbestlik dereceli paralel kinematik yapıya sahip haptik cihaz oluşturulacaktır.

Ayrıca, cihaz her eksende 10 N maksimum tepki kuvvetini karşılayabilecektir.

Bu özelliklere sahip bir haptik cihazın oluşturulması için sırasıyla, kinematik denklemler çıkarılır,

kapalı çevrim denklemleri ile cihazın hareketli platformunun pozisyonu motorların dönme açılarına

bağlı olarak bulunur, donanım kısmı oluşturulur, elektronik devreleri kurulur ve kontrol sistemi

oluşturulur.

Anahtar Sözcükler: Haptik Cihaz, Paralel Kinematik Delta Robot, Tersine Kinematik, İleri

Kinematik, Kuvvet Geribeslemesi


190

ABSTRACT

Haptic devices are feedback tactile devices react the power, motion and vibration back to the people

who applies power to the device. For a haptic device having good performance, low inertia and

friction, high value of rigidity, capability of providing force transmission mutually (back drivable)

between the input and output, zero recoiling, the gravity compensation and enough working space are

required.

In this project, a 3-DOF parallel-kinematics haptic device which has 10 cm working space in each

axis, 0.5 mm resolution, gravity compensation, and USB interface to computer will have been built by

end of the project. Also, the device is going to compensate 10 N maximum reaction force on each axis.

To build a haptic device having these characteristics, the kinematics equations are derived, the position

of the moving platform of the device has been calculated based on turning angle of DC motors by

using closed-loop equations, construction of the device is completed, the mechatronic instrumentation

has been implemented and the control system of the robot has been built.

Keywords: Haptic Device, Parallel-kinematics Delta Robot, Inverse Kinematics, Forward

Kinematics, Force feedback

1. GİRİŞ

Haptik cihazların ana fikri dokunma duyusu ile ilgilidir. Haptik teknolojisi, kullanıcıların sanal

ortamdaki nesnelere dokunmasına ve onların yapılarını hissetmesine olanak sağlar. Bu tepkileri

hissetmek için sistemin geri beslemeli olması gerekir. Kullanıcı sanal nesneye dokunduğu an itibari ile

ondan bir yanıt ya da tepki bekler ve buna haptik geri beslemeli bildirim şekli denmektir.

Haptik teknolojileri, insan haptikleri, makine haptikleri ve bilgisayar haptikleri olarak üçe ayrılır.

Bilgisayar haptikleri algoritmalar ve yazılımlardan oluşur. İnsan haptikleri dokunma yoluyla

manipulasyon çalışmasını içermektedir [1]. Makine haptikleri ise, insan ve bilgisayar haptikleri

arasında iki yönlü iletişime izin veren hem mekanik hem de mekatronik tasarımdır.

İki farklı tipte haptik cihaz vardır. Bunlardan biri geniş çalışma alanı, ama nispeten daha küçük kuvvet

dayanımı ve düşük rijitlik gibi özelliklere sahip seri kinematik haptik cihazlardır.


191

Diğer haptik cihaz çeşidi ise paralel kinematik haptik cihazlardır. Ancak, seri türdeki üretilen cihazlara

göre daha az bir çalışma alanı sunmaktadırlar. Paralel kinematik haptik cihazlar, seri kinematik haptik

cihazlardan daha rijit, hareket doğruluğu daha yüksek, çalışması daha düzgün, hız ve ivmedeki

kontrolü daha iyidir.

Bu projenin temel amacı, kullanıcının uyguladığı kuvvetin yönüne ters, eşit büyüklükte tepki kuvveti

uygulayan bir haptik cihaz oluşturmaktır. Bu cihaz için üç ana tasarım kriteri vardır. Bunlar çalışma

alanı, çözünürlük ve sistemin dayanabilceği maksimum kuvvet kısıtlarıdır. Çalışma alanı, hareket

aralığıdır. Bu projede çalışma alanı x, y ve z yönlerinin herbirinde 10 cm olarak seçilmiştir. Haptik

cihazların çözünürlüğü, kullanıcıya uyarı gönderildiği minimum uzaklık değişimini ifade eder. Bu

proje için hedeflenen çözünürlük değeri 0.5 mm’dir. Tepki kuvveti, kullanıcı tarafından uygulanan

kuvvete karşı uygulanan kuvvettir. Maksimum tepki kuvveti, bu projede maksimum tepki kuvveti her

eksende 10 N olarak seçilmiştir.

2. TASARIM VE PROTOT İP OLUŞTURMA

2.1 Haptik Cihaz Sistemi

DC motorlar DC motor tutucuların yardımı ile alt (ana) platforma sabitlenir. Bu işlem için 2 adet DC

motor tutucu kullanılmıştır bu sayede DC motorların titreşim veya benzerin faktörler sonucu

yerlerinden oynaması engellenir. Motor kontrol kolu DC motorların şaftlarına eş merkezli olarak

bağlanır, şaft deliği yardımı ile mil şafta vidalanarak sabitlenir. Bu sayede milin, motor kontrol kolu

parçasındaki yuvasında boşa dönmesi engellenir.

Kaplin delikleri; bir ucu DC motor mili için 4,6 mm ve diğer ucu potansiyometre mili için 6,2 mm

olarak genişletilir. Bu adımdan sonra potansiyometreler DC motor millerine eş merkezli olarak

bağlanır. 10 turlu 2K potansiyometreler, potansiyometre tutucular ile alt (ana) platforma sabitlenir.

Kardan mafsallar motor kontrol koluna ve hareketli platforma sabitlenir. Ve bu motor kontrol kolu ile

hareketli platform mafsallar arası bağlantı alüminyum çubuklar ile sağlanır. Alüminyum çubukların

hepsi eş uzunlukta ve 220,5 mm’dir.

Kullanıcının üst platformu hareket ettirdikten sonra potansiyometrelerden okunan değerler açı

değerine dönüştürülür. Bu açı değerleri kinematik denklemlerde kullanılır ve üst tutucunun pozisyonu

elde edilir. Elde edilen pozisyon değerinin de yardımıyla gerekli kuvvet hesaplamaları yapılır.


192

Proje sonunda üretilen haptik cihazın 3D çizimi Şekil 1’de, kendisi ise Şekil 2’de vereilmiştir.

verilmiştir.

Şekil 1. Haptik cihaz 3D çizimi

Şekil 2. Üretilen haptik cihaz


193

2.2 Kinematik Analiz

3 Serbestlik derecesine sahip paralel kinematik haptik cihazlarda hareketli platform x-, y-, z-

eksenlerinde sadece ilerleme hareketi yapar, kendi ekseni etrafında dönmez. Bu nedenle; her zaman

temel (alt) platform hareketli platforma paraleldir. Haptik cihazın sembolik gösterimi Şekil 3'te

verilmiştir.

Şekil 3. Haptik Cihaz Sembolik Gösterimi

' = U 0 V50 W X√Z)[)[0 \ Z X √Z)[)[0 \

<' U 0 ]^0 W < _ `aV0 b <Z _ `aV0 b

Kinematik denklemlerde kullanılan tanımlar Tablo 1 'de verilmiştir.


194

Tablo 1. Kinematik Denklemlerde Kullanılan Kısaltmaların Tanımları

İsim Anlam Değer(mm)

cd Sabit (ana) eşkenar üçgenin bir kenar uzunluğu 500

c8 Hareketli eşkenar üçgenin bir kenar uzunluğu 169.1

l Alüminyum Çubuk Uzunluğu 220.5

L Kontrol Kolu Uzunluğu 57.7

h Kontrol Kolu paralelkenar genişliği 60

V5 Alt tablanın merkezinden kenara uzaklık 118.6

]d Alt tablanın merkezinden köşeye uzaklık 237.2

V^ Üst tablanın merkezinden kenara uzaklık 44.8

]^ Üst tablanın merkezinden köşeye uzaklık 89.6

V5 = √Z ce ]d = √ZZ c V^ = √Z ce ]^ = √ZZ ce

Haptik cihaz için devre kapalılık denklemleri aşağıdaki gibi yazılır.

; @ ; @ ; = <8 @ <; (1)

; = |;|| = ||<8 @ <; ; ;|| (2)

; = ||;||=;i @ ;j @ ;k (3)

Anlık kartezyen konum değişkenleri şu şekildedir;

<d = lmnG


195

Bu değerler kullanılarak;

'= U lm @ ∗ pqrθ' @V5 ]^n @ ∗ r/θ' W (4)

=

stul √Z cos# @ `a √Z)[m ' ∗ pqrθ @V^ )[n @ ∗ r/θ yz

(5)

Z =

stul @ √Z cos #Z `a @ √Z)[m ' ∗ pqrθZ @V^ )[n @ ∗ r/θZ yz

(6)

olarak ve devre kapalılık denklemleri de

2Ly @ acosθ' @ 2zLsinθ' @ l @ m @ n @ @ @ 2ya = 0 (7)

√3l @ @ m @ pcosθ @ 2zLsinθ @l @ m @ n @ @ p @ @ 2l@ 2mp = 0 (8)

√3l m pcosθZ @ 2zLsinθZ @l @ m @ n @ @ p @ 2l@ 2mp = 0 (9)

olarak elde edilir. Bu kinematik denklemler 3-küre kesişim algoritması ile çözülmüştür.

2.3 Sistem Parametrelerinin Hesaplanması

Bu projede 3 adet çok turlu potensiyometre kullanılmıştır. Potensiyometre değerleri açılara

dönüştürlerek kinematik denklemlerde kullanılmıştır. Bu açılar -21° ile 70° arasında değişmektedir.,

DC motorların tork değerleri de motor miline bağlanan farklı uzunluklardaki çubukların, motorun

çalıştırılması sonucunda, bastırdığı ağırlık kullanılarak hesaplanmıştır. Sistemdeki tepki kuvvetleri ise

aşağıda verilen temel statik kuvvet dengesi yardımıyla bulunmuştur.


196

F' @ F @ FZ @ F = 0 (10)

F' @ F @ FZ @ F = 0 (11)

F' @ F @ FZ @ F = 0 (12)

Statik kuvvet dengesi aşağıdaki gibi yazılabilir:

u' u uZu' u uZu' u uZ ∗ F'FFZ @

FFF TutucuParçaAğırlığı = 0 (13)

u' u uZu' u uZu' u uZ ∗ F'FFZ =

FFF TutucuParçaAğırlığı (14)

Bu kuvvetler kullanılarak DC motorlara uygulanan tork değerleri hesaplanır.

Bu projede kontrol sistemi ise oluşturulan algoritmadır. Potansiyometrelerden gelen veriler çıkarılan

denklemlerde kullanılarak sonuçta DC motorlara PWM signali yollanır ve bu şekilde çalışmaları

sağlanır.

Diğer bir değişken olan çözünürlük ise haptik cihazın hassasiyetidir (duyarlılık). Çözünürlük değeri

küçüldükçe, cihazın duyarlılığı artar. Bu projede çözünürlük değeri denklem 20’deki gibi

bulunmuştur.

Çönüüü = q,qöüşçr<q,r/mq,/ğ/ş/ = 70.312520 = 3.52

(15)

2.4 Mekatronik Enstrümantasyon

9 V’luk güç kaynağı DC motorlara güç sağlayan 12 V’luk güç kaynağını temsil etmektedir. Bu güç

kaynağı MC33926 DC motor sürücüsünün 5 – 28V giriş kaynağı ile GND pinine bağlanarak motor

OUT1 ve OUT2 pinlerine bağlanmış olan motorlara voltaj verilmiş ve DC motorlar hareket

ettirilmiştir. Bu hareketin kontrolü ise motor sürücüde bulunan FB(feedback), PWM/D1, PWM/D2,

IN1, IN2 ve EN(enable) pinlerinin Arduino’da ilgili yerlere bağlanmasıyla sağlanmıştır. Motor


197

millerine bağlanan potensiyometreler sayesinde millerin kaç derece döndüğü bilgisi elde edilmiş ve bu

açılar ileri kinematik analizde kullanılarak sonuçta motorlara hangi yönde ne kadar PWM sinyali

gönderilmesi gerektiği elde edilmiştir. Haptik cihazın devre bağlantıları Şekil 4’te verilmiştir.

Şekil 4. Haptik cihazın kablolama şeması

2.5 Kontrol Sistemi

DC motorun anlık olarak çektiği akım kontrol sisteminde girdi olarak kullanılır. Bu girdiler ve

uygulanan kuvvet kullanılarak tork değerleri ve motorun çekmesi gereken akım değerleri hesaplanır.

Bu gerekli akım değerleri kontrol sisteminde ulaşılmak istenen değerlerdir. Kontrol döngüsü

tamamlandığında, çıktı olarak DC motorlara PWM sinyalleri yollanır.

3. SONUÇLAR

3-DOF paralel kinematik dokunsal cihaz projesinde, kullanıcıya büyüklüğü ve uygulanan kuvvetin

yönü doğrultusunda kullanıcıya tepki kuvveti veren bir cihaz amaçlanmıştır. Bu projeyi yaparken

hedeflenen 3 ana nokta vardır. Bu noktalar; cihazın çalışma alanı, çözünürlük ve dayanabileceği

maksimum kuvvet değeri.


198

3.1 Deneysel Sonuçlar

Çalışma alanı 10 * 10 * 10 pZ olarak hedeflendi. X ve y eksenlerinde istenilen değerlere ulaşılmıştır.

X eksenindeki çalışma aralığı -8 cm ile +8,5 cm olarak ölçülmüştür. x ekseninde ki toplam maksimum

çalışma alanı 16,5 cm’dir. Y eksenindeki çalışma aralığı -10,6 cm ile +9,5 cm olarak ölçülmüştür. Y

ekseninde ki toplam maksimum çalışma alanı 20,1 cm’dir. Ancak z ekseninde ki toplam maksimum

çalışma alanı 5,6 cm olarak ölçülmüştür. Cihazın rijitlik seviyesini koruyabilmek adına, 10cm lik

hedeflenen değere ulaşılmamıştır. Yerçekimi dengelemesi cihazın sahip olduğu ekstra bir özelliğidir.

Bu projede, yerçekimi telafisi farklı bir şekilde uygulanır. Yerçekimi telafisi olarak, hareketli

platformun merkezi daima robotun orijin noktasına geri gelmektedir.

3.2 Teorik Sonuçlar

Proje başlangıcında maksimum kuvvet olarak her eksende (x-y-z) 10 N hedeflenmiştir. Cihazın

tamamlanmasından sonra maksimum kuvvet değeri ölçülmüştür. Cihazın her eksende 10.75 N

değerinde ki maksimum kuvvete dayanabildiği belirlenmiştir.

Çözünürlük (hassasiyet) değeri olarak 0,5 mm belirlenmişti. Proje sonunda çözünürlük değeri 3,52

mm olarak ölçülmüştür. Potansiyometrelerin küçük çalışma alanlarına sahip olmalarından dolayı bu

değer hedeflenen değerin altında kalmıştır. Çift milli DC motor kullanılsaydı, çözünürlük motorun

redüksiyon oranı kadar artardı.

Cihazın bitmiş halinin USB girişine sahip olması istenmekteydi. Bu sayede gerektiğinde bilgisayar

bağlantısı kolayca sağlanabilecekti. Proje sonunda bu hedef de gerçekleştirilmi ştir.

Özet olarak; x ve y eksenlerinde hedeflenen değere ulaşılmış z ekseninde ise hedeflenen değerin biraz

altında kalınmıştır. Her eksende hedeflenen maksimum kuvvet değerine ulaşılmıştır. Çözünürlük

(hassasiyet) değeri istenilen değerin altında kalmıştır fakat çözünürlüğün yükseltilerek nasıl daha iyi

hale getirilebileceği açıklanmıştır. Yerçekimi telafisi bilinenin aksine farklı bir yöntemle sağlanmıştır.

Cihaz istenildiği gibi bilgisayar bağlantısı için USB girişine sahiptir. Tüm bunların sonucu olarak,

cihaz aktif şekilde çalışıyor ve tasarım kriterlerinin büyük bir çoğunluğunu sağlamaktadır.


199

4. TEŞEKKÜR

Bu projede bizden yardımlarını esirgemeyen Yrd. Doç. Dr. Yiğit TAŞCIOĞLU’na, her aşamada

destek olan Gizem GİDER, Emre ÖZÜM ve Alper YETİŞ’e, ayrıca sağladığı 2400 TL’lik maddi

destek dolayısıyla TÜBİTAK’a teşekkürlerimizi sunarız.

5. KAYNAKÇA

[1] Khan, S., 2012. “Design and Optimization of Parallel Haptic Devices”, Doktora Tezi, 1-2

[2] Phantom Omni® Haptic Device

(http://www.dentsable.com/haptic-phantom-omni.htm) Access Date: 25.03.2015

[3] Omega 3 Haptic Device Force Feedback Interface

(http://www.forcedimension.com/products/omega-3/overview) Access Date: 25.03.2015


200

EKSENDEŞ PERVANEL İ MİKRO HAVA ARACI İRTİFA KONTROLÜ

Nur İSMAİLOĞLU, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara

Merve OKUR, [email protected], Atılım Üniversitesi,06836, Ankara

Bülent İRFANOĞLU, [email protected], Atılım Üniversitesi,06836, Ankara

ÖZET

Bu bildiride eksendeş pervaneli mikro hava araçlarının yerden dikey kalkış veya inişleri sırasında veya

çok düşük irtifadaki uçuşları sırasında kullanılmasına yönelik bir irtifa ölçüm sistemi ve bu sistemi

içeren bir irtifa kontrol sistemi tasarımı ve gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. Eş eksenli pervanelere

sahip bir mikro hava aracının irtifa ile ilgili dinamiği, basitleştirilmi ş fiziksel modeli ve Newton’un

ikinci kanunu kullanılarak oluşturulan dikey yönündeki hareket denklemiyle ele alınmıştır. Bir

kızılötesi LED ve bir fototransistor içeren irtifa ölçüm sistemiyle belirli ölçümler yapılmıştır. İrtifa

kontrol sistemi tasarımında kullanılacak PID kontrolcüsünün sürekli ve ayrık zaman denklemleri

verilmiştir. Bu hava araçlarının irtifa kontrolü yönelim kontrolüne göre oldukça basit olmasının yanı

sıra çok temel bir problemdir.

Anahtar Kelimeler : Eksendeş pervaneli mikro hava aracı, irtifa ölçümü ve kontrolü, sürekli ve ayrık

zaman PID kontrolcüsü

ABSTRACT

In this paper, design and realization of an altitude measurement system and an altitude control system

involving this measurement system that can be used during vertical take-off or landing or during very

low altitude flights of coaxial rotor micro aerial vehicles are aimed. Altitude dynamics of a coaxial

rotor micro aerial vehicle is based on its simplified physical model and its equation of motion in the

vertical direction derived using Newton’s second law. Certain experiments are carried out using the

developed altitude measurement system that involves an infrared LED and a phototransistor.

Continuous and discrete time equations of a PID controller that will be used in design of the altitude

control system are given. Altitude control is considerably simple compared to attitude control but a

fundamental issue in these aerial vehicles.

Keywords: Coaxial rotor micro aerial vehicle, altitude measurement and control, continuous and

discrete time PID controller


201

1. GİRİŞ

Eksendeş pervaneli mikro hava araçları günümüzde sivil ve askeri uygulamalarda

kullanılabilmektedir; kapalı veya açık alanlarda olabilen bu uygulamalara arama kurtarma çalışmaları,

gözetleme, bilgi toplama, araştırma geliştirme çalışmaları ve eğlence amaçlı uygulamalar örnek olarak

verilebilir. Eksendeş pervaneli mikro hava araçları düşük hızlarda uçabilmekte, dikey kalkış ve iniş

yapabilmekte, uzaktan kumanda ile kontrol edilerek veya otonom olarak uçurulabilmektedir. Bu

özelliklerine ek olarak, bu araçların ebatlarının küçük olması dar alanlarda yapılan uygulamalar için

avantajlı olabilmektedir; bunun yanı sıra bu araçlar oldukça hafif ve yük kaldırma kapasiteleri de

düşük olan hava araçlarıdır. Yönelimi için yanal itki sağlayan bir kuyruk motoruna ihtiyaç

duymamasından dolayı küçük ebatlarda oluşu önemli bir avantaj sağlamaktadır.

Bu bildiride, kaynak taramasında bulunan geçmiş araştırmalar üzerinden gidilerek, kritik konular

belirtilmiş, belirli çıkarımlar yapılmış ve eksendeş pervaneli mikro hava araçlarının oldukça düşük

irtifadaki uçuşları sırasında kullanılmasına yönelik bir irtifa kontrolcüsü tasarımı ve gerçekleştirilmesi

amaçlanmıştır. Bu amaçlar doğrultusunda irtifa ölçümleri için bir yöntem ve donanım belirlenmiş ve

belirli ön çalışmalar yapılmıştır.

4.Ulusal Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MEMÖK 2013) bildirisinde yapılan araştırmada

varsayım olarak, yapılacak çalışmalar sırasında eksendeş pervaneli mikro hava aracının yunuslama ve

yuvarlanma hareketlerinin istikrarlı olduğu ve aracın yöneliminin bu yönlerde istenilen değerlerde

olduğu kabul edilmiştir [3]. Araştırmamızda, tasarlanacak hava aracının yapısal ve dinamik özellikleri

ve kullanılacak deney düzeneğinin fiziksel sınırlandırması ile yuvarlanma, yunuslama ve sapma

yöneliminin istenilen değerlerde tutulması düşünülmüştür. Araştırmamızda sapma hareketinin

kararlılığı ve istenilen değerlerde tutulabileceği deneysel olarak çalışılmış ve gözlemlenmiştir.

Araştırmamızda sadece irtifa yönünde hareketine izin verilen ve diğer serbestlik derecelerinde

hareketin kısıtlandığı bir sistem üzerinde çalışmanın yapılması hedeflenmiştir.

5.Ulusal Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MEMÖK 2014) bildirisinde Syma S032

eksendeş pervaneli mikro helikopterin modifikasyonu ile oluşturulan aracın uzaktan kumanda

kontrolcüsünün kontrolü üzerine çalışılmıştır ve yapılan çalışmalar Matlab Simulink üzerinde

simülasyon olarak yapılmıştır, fakat irtifa kontrolü fiziksel bir modelde ve gerçek zamanlı bir deney

ile uygulanamamıştır [4]. Bu bildiri de belirtildiği gibi irtifa kontrolü basit olmasının yanı sıra temel

bir problemdir. Devam eden bölümlerde, sırasıyla kaynak taramasında öne çıkan sistemler, eksendeş

pervaneli mikro hava aracının basit dinamik modeli, irtifa kontrol sistemi, irtifa kontrolü için mesafe

ölçüm sistemi ve yapılan ölçümler anlatılmıştır.


202

2. KAYNAK TARAMASI

İngiliz Patent Ofisi tarafından 1859 yılında ilk eksendeş pervaneli helikopter patenti Henry Bright’ın

tasarımına verilmiştir. Bugün bildiğimiz gibi bu noktadan itibaren, eksendeş pervaneli helikopter

tamamen operasyonel makineler haline geldi [1].

Eksendeş pervaneli hava araçlarında, eksenleri çakışık olacak şekilde ayarlanmış iki pervane iki ayrı

elektrik motoru tarafından zıt yönlerde sürülmektedir. Bu hava araçları boyutlarına göre mikro, mini

ve küçük olarak sınıflandırılmaktadır [9]. Bu sınıflandırma Tablo1 de verilmiştir. Eksendeş pervaneli

mikro hava araçları, gelişen teknoloji ve ihtiyaçlar doğrultusunda gelişmeler ve ilerlemeler

göstermektedir. Birçok üniversite ve firmanın bu konu üzerinde çalışmaları bulunmaktadır. Kaynak

araştırmasında “Mufly”, “SensorFly” ve “LinkMAV” göze çarpan çalışmalardandır ve bu hava

araçları hakkında kısa bilgiler aşağıda verilmiştir.

Tablo 2 Hava Araçlarının Sınıflandırılması [9]

Kate

gori Ağırlık (kg) İrtifa (ft) Örnek Hava Araçları

Mikr

o

< 2 AGL*+200 MicroStar, Fancopter, Black Widow

Mini 2 ‐ 20 AGL*+300 Skylark, Gözcü, Aladin, RoboCopter

Küçü

k > 20

AGL*+5

000 Luna, SilverFox, Neptune, Firebird

*AGL: zemin seviyesi ( above ground level)

• MuFly

Mufly (Şekil 1) eksendeş pervaneli, mini ve mikro helikopter olarak üretilmiş bir hava aracıdır. Mufly

kapalı alanlarda arama, gözetim ve keşif misyonlarını gerçekleştirmek için donatılmıştır. MuFly’ın

toplam ağırlığı 230 gramdır, boyu 200 mm ve eni ise 175 mm dir [5].


203

Şekil 2 SensorFly [6]

Şekil 3 LinkMAV [8]

• SensorFly

SensorFly (Şekil 2) eksendeş pervaneli bir nano hava aracı olup, kentsel yangın, deprem, gaz kaçağı

veya rehin alma durumları gibi acil müdahale senaryolarına ilk müdahale için, tehlikeli ve sürekli

değişen operasyonel ortamlarda çalışması için üretilmiştir. SensorFly kapalı alanlar ve acil müdahale

uygulamaları için uzaktan kontrollü bir mobil hava sensör ağ platformudur. Bu hava aracının

maksimum ağırlığı 34 gramdır [6].

• LinkMAV

Linköping Üniversitesi, İsveç’te Bilgisayar ve Enformasyon Bilimleri, Otonom İnsansız Hava Aracı

Teknolojileri Bölümü Laboratuvarında (UAVTech) geliştirilmi ştir. Son zamanlarda başlanılmış olan

bu araştırma, döner kanatlı mikro hava araçları alanında yapılmış bir sistemdir. Bu ekşendeş pervaneli

mikro hava aracı (Şekil 3) binaların yapısına göre tasarlanmıştır. LinkMAV’ın boş ağırlığı 407

gramdır, toplam ağırlığı 900 gramdır [8].

Şekil 6 MuFly [5]


204

3. DİNAM İK MODEL ve İRTİFA KONTROLÜ

Araştırmamızın temel amacı hava aracının irtifa kontrolüdür. Geçen yıl yapılan çalışmadan alınan

basitleştirilmi ş fiziksel model Şekil 4’de ve hareket denklemi aşağıda verilmiştir [4].

Şekil 4 İrtifa Kontrolü için Fiziksel Model

= . ¡¢ (1)

Hareket denkleminde ve Şekil 4’te T pervanelerin oluşturduğu itki kuvveti, m sistemin kütlesi, g

yerçekimi ivmesi ve z irtifadır. İrtifa kontrol sisteminin blok diyagramı Şekil 5’te gösterilmiştir;

burada Zd istenilen irtifa girdisi, Z gerçek irtifa çıktısı, D sistemin ağırlığından kaynaklanan girdi, G(s),

GC(s) ve H(s) sırasıyla hava aracının, kontrolcünün ve irtifa sensörünün transfer fonksiyonlarıdır.

Şekil 5 İrtifa Kontrol Sistemi Blok Diyagramı

İrtifa kontrolü için geçen yıllarda olduğu gibi bir PID (Proportional-Integral-Derivative) oransal-

integral-türevsel kontrolcü tasarlanması düşünülmüştür. PID denetleyici endüstriyel kontrol

sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. PID denetleyicinin sürekli zaman ve ayrık zamanda

sisteme uygulayacağı etki aşağıdaki denklemlerde verilmiştir [10].

£¢ ¤¥¦¢ @ ¤§ ¨ ¦¢¢ @ ¤ ¦¢¢¢© (2)


205

£ª = £ª @ «¦ª @ ¬¦ª @ ¦ª (3)

« = ¤¥ @¤§@ ¤ ,¬ = ¯¤¥ @ ¤ ° , = ¤

Denklem (2) ve (3)’te u kontrolcünün çıktısı, e kontrolcünün hata girişi, sırasıyla Kp Ki, Kd orantı,

türev ve integral kazançlar, t zaman ve T örnekleme zamanıdır.

4. İRTİFA ÖLÇÜM SİSTEMİ

İrtifa kontrolü mesafe (irtifa) ölçümüne ihtiyaç duymaktadır. Mesafe ölçümünde akustik (ultrasonik)

veya optik tabanlı yöntemler yaygın olarak kullanılmaktadır. Araştırmamızda hava aracının yük taşıma

kapasitesinin oldukça az olması, kullanılan eyletici ve sensörün daha hızlı ölçüm yapmaya uygun

oluşu ve daha ekonomik olması dolayısıyla, bir kızılötesi LED ve bir fototransistordan oluşan optik

yönteme dayanan irtifa ölçüm sensörü kullanıldı. Mesafe ölçümü için kullanılan devre Şekil 6’da ve

bu devrede kullanılan malzemeler Tablo 2’ de verilmiştir. Tasarlanan mesafe ölçüm sistemi

kullanılarak yapılan deneyler ile sensörün çeşitli ortamlarda, farklı yansıtıcı yüzey ve mesafe

koşullarında verdiği tepkiler gözlenmiştir.

Birinci deneyde ışığın yansıdığı yüzey beyaz bir kâğıt ve ortam aydınlıktır, ikinci deneyde birinci

deneyden farklı olarak ortam karanlıktır, üçüncü deneyde ise yansıyan yüzey parlak gri bir metaldir ve

ortam aydınlıktır. Bu deneylerde yansıtıcı yüzey ve sensör arasındaki mesafe ve sensör ile okunan

voltaj değerleri Tablo 3’te verilmiştir ve Şekil 7’de verilen grafikler elde edilmiştir. Okunan değerler

çevre faktörlerinin ve yansıyan yüzeyin yansıtıcı özelliğine göre farklılıklar göstermiştir. Deneyler

sonucunda aracın farklı ortamlarda farklı davranışlar sergileyebileceği görülmüş ve irtifa ölçüm

sisteminin çevresel faktörlerden etkilenmemesi konusunun tasarıma dahil edilmesi kararlaştırılmıştır.

Şekil 6 Mesafe Ölçümü Devre Şeması


206

Tablo 3 Mesafe Ölçme Sisteminde Kullanılan Malzemeler

Malzeme İsmi Özellik

LED Kızılötesi LED

Foto transistör Kızılötesi ışına duyarlı foto transistör

Direnç R1 230Ω ve R2 10 K

Tablo 4 Mesafe Ölçümü Deney Verileri

Mesafe (cm) Deney No: 1

Sensör Voltajı (mV)

Deney No: 2


Deney No: 3


2 44,4 8,9 15,1

4 46,6 10,8 18,3

6 54,4 12,5 25,5

8 63,2 15,4 31,9

10 67,6 17,3 47,2

12 74,5 19,1 54,4

14 79,1 21,7 60,0

16 82,5 23,9 65,4

18 85,5 25,2 71,5

20 94,3 29,0 77,4

Şekil 7 Sensör Voltajı ve Mesafe Grafikleri

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25

Ok

un

an

vo

lta

j d

eğ

eri

mV

Mesafe cm

Seri 1

Seri 2

Seri 3


207

İrtifa ölçme sistemi normal koşullarda hava aracının üzerinde bulunacaktır. Laboratuvar testlerinde ise

ön çalışmalar için ölçme sisteminin, hava aracının yalnız yukarı ve aşağı hareketine izin veren test

düzeneği üzerine yerleştirilmesi düşünülmüştür (Şekil 8).

Şekil 8 Hava Aracı İrtifa Kontrolü Test Düzeneği

SONUÇLAR

Bu bildiride eksendeş pervaneli bir mikro hava aracının yükseklik kontrolü hakkında geçtiğimiz

yıllarda yapılan çalışmalar değerlendirilmiştir. Hava aracının irtifa dinamiği, basit fiziksel modeli ve

Newton’un ikinci yasası kullanılarak elde edilen dikey yöndeki hareket denklemiyle ele alınmıştır. Bir

kızılötesi LED ve fototransistor içeren irtifa ölçüm sistemi geliştirilmi ş, belirli deneyler yapılmış ve

çevresel faktörlerin etkileri gözlenmiştir. İrtifa ölçüm sistemini içererek tasarlanacak ve gerçeklenecek

irtifa kontrol sistemi üzerinde durulmuş, kullanılacak PID kontrolcüsünün sürekli ve ayrık zaman

ifadeleri belirtilmiştir. Araştırma çalışması irtifa kontrol sisteminin Matlab ve Simulink kullanılarak

yapılacak simülasyonlarıyla ve devamında test düzeneği üzerine yerleştirilecek hava aracının bir

mikrodenetleyici veya bir bilgisayar ve veri toplama kartı kullanılarak yapılacak gerçek zamanlı

kontrol uygulamalarıyla devam edecektir.


208

TEŞEKKÜR


Atılım Üniversitesi tarafından desteklenmiştir (Proje No: ATÜ-LAP-A-1415-01).

KAYNAKÇA

[1] Coleman C.P. (1997), ”A Survey of Theoretical and Experimental Coaxial Rotor Aerodynamic

Research”, NASA Technical Paper 3675.

[2] Bouabdullah S., Bermes C., Schafroth D., Siegwart R., (2010), “Modeling and System

Identification of muFly Micro Helicopter”, Journal of Intelligent and Robotic System, Cilt 57, Sayı 4,

Sayfa 27-47.

[3] Karabulut H.O., Doğan E.G., Örün U., Angay Ç., Demirkol E.S., İrfanoğlu B., (2013), “Eksendeş

Pervaneli Mikro Hava Aracı Kontrolü Test Platformu Tasarımı”, MEMÖK, Cilt 4, Sayı 1, Sayfa 191-

200.

[4] Başaran A., Ersoy S., Köklü G., Özcan H., Yaşar S., İrfanoğlu B., (2014), “Eksendeş Pervaneli

Mikro Hava Araçlarının Matematiksel Modeli, Deneysel Olarak Tanımlanması ve İrtifa Kontrolü”

MEMÖK, Cilt 5, Sayı 1, Sayfa 123-134.

[5] Schafroth D., Bouabdallah S., Bermes C., and Siegwart R., (2009), “From the Test Benches to the

First Prototype of the muFly Micro Helicopter”, J. of Int. and Robotic Systems, Cilt 54, Sayı 1-3,

Sayfa 245-260.

[6] Purohit A., Sun Z., Mokaya F., and Zhang P., (2011), SensorFly: Controlled-mobile Sensing

Platform for Indoor Emergency Response Applications, ACM/IEEE, IPSN-10, Sayfa 223–234.

[7] FairChild Hermetic Silicon Photodarlington L14f1-L14f2 teknik döküman sayfası.

[8] Duranti S., Conte G., Lundstrom D., Rudol P., Wzorek M., Doherty P., (2007), “LinkMAV, A

Protoype Rotary Wing Micro Aerial Vehicle”, IFAC., Cilt 1, Bölüm 1, Sayfa 25-29.

[9] Ünalmış, B., (2013), “Gömülü Sistem Projeleri”, http://www.mcu-turkey.com/stm32f discovery-

kit-ile-8-kanalli-yazilimsal-pwmuygulamasi/#more-21511.

[10] İbrahim D., Microcontroller Based Applied Digital Control, (2006), Wiley.


209

MELEZ UÇAN ROBOT ve TEST DÜZENEĞİ

Mehmet AKYÜREK [email protected], Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara

Osman Mücteba BİŞKİNLER , [email protected], Atılım Üniversitesi,

06836, Ankara

Faruk ÖZALP , [email protected], Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara

ÖZET

Bu bildiri, Atılım Üniversitesi Uçan Robotlar ve Robotik Taşıtlar Laboratuvarı kapsamında yürütülen

kara-hava melez robotunun performansının ve denetim sistemlerinin sınanması için geliştirilen test

düzeneğini konu almaktadır. Bahsi geçen kontrol sistemi, robotun havada yönelim dinamiğinin kararlı

hale getirilip denetlenmesini hedeflenmektedir.

Anahtar Sözcükler: Uçan robot, İki Rotorlu Platform, Melez Hareket

ABSTRACT

This paper discusses the test bench which is developed to test the performance of ground-air hybrid

robot and its control system at the Flying Robotics and Robotic Vehicles Laboratory. The control

system is the one that aims to stabilize and control the attitude dynamics of the vehicle in air.

Keywords: Flying Robot, Twin rotor Platform, Hybrid Locomotion

GİRİŞ

Günümüz koşullarında, robotik uçan sistemlerin önemi giderek artmaktadır. Sivil ve askeri pek çok

uygulamada bu sistemleri görmek mümkündür. Bu alanda farklı arayışlar ve gelişmeler de devam

etmektedir. Melez sistemler birden fazla hareket alt sisteminin bir araya gelmesiyle oluşmakta ve bu

yapılar bilinen insansız hava araçlarından farklılıklar göstermektedir. Gerektiğinde karada,

gerektiğinde de havada hareket edebilen sistemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu bildiride, Uçan Robotlar

ve Robotik Taşıtlar Laboratuvarında geliştirilmekte olan iki döner kanatlı, iki bacaklı ve iki kontrol

yüzeyli Toruk sistemi için geliştirilen test düzeneğine ait temel bilgiler aktarılmaktadır.


210

LİTERATÜR TARAMASI

Literatür araştırması kapsamında, melez kara ve hava araçları incelenmiştir. Melez araçlar genelde

kara modunda iken zıplama, tırmanma gibi yetenekler ile donatılmışken, hava modunda ise zıplamaya

ve tırmanmaya yarayan eyleyicileri olabildiğince havada verimli bir şekilde yön vermek için

kullanmışlardır. Scout tekerlekli robotun uçan versiyonunun, ayak mekanizması uzayabilen bir yapıya

sahiptir ve kara modundan hava moduna geçeceğinde uzayabilen ayak mekanizmasını kullanarak

havaya kalkmaktadır. Bu mekanizmanın uygulanabilirlik avantajının yanında ağırlık olarak

dezavantajı bulunmaktadır [1].

Şekil 7. MMALV (Dönüşen Mikro Hava Kara Aracı)

Uçan ve sürünen araçlara [1]’de MMALV (Dönüşen Mikro Hava Kara Araçları) adı verilmiştir. Bu

çalışmada robotun görev süresinin büyük kısmı havada geçmekte; kara modunu sadece pozisyon

konumlama için kullanmaktadır. Bu çalışmada, dayanıklı mekanik yapının, eyleyici

konfigürasyonunun ve tasarımın önemi vurgulanmaktadır.

Melez uçan sistemler ile ilgili yapılan çalışmalarda son yıllarda artış olduğu gözlenmektedir. Biyolojik

canlılara bakıldığında, kertenkelelerin havada dengelerini ve denetimlerini sağlamak amacıyla


211

kuyruklarını kullandıkları gözlenmektedir. Bu yaklaşımdan esinlenen robotik sistemlerin tasarımı da

yine sürdürülmekte olan çalışmalar arasındadır [2]. Melez lokomosyona sahip uçan robot çalışmaları

arasında, etrafındaki koruma kafesini karada hareket için kullanan dört rotorlu platform [3] ve ağırlık

merkezini doğrusal bir eyleyici sistemi ile değiştirmek marifetiyle havada gövdesini ileri yönlendiren

çalışmalar örnek olarak gösterilebilir [4].

Melez uçan robotlar ekseninde odaklandığımız ana konular, eksik eyleyicili melez sistemlerin

tasarımı, kara ve hava lokomosyan alt sistemlerinin her iki ortamda da kullanılması, denetimcilerin

tasarlanması gibi alt başlıklar içermektedir. Kara hareketini sağlayacak bacakların havada yunuslama

dinamiğinin denetimi amacıyla kullanılması örnek olarak verilebilir. Bu yaklaşımın özgünlüğü de

görülmektedir.

TORUK.v3

Toruk.v3, 2 adet fırçasız motorlu itki birimine, iki adet dc servo motor ile tahrik edilen bacak yapısına

ve iki adet kontrol yüzeyine sahip olan melez hareket yeteneği verilmek istenen bir platformdur [5].

Şekil 2’de verilen ikinci sürümünde ise, kontrol yüzeyleri kullanılmaktadır. Toruk.v3 2012-2013

eğitim yılında Mece 407-408 Lisans Araştırma Projeleri kapsamında tasarlanmaya başlanmıştır [6].

Yüzeylerin hareketini sağlamak için 2 adet servo motor kullanılmıştır. Sistemde bulunan iki döner

kanat zıt dönüş yönlerine sahiptir. Kontrol yüzeylerinden faydalanılmadan, bacakların havada da

yunuslama denetimi için kullanıldığı durumda sistem denetlenebilir olmaktadır. Kontrol yüzeylerinin

sistemde bulunma sebebi, farklı eyleyici birimleri ile farklı dinamik cevapların incelenebildiği, hataya

dayanıklı sistem tasarımı gibi konularda çalışmaya imkân verecek bir platformun hedeflenmesidir.

Şekil 3’de sistemin küresel mafsallı test düzeneği üzerindeki hali sunulmuştur.

Şekil 2. Toruk.v3


212

Şekil 3. Toruk.v3 Küresel Mafsal Üzerinde

TEST DÜZENEĞİ

Toruk yapısal özelliği gereği kararsız bir dinamiğe sahiptir. Hava hareketini sağlayabilmek bu

karasızlığı giderilmesini sağlayacak denetim sistemlerinin tasarlanması gereklidir. Tasarlanan

kontrolcülerin fiziksel sistem üzerinde sınanması ve ince ayarlamaların yapılabilmesi için bir test

düzeneği gerekmektedir. Toruk, ağırlık merkezinden bir küresel mafsala sadece yönelim dinamiği

aktif halde olacak şekilde yerleştirilmi ştir. Gerçek zamanlı denetim sistemi, Toruk üzerindeki ataletsel

ölçüm biriminden Euler açıları ve açısal hız bilgilerini almakta ve bu durum değişkenlerini regüle

etme amacıyla eyleyicilere denetim işaretlerini aktarmaktadır. Temel olarak PID denetim yapıları ile

başlanmış, durum geri beslemeli ve bozucu girdi bertaraf edici diğer alternatifler üzerinde de

çalışılması hedeflenmektedir. Şekil 3’te yer verilen sistem Şekil 4’te yer alan biçimde gerçek zamanlı

denetim sistemine bağlanmaktadır.

Şekil 4. Test Düzeneği Bileşenleri


213

Ataletsel ölçüm biriminden gelen işaretler Simulink Real-time Windows Target yazılımına gerçek

zamanlı alınmakta ve ayrıştırılmaktadır. Denetim işaretlerinin motorlara ulaştırılması için humusoft

Veri Toplama Kartının PWM çıkışları kullanılmaktadır. Sistemi küresel mafsaldan ayırıp yönelim ve

yükseklik denetimini sınamak için bazı destekleyici ayak alternatifleri üzerinde çalışmalar yapılmıştır.

Şekil 5’te seçilen alternatif ve sistem üzerinde yerleştirilmi ş hali sunulmaktadır.

Şekil 5. Toruk Destek Ayakları Üzerinde

6. SONUÇLAR

Bu bildiride Uçan Robotlar ve Robotik Taşıtlar Laboratuvarında, 2014-2015 ders yılı MECE 407-408

Lisans Araştırma Projeleri I-II dersleri kapsamında yapılan çalışmalar özetlenmiştir. Toruk.v3 ile kara-

hava melez lokomosyana sahip bir platform hedeflenmektedir. Bacakların karada yürümeyi sağlama

ve havada yunuslama dinamiğine girdi sağlama görevleri bulunmaktadır. Eksik eyleyici sistemlerin

tasarım ve denetimi, farklı dinamik karakteristiğe sahip platformların geliştirilmesi, hataya dayanıklı

denetim sistemlerinin geliştirilmesi gibi hedefleri de barındıran bir çalışma yürütülmektedir. Denetim

sistemlerinin tasarımı sürmektedir. Yöenlim dinamiğini karalı hale getirdikten sonra yükseklik ve

yönelim dinamiğinin birlikte kontrolü hedeflenmektedir.

TEŞEKKÜRLER

Bu araştırma, MECE 407-408 Lisans Araştırma Projeleri I-II dersleri kapsamında gerçekleştirilmi ş ve

Atılım Üniversitesi tarafından desteklenmiştir (Proje No: ATÜ-LAP-A-1415-01).

KAYNAKÇA

[1] A. Kossett and N. Papanikolopoulos "A Robust Miniature Robot Design for Land/Air Hybrid

Locomotion" 2011 IEEE International Conference on Robotics and AutomationShanghai International

Conference CenterMay 9-13, 2011, Shanghai, China


214

[2] Thomas Libby,Talia Y. Moore,Evan Chang-Siu, Deborah Li, Daniel J. Cohen,Ardian Jusufi &

Robert J., (2012),“Full tail-assisted pitch control in lizards, robots and dinosaurs”, Nature, 481(7380),

pp. 181-184.

[3] ArashKalantari, Matthew Spenko, (2013),“Design and Experimental Validation of HyTAQ,

aHybrid Terrestrial and Aerial Quadrotor”, IEEE International Conference on Robotics and

Automation (ICRA) Karlsruhe, Germany, May 6-10.

[4] Eric Beyer, (2009), “Design, Testing, and Performance of a Hybrid Micro Vehicle, The Hopping

Rotochute”, Ph.D. Thesis, Schoolof Aerospace Engineering, Georgia Institute of Technology

[5] Eden, E., Tuğrul, O. C. ve Arıkan, K. B., (2012), “Sıradışı ve Melez Uçan Robot Tasarımı ve

Denetimi” 3. Mekatronik Mühendisliği Kongresi (MeMÖK2012), Atılım Üniversitesi, Ankara

[6] Güngör,B., Aker,B., Günay,G. veArıkan, K. B.,(2013), Özgün Uçan Robotların Geliştirilmesi” 4.

Mekatronik Mühendisliği Kongresi (MeMÖK2013), Atılım Üniversitesi, Ankara


215

STIRLING MOTORLU, DO ĞRUSAL EYLEY İCİLİ, PARABOLİK

YANSITICILI GÜNE Ş TAK İP SİSTEMİ

Salih Yunus FİKRET , fikret.syunus@ student.atilim.edu.tr, Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara

Solmaz Simge UGURLU, [email protected], Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara

ÖZET

Güneş enerjisi alternatif enerji kaynaklarının başında gelmektedir. Güneş enerjisinin mekanik enerjiye

dönüştürülmesi üzerine bir çok araştırma yapılmıştır. Bu çalışmanın amacı, parabolik yansıtıcılı,

doğrusal eğleyicili, Stirling motorlu, çift eksenli, güneş takip sistemi tasarımı ve imalatını

gerçekleştirmektedir. Yaptığımız araştırmaların sonucu doğrultusunda çalışmalar yapılmıştır.

Çalışmadan beklentimiz güneşten gelen enerjinin Stirling motor yardımıyla mekanik enerjiye

çevirmektir. Güneşin doğuşundan, batışına kadar olan süre zarfında yaydığı ışınlardan en verimli

şekilde yararlanma için güneş takip sistemi düşünülmüştür.

Anahtar Sözcükler: Stirling Motor, Doğrusal Eyleyici,Güneş İzleme Sistemleri, Parabolik Ayna

ABSTRACT

Solar energy is one of the alternative energy sources. There have been numerous studies on the

conversion of solar energy into mechanical energy. The purpose of this study, parabolic reflector,

linear actuator, stirling engine, dual-axis solar tracking system design and manufacturing on its. Our

research was conducted in accordance with the studies. Expectations on studies the energy from the

Sun without working Stirling engine with the help of mechanical energy is to turn. Sunrise, sunset or

during the time in which the Sun is the most efficient way to take advantage of the beam tracking

system is intended.

Keywords: Stirling Engine, Linear Actuator, Solar Tracking System, Parabolic Dish


216

1. GİRİŞ

Enerji, insanoğlunun yaşamında büyük bir role sahiptir. Günümüzde ve insanoğlunun geçmişinde

birçok enerji kaynağından yararlanılmıştır. Kömür, petrol, gaz, elektrik enerjisi bunların başında

gelmektedir. Enerji kaynaklarının azalması ile birlikte insanoğlu yenilenebilir enerji üzerine çalışmaya

başlamıştır. Bu çalışmalar ile enerjiyi su, rüzgar ve güneş enerjisinden elde edilebileceğinin yollarını

bulmuşturlar. Üstelik bu enerji kaynaklarının dünyaya hiç bir zararı görülmemiştir. İlerdeki nesillere

daha sağlıklı bir dünya bırakmak için yenilenebilir enerjiye bütün dünya yönelmiştir. Bu çalışmada

güneş enerjisini en verimli şekilde kullanmak hedef alınarak; stirling motor yardımı ile güneş

enerjisini mekanik enerjiye çevirmektir. Bunun için çift eksende hareket edebilen bir tasarım yapılmış

ve imalatı gerçekleştirilmeye başlanmıştır. Güneş takip sistemi güneş panellerine (solar cell) düşen

ışık miktarına göre bilgiler değerlendirilip gelen bilgileri Arduino’ ya datalar halinde iletilir. Doğrusal

eyleyici ve daha önce tasarladığımız sonsuz dişli sayesinde sistemi çift eksende hareket ettirmek

mümkün olacaktır. Doğrusal eyleyici sistemin hareket etmesini sağlamaktadır. Güneşin açısına göre

doğrusal eyleyici Arduino’dan aldığı bilgiler doğrultusunda konumlanır. Günümüzde araba farlarında

parabolik yansıtıcı kullanılır. Bunun sebebi parabolik yansıtıcılar aldıkları ışığı yansıtma konusunda en

etkili çözümdür. Bu sayede de enerjiden tasarruf edilir. Güneş enerjisini tek bir noktada yani odak

noktasında toplar böylece güneş enerjisinde daha fazla yararlanılır. Çok yüksek derecelere ulaşılabilir.

Bu da Stirling motorunun çalışmasını sağlamaktadır. Stirling motor dıştan yanmalı bir motor

çeşididir. Maliyetinin ve bakımının ucuz olması sebebiyle yıllardır kullanılmaktadır. Stirling motor

sıcak ve soğuk piston gaz haznelerindeki sıcaklık farkının korunması prensibine dayanarak çalışır. Isı

değişimi işlemi, ısının mekanik harekete dönüşümünün ideal verime yakın olmasına izin verir.

Çalışma gazı piston silindirleri içinde yalıtılmıştır. Bu nedenle çevreyi kirleten egzoz gazı da yoktur.

Gaz ısıtıldığında yalıtılmış olduğundan, basınç yükselir ve güç pistonunu harekete geçirip güç

üretir.Gaz soğutulduğunda basınç düşer gazı tekrar sıkıştırmak için oluşan işin bir kısmında kullanılır.

SOLID çizim programında çizimler ve hesaplamalar yapılmıştır.

2. SİSTEMİN YAPISI

Parabolik yansıtıcı, Stirling Motor, Doğrusal Eyleyici, ve Güneş Takip Sistemi başlıkları altında

anlatılmıştır.

2.1 Parabolik Yansıtıcı

Başka bir deyişle çukur ayna adıyla adlandırılan aynalardır. Parabolik yansıtıcılar güneşten gelen


217

ışınları bir noktada toplamaktadır. Işınların toplandığı bu noktaya odak noktası denmektedir. Aynaya

gelen güneş ışınları Şekil 1’te gösterildiği gibi bir noktada odaklanmıştır ve F noktası aynanın odak

noktasıdır. [1]

Şekil 1. Parabolik Aynanın Odak Noktası

Projede kullanılan aynanın çapını D, derinliğini c ile adlandırmaktayız. Aynanın odak noktasını

hesaplamak için aşağıdaki formüller kullanılmaktadır. [1]

F = odak noktası

D = aynanın çapı

c = aynanın derinliği

f = ( D * D ) / ( 16 * c )

Ayna ebadı büyüdükçe yararlanılacak güneş enerjisi miktarı artar. Fakat taşıma zorlaşmakta ve

maliyet yükselmektedir. Bunun yanı sıra ilk olarak parabolik yansıtıcının içerisine altıgen şeklinde

kesilmiş aynalaryerleştirmek istsnmiştir. Bu sayede güneş ışınlarından maksimum düzeyde

yararlanılacaktır. Fakat küçük boyutlarda kesilen altı köşe aynaların maliyeti fazla olduğu için düz bir

yüzey tercih edilmiştir.


218

2.2 Stirling Motor

İlk olarak İskoçyalı rahip Robert STIRLING tarafından 1816 yılında tasarlanmıştır. Patent

numarası 4081 ve yılı 1816 dır. İlk güneş enerjisiyle çalışan Stirling motorunu kaptan John Ericsson

yapmıştır. 1872 yılında imal edilen bu motordan 9 adet üretilmiştir bu motorlardan bazıları buhar

çevrimi bazıları ise hava çevrimi esaslarına göre üretilmiştir. [2] Stirling motorların yakıt türüne bağlı

olmadan çalışması en büyük özelliğidir. Bu yakıt türleri tarımsal atıklar, nükleer enerji ve güneş

enerjisi gibi yakıt türleri olabilirler. [3] Dünyanın bir çok ülkesinde Stirling motor yardımıyla tarımsal

sulama yapılmakta ve elektrik enerjisi üretilmektedir. Bu projede Stirling motor kullanmamızın amacı

imalat maliyeti düşük bakım masrafı olmaması ve çevre dostu olmasıdır. Supap, valf, ateşleme

sistemi, yağ filtresi, hava filtresi gibi malzemeler yoktur. İmalatı kolay gerçekleştirilir. Çok uzun süre

sorunsuz çalışır. İçten yanmalı motorların aksine titreşimleri azdır, düzgün moment değişimine

sahiptir, titreşimlere neden olan periyodik moment değişimi azdır. Gürültü azdır, içten yanmalı

motorlarda silindir içerisinde çok yüksek basınç ve şoklardan meydana gelen gürültüler Stirling

motorunda dıştan ısı alması ile önlenmektedir. Günümüzde, Stirling motor yenilenebilir enerji

kaynakları için çok ideal bir seçimdir.

1816 yılında İskoçyalı rahip STIRLING in tasarladığı motordan sonra birçok motor

üretilmiştir. Çalışma prensipleri aynı olan bu motorların tasarımları farklıdır. İnsanoğlu daha fazla

verim sağlamak, ölü hacmin azaltılmasını sağlamak ve daha masrafsız motorlar elde etmek için yeni

tasarımlar yapmıştır. Dünya üzerinde en çok kullanılan dört temel Stirling motor vardır. Bunlar alfa,

beta, gama ve bağımsız piston Stirling motorlardır. Bu projede Gama tip Stirling motor seçilmiştir. Bu

motor tipi araştırılmış ve SOLIDWORKS programında tasarımı yapılmıştır. Şekil 2 de Gama tipi

stirling motor prototipi gösterilmiştir.


219

Şekil 2 Gama tipi Stirling Motor Prototipi

Gama tip motorlarda iki ayrı silindir mevcuttur. Silindirlerden biri bir piston vasıtasıyla

çalışma maddesinin genişleme ve sıkıştırılmasını, diğeri yer değiştirme pistonu aracılığıyla çalışma

maddesinin ısıtılmasını ve soğutulmasını sağlar. İki silindir birbirine bir boru vasıtası ile bağlanmıştır.

Rejeneratör, beta tip motorlarda olduğu gibi yer değiştirme silindirinin içine veya dışına

yerleştirilebilir. Şekil 3 de bu motorun şematik görünümü verilmiştir. [3]

Şekil 3 Gama Tip Stirling Motorun Şematik Görünümü

İmalatı yapılacak olan Stirling motorun çalışma prensibi ve çevrimin P-V diyagramı Şekil 4’de

görülmektedir. Burada, 1-2 arası sabit sıcaklıkta sıkıştırma işlemi, 2-3 arası sabit hacimde sisteme ısı


220

verme işlemidir. 3-4 arası sabit sıcaklıkta genişleme işlemidir ve dış kaynaktan sisteme ısı verilmeye

devam edilmektedir. 4-1 arası ise sabit hacimde genişleme ve dış ortama ısı geçişidir. [4]

Şekil 4. Stirling motorun çalışma prensibi (a), çevrimin P-V diyagramı (b) [4]

2.3 Güneş Takip Sistemi

Güneş takip sistemini en verimli kullanma şekli güneşin doğuşundan batışına kadar panel sistemine

güneşin dik düşmesini sağlamaktır. Güneş ışınları güneş paneline dik düşer ise;güneş ışınlarından en

verimli şekilde yararlanmış oluruz. Böylelikle güneş enerjisinden minimum enerji kaybı yaşarız.

Güneş takip sistemleri aktif ve pasif olarak iki bölüme ayrılır.

Aktif güneş takip sistemi: Güneş ışınlarının konumunu belirleyecek sensörlere sahiptir. Bu sistem

anlık tepki veren bir sistemdir.

Pasif güneş sistemi: Bu sistemin sensörleri yoktur. Bu sistemler sabit veya el ile kontrol edilir.

Aktif takip sistemlerinin sabit sistemlere oranla yaklaşık %40 daha fazla verim sağlayıp aynı oranda

da elektrik üretimini artırdığı kanıtlanmıştır. [5] Aktif güneş takip sisteminin araştırmalarımız

sonucunda daha yararlı ve projemize daha uygun olduğuna karar verilmiştir.

2.3.1 Aktif Güneş Takip Sisteminin Yapısı

Projemizdeki aktif güneş sisteminin mekanik kısmında doğrusal eyleyici ve sonsuz dişli

bulunmaktadır. Kontrol kısmında ise elektronik kontrol ünitesi bulunmaktadır. Böylece bu sistem iki

ana bölümden oluşmaktadır. Sistemin mekaniğinde yatay yönde hareketi sağlaması için sonsuz dişli


221

Şekil 5 ve dikey yönlerde hareketi sağlaması için doğrusal eyleyici kullanılmıştır Şekil 7. Eyleyicinin

ve sonsuz dişlinin boyutu ve konumu hesaplanmıştır. Sistemin ağırlığı rüzgar kuvveti ve diğer etkenler

hesaplanıp, bu hesaplara göre eyleyicinin cinsi belirlenmiştir. [6]

Kontrol sisteminde ise 4 adet 5V güneş panelleri ve kontrol kartı bulunmaktadır. Piramit şeklinde olan

ve 4 yüzeyinde de güneş panelleri olan sistemin üzerine düşen ışık miktarına göre bilgiler

değerlendirilip “Arduino” ya datalar iletilir bunun sayesinde güneşin yeri belirlenir ve böylece

doğrusal eyleyici ve sonsuz dişliye yön verilir.

Şekil 5. Sonsuz Dişli Prototipi

Şekil 6. Doğrusal Eyleyici Prototipi

2.3.2 Tasarlanan Güneş Takip Sisteminin Çalışması

Bu projede sistemin çift eksende çalışması hedeflenmektedir. (x-y) yatay ve (z) ekseninde dikey

hareket etmesi gerekmektedir. Bu hareketleri gerçekleştirebilmek için sistemde algılayıcı olarak

piramit şeklinde 4 yüzeyinde de 5V güneş panelleri kullanılmıştır Şekil 7.


222

Bu şekilde güneşin anlık yer değişiminin fark edilmesi amaçlanmaktadır. Her bir yüzeyde bulunan

panellerin güneşin yer değiştirmesiyle üreteceği elektrik enerjisi değişmektedir. Böylece paneller

arasında elektrik voltaj farkı oluşmaktadır bu sayede güneşin yeri tespit edilmektedir. Ayrıca bu voltaj

farkı sayesinde sistem devreye girmektedir. Kontrol kartı olarak Arduino Mega kullanılmıştır. Sonsuz

dişli ve doğrusal eyleyici Arduino Mega sayesinde sürülmektedir. Algılayıcı sensör sistemle beraber

hareket etmelidir. Böylece güneşin yeri daha sağlıklı belirlenir. Bu sistem belli aralıklarla ana karta

bilgi yollayıp sistemin pozisyon değiştirmesini sağlamaktadır. Bu aralık süresi çok fazla olursa sistem

karışabilir yada sistemde mekanik hatalar oluşabilir bu yüzden sistem gecikmeli olarak sinyal

göndermektedir. Gelen bilgiler sonucunda Arduino Mega'nın içindeki algoritma sayesinde sistem

hangi panelde elektrik voltajı daha fazlaysa oraya doğru harekete geçmektedir. Sistemin hareketini

sağlayan sonsuz dişli ve doğrusal eyleyici güneş nerdeyse sistemi o tarafa doğru harekete

geçimektedir.

Şekil 7. Piramit Algılayıcı


223

Şekil 8. Sistemin Genel Yapısı

3. SONUÇLAR

Projede uygulamak istediğimiz sistemin çift eksende güneşi takip edebilmesi, çukur aynanın odağında

toplanan güneş enerjisini mekanik enerjiye çevirip Stirling motoru çalıştırmaktır. Takip sistemi için

doğrusal eyleyici ve sonsuz dişli kullanılarak çift eksende hareket etmesi beklenmektedir. Algılayıcı

olarak kullandığımız piramit şeklindeki 4 tarafı güneş panelleriyle kaplı olan yapı sensör görevi

görmektedir. Yaptığımız tasarım sonucunda Solidworks programındaki modellemede çift eksende

hareket etmesi mümkün gözükmektedir.

Solidworks üzerinde yapılan ve montajı tamamlanan sistem sorunsuz bir şekilde çalışmaktadır.

TEŞEKKÜR

Bu çalışma, MECE 407-408 Lisans Araştırma Projesi dersleri altında gerçekleştirilmi ş ve Atılım

Üniversitesi tarafından desteklenmiştir. Proje çalışmalarımızdaki yardımları nedeniyle Cahit

GÜREL'e, H. Orhan YILDIRAN'a teşekkür ederiz.

KAYNAKÇA

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/File:Parabola_with_focus_and_arbitrary_line.svg

(Download Date: 17.11.2014)


224

[2] Finkelstein,T., Allan,J.O., '' Air Engines'', The American Society of Mechanical Engineers, New

York,(2004).

[3] Erol, D., '' Düşük Sıcaklık Farkıyla Çalışan Bir Stirling Motorun Tasarımı ve İmalatı'' , Yüksek

Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, (2009).

[4] http://memok.atilim.edu.tr/shares/memok2013/files/MeMOK2014_bildiri_Kitabi.pdf

( 16.03.2015)

[5]Acar C. Ve Kılınçdemir İ., “Güneş İzleme Sistemleri”, Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi

[6] http://memok.atilim.edu.tr/shares/memok2013/files/MeMOK2014_bildiri_Kitabi.pdf

( 16.03.2015)


225

OPTİK KAMERA TABANLI CANSAT UYDU S İSTEMİ

Bahittin ASLAN , [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara

Sedat NAZLIBİLEK, [email protected] Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara

ÖZET

Bu bildiride günümüzde yaygınlaşmakta olan küçük uydu sistemlerinden olan CanSat uydu sistemleri

tanıtılmakta ve amaçlarından bahsetmektedir. Atılım Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü

öğrencileri tarafından hazırlanan bitirme projelerinden biri olan CanSat model uydu sistemi hakkında

bilgi sunulmaktadır. Bu bildiri, CanSat’ın ne olduğu, ne amaçla kullanıldığı, nasıl yapıldığını ve

çalışma prensibi hakkında bilgiler içermektedir.

Anahtar Sözcükler: CanSat, Model uydu, Çalışma prensibi

ABSTRACT

In this paper the so called Cansat which is a kind of small satellite systems developed in recent years is

described and tailed information is presented on the model satellite “CanSat” which is the dissertation

of the department of Atılım University Mechatronics Engineering students explained in this paper.

This paper also includes that what is Cansat, what is the intended use, how is it manufacture and about

working principle.

Keywords: CanSat, Model satellite, Working principle

1. GİRİŞ

Teknoloji ilerledikçe insanlar farklı alanlarda meraklar edinmiş ve bu merakları doğrultusunda bazı

alanlarda araştırma faaliyetleri yürütmüşlerdir. İnsanlık tarihinden bu yana insanlar çok fazla alanda

araştırma yapmış olsalar da insanların uzaya karşı her zaman daha fazla ilgisi olmuştur. İşte bu

noktada insanlar ilk olarak yeryüzünden uzayı izlemişler, daha sonra gelişen teknolojiler sayesinde

uzaydan yeryüzünü ve uzaydan uzayı izlemeyi başarmışlardır. Günümüzde, dünya genelinde birçok

ülkenin kendine ait uydu sistemleri bulunmaktadır. Bu uydu sistemlerinin her birinin farklı kullanım

şekilleri ve kullanım amaçları bulunmaktadır. Uydu çeşitleri ve kullanım amaçları ise şu şekilde

sınıflara ayrılabilir;


226

1- Atmosfer ve Statosferin gözlemlenmesi ve araştırılması.

2- Dünya etrafındaki enerji partikülleri, elektromanyetik radyasyon, manyetik alanlar, yıldızlar,

planetler, güneş sistemleri, galaksiler, kuyruklu yıldızlar ve bunlar gibi birçok uzay cisminin

incelenmesi.

3- Biyolojik deneyler.

4- Haberleşme, eğitim, televizyon sinyal iletimi, hava tahmini, denizcilik, askeri programlar.

CanSat ise bu kullanım amaçlarının dışına çıkarak uydu teklonojisine farklı bir boyut getirmektedir.

Çalışmalarımızda CanSat “Model Uydu” ile ilgili başlangıç aşamaları ve bununla birlikte bu

çalışmaları takip eden gelişmeleri inceleyerek bilgiler elde edindik. Bu bilgiler sayesinde elde

ettiğimiz araştırma sonuçlarını düzenleyerek kendimize ait olan bir model uydu yapımına hazır hale

geldik. Bu araştırmanın ve uygulamanın amacı bizlerin bu güne kadar Mekatronik Mühendisliği

Bölümü kapsamında öğrenilen bilgilerin uzay bilimi ile birleştirilerek uzay mekatroniği kapsamında

çalışmalar yapmaktır. Böylelikle uzay mekatroniği laboratuarını bölümümüzde faaliyete geçirmektir.

Başlamış olan bu proje araştırma aşamasını tamamladıktan sonra üretim kısmına geçildi. Üretim

kısmında yapılmış olan sistemlerin dışında kendimize özgü tasarım ve parçalar kullanarak

geliştirmeler yapıldı. Bu bildiride Bölüm 2’de Cansat hakkında genel bilgi verilmiş, Bölüm 3’de

tarafımızdan yapılan Cansat tasarımı anlatılmıştır.

2. CANSAT

CanSat Amerika Birleşik Devleri’nden dünya geneline yayılan bir kavramdır. İngilizce ‘Can’ (teneke)

ve ‘Satellite’ (uydu) sözcüklerinin birleşiminden meydana gelmektedir. Bu sözcüğün Türkçe karşılığı

ise Model Uydu demektir. CanSat 1-2 km arası irtifalarda görev yapabilir ve modern uyduların

sistemleriyle ve görevleriyle oldukça fazla benzerlikler göstermektedir[1]. Şekil 1’de projemiz

kapsamında tasarlanmış ve katı modelleme programları ile çizilmiş CanSat çizimi

görülmektedirCanSat Amerika Birleşik Devleri’nden dünya geneline yayılan bir kavramdır. İngilizce

‘Can’ (teneke) ve ‘Satellite’ (uydu) sözcüklerinin birleşiminden meydana gelmektedir. Bu sözcüğün

Türkçe karşılığı ise Model Uydu demektir. CanSat 1-2 km arası irtifalarda görev yapabilir ve modern

uyduların sistemleriyle ve görevleriyle oldukça fazla benzerlikler göstermektedir[1]. Şekil 1 ve Şekil

2’de projemiz kapsamında tasarlanmış ve katı modelleme programları ile çizilmiş CanSat çizimi

görülmektedir.


227

2.1 CanSat Kullanım Amacı

Model uydu sistemleri dünya genelinde birçok üniversitenin ve ülkenin ilgilendiği bir konu olmakla

birlikte, şu an kullanılan birçok modern uydunun sistemleri ve görevleriyle oldukça benzerlik

göstermektedir. CanSat’ın Amerika’da ilk ortaya çıkmasındaki amaç soda şişesi büyüklüğünde bir

cismin uzaya fırlatılması ve sonrasında yeryüzüne dönerken bir takım bilgileri yere aktarmak ve aynı

zamanda yeryüzüne ait fotoğraflar çekmesidir. Bu amaçla yapılacak sistemin içerisinde bir takım

sensörler, batarya, mikroişlemci, kamera ve kablosuz haberleşme imkanı sağlayacak bir takım parçalar

bulunmalıdır. Kullanım amaçları içerisinde de belirli bir bölgeye ait birtakım bilgilerin kaydedilmesi

ve bölgenin fotoğraflarla incelenmesi, bazı askeri konularda uzaktan bağlantı sağlanarak bölge

hakkında detaylı bilgiye sahip olmak ve modern uydu sistemleri hakkında gerekli olan ilk etap

araştırmaları gerçekleştirip uydu sistemleri konusunda bazı tecrübelere sahip olunmak istenmesidir.

Şekil 9.CanSat Katı Modelleme

2.2 CanSat Yapısı

Model uydular kullanım amaçları doğrultusunda bazı şekillere sahip olmaktadır. CanSat sistemleri ise

kullanım amacı gereği yer yüzeyinden fırlatıldıktan sonra 1-2 km yüksekliğe ulaştıktan sonra yer

yüzeyine serbest düşüş yapmaktadır. Bu sebep ile bu model uyduları 1-2 km fırlatabilmek için

Şekil 8. CanSat Katı Model


228

genellikle roket sistemleri kullanılmaktadır. Roket sistemleri ise dünya genelinde silindirik bir yapıya

sahiptir. CanSat sistemlerinin bu roketlere entegre edilebilmesi için de genellikle Cansat sistemleri

kola kutusu boyutlarında silindirik bir yapıya sahiptir.

3. CANSAT TASARIMI

3.1 Tasarım Gereksinimleri

CanSat amacı gereğince birtakım verileri ve fotoğrafları yer istasyonuna göndermelidir. Bu bilgiler

içerisinde konum, irtifa, sıcaklık, basınç, ivme gibi çeşitli veriler bulunmaktadır. Bu veriler bazı

algılayıcı sayesinde mikroişlemciye, oradan da kablosuz iletişim cihazı vasıtasıyla yer istasyonuna

gelmelidir. CanSat içerisinde birçok farklı algılayıcı kullanılabilir. Fakat kurulacak sistem oldukça

küçük boyutlarda olduğu için kullanılacak algılayıcılar da mini boyutta olmalıdır[4]. Yapılacak

algılayıcı araştırmasında bu duruma özellikle dikkat edilmelidir. Yaptığımız araştırmalar sonucunda

yapacağımız model uydu içerisinde öncelikli olarak bulunmasını istediğimiz algılayıcı sıcaklık ve

basınç algılayıcısıdır. Kullanacağımız diğer algılayıcılar ise ivmeölçer ve cayroskopdur. İvmeölçer ve

cayroskop kullanmaktaki amacımız ise model uydumuzun anlık hızını, yönünü ve açısını görmek

istememizdir. İvmeölçer ile birlikte eğer cayroskop kullanıldığında ise daha gerçekçi sonuçlar alındığı

görülmüştür. İvmeölçer ile açı hesabı yapabilmek için bir takım matematiksel hesaplamalar yapılması

gerekmektedir. Bu hesaplamalar Şekil 3 de görülen tüm değerlerin hesabının yapılması sonucu elde

edilmektedir.

Burada öncelikle algılayıcıdan Şekil 10. Üç Eksendeki Değerler


229

okuduğumuz üç farklı düzlem için 3 farklı değer olmaktadır. Örnek olarak okunan 3 değer

aşağıdakiler gibi olsun;

ORx: 305, ORy: 322, ORz: 248

O = okunan ilk değerler. Bu değerler ham yani binary değerlerdirGelen tüm değerlerin volt cinsine

dönüştürülmesi gerekmektedir. Burada önemli olan nokta ise algılayıcının ne kadar besleme voltajı ile

beslendiğidir. Kullanılan bu sistemde algılayıcı 3,3 volt ile beslenmektedir.

Ham değerleri 10 bitlik analog - dijital çevirici kullandığımız için 3.3V/210 ile bölersek volt değerine

ulaşabiliriz.

VRx= 305*3.3V / 1023 = 0,98 volt

VRy = 322*3.3V / 1023 = 1,03 volt

VRz= 249*3.3V / 1023 = 0.80 volt

V= Volt

İvmeölçer algılayıcılar için bir 0(sıfır) g değeri belirlenmelidir. Genel olarak bu algılayıcılarda bu

değer Vdd/2 yani Besleme Voltajı / 2 olarak hesaplanır. Bu değer de 3.3V/2 = 1.65 volttur.

Hangi eksende kaç g kuvvet uygulandığını bulmak için algılayıcı hassasiyetini bilmek gerekmektedir.

Projede kullanılan algılayıcının hassasiyeti 0.8V/g’dir.

Rx= (ORx*Besleme Voltajı / 1023 – 0g değeri) / Hassaslık

Rx=(0,98 – 1,65)/0,8= -0,8375 g

Ry= (ORy*Besleme Voltajı / 1023 – 0g değeri) / Hassaslık

Ry=(1,03 - 1,65)/0,8 = -0,775 g

Rz= (ORz*Besleme Voltajı / 1023 – 0g değeri) / Hassaslık

Rz =(0,80-1,65)/0,8= -1,0625 g

Çıkan değerlerin negatif olma sebebi ise – yönde kuvvet uygulanmasıdır. Çıkarılan tüm bu değerler

sonrasında açı hesabı yapmak istersek trigonometriyi kullanmamız gerekmektedir. Öncelikle üç farklı

düzlemden gelen değerler için bir birim vektör değeri elde edilmelidir.


230

R2= Rx2+Ry2+Rz2

R2= Rx2+Ry2+Rz2 R=1,559

Cos(Axr)= Rx/R, Axr= arccos(Rx/R) arccos(-0,8375 /1,559) = 122,4 derece

6. Ulusal Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK2015) 06Haziran 2015, Atılım Üniversitesi, Ankara

Cos(Axy)=Ry/R, Axy=arccos(Ry/R) arccos(-0,775 /1,559)=119,8 derece

Cos(Axz)=Ry/R, Axz=arccos(Rz/R) arccos(-1,0625 /1,559) = 132,96 derece

Yukarıdaki işlemler sayesinde ivmeölçer ile açı hesabı yapılabilmektedir.

Kullanacağımız bir diğer algılayıcı ise Gps algılayıcısıdır. Gps’in Türkçe tam karşılığı küresel

konumlandırma sistemidir. Bu algılayıcı kullanmamızdaki amaç ise CanSat yeterli irtifaya çıktıktan

sonra yapacağı düşüş sonrasında boyutunun küçüklüğü sebebi ile düştüğü yer tam olarak tespit

edilemeyebilir. Böyle bir durum ise yapılan tüm emekler ile birlikte model uydunun kaybolmasına

sebep olur. Bu sebeple sistem içerisine yerleştirilecek bir GPS algılayıcısı sayesinde CanSat’ın

bulunduğu tam konum ve koordinatları yer sistemine iletilir ve tam yeri tespit edilebilir.

3.2 Tasarım

Yukarıda belirtilen gereksinimleri sağlayacak bir Cansat sistemi tasarımlanmıştır. Şekil 3’de

tarafımızdan tasarımlanan Cansat blok diagramı gösterilmiştir. Toplanan verilerin bir beyin tarafından

işlenmesi ve işlenen bu verilerin kablosuz iletişim cihazına iletilmesi gerekmektedir. Bunun için de

sistem içerisinde mutlaka bir mikroişlemci kullanılmalıdır. Model uydu içerisinde mikroişlemci sadece

veri akışını kontrol etmekle kalmamalı, bulunan irtifaya göre CanSat üzerinde bulunan iniş

mekanizmasını da otomatik olarak aktif hale getirmelidir. Bu sebeble yapılan araştırmalar sonucunda

Atmega2560 çipe sahip Ardunio Mega kullanılması uygun görülmüştür. Bu seçimin yapılmasında

mikroişlemcinin boyutu ve işlevselliği ile birlikte yazılacak olan özel yazılımın Atmega

kütüphanesinden de yararlanılarak daha hızlı ve basit yazılması hedeflenmiştir. Algılayıcılardan gelen

verilerin mikroişlemcide toplanmasından sonra mikroişlemci bu bilgileri bir şekilde yer istasyonuna

aktarmalıdır. Bu noktada model uydu içerisinde bir kablosuz iletişim cihazına ihtiyaç duyulmaktadır.

Yapılan araştırma sonucunda günümüzde yapılan birçok sistemde Xbee adı ile bilinen kablosuz

iletişim cihazının kullanıldığı tespit edilmiştir. Xbee’nin çalışma mantığı ise iki adet Xbee cihazının

birbiri ile eşleşmesi sonucunda birinin verici görevi görmesi, diğerinin ise alıcı görevi görmesiyle


231

kablosuz olarak veri aktarımı sağlanmaktadır. Bu cihazların Pro versiyonları ile birlikte normal bir tel

anten ile 1.6 km kadar menzile sahip olunabilmektedir. Bunun yanında cihaz üzerine yerleştirilecek

özel antenler sayesinde bu menzil 20 km olabilmektedir. Cansat sistemi için menzil genişliği 1-2 km

aralığında olacağı için üzerinde hazır bulunan tel antenli Xbee Pro modeli tercih edilmiştir.

CanSat’ın amaçlarından biri de fotoğraf veya video kaydetme özelliğinin olmasıdır. Bu sebeble sistem

içerisine bir adet kamera ve hafıza kartı yuvası yerleştirilmelidir. Burada hafıza kartı kullanmanın

amacı ise hem sensörlerden gelen verilerin, hem de kameradan gelen görüntünün güvenilir bir şekilde

saklanmasıdır. Uçuş tamamlandıktan sonra bile kayıt altına alınan tüm veriler, fotoğraf veya video

istenildiği zaman izlenebilmektendir. Sistemimizin özellikleri gereğince kullanılacak kameranın da

diğer tüm parçalar gibi minimum boyutta olmasına özen gösterilmelidir[5].

Elektronik parça seçimlerinden sonra yapacağımız CanSat sisteminin elektronik devre şeması

çizilebilir hale gelmiştir. Elektronik devre şeması hazırlanılarak sistemin elektronik aksamı tamamen

hazır hale gelmekle birlikte iniş sistemi aşamasına geçilmektedir. Elektronik devre şeması Şekil 5’de

gösterilmektedir.

Şekil 11.CanSat Blok Diyagramı


232

Şekil 12. Elektronik Devre Şeması

3.3 Elektronik Devre Çalışma Prensibi

Bataryamızdan aldığımız 7,4 voltu 7805 voltaj düzenleyici sayesinde 5 volta düşürüyoruz. Aldığımız 5

volt değerini ise doğrudan Arduino Mega’ya veriyoruz. Bu 5 volt Arduino ve diğer devre

elemanlarının besleme voltajıdır. Buradaki en önemli nokta ise devrede bulunan algılayıcıların kaç

volt ile çalıştığının iyi araştırılmasıdır. Bu projede kullanılan tüm algılayıcılar 2,2 volt – 3,6 volt

aralığında çalışmaktadır. Bu sebep ile tüm algılayıcıları 3,3 volt ile çalıştırmak idealdir. Eğer ki bu

algılayıcılara 5 volt değeri verilir ise algılayıcıların tamamı yanabilmektedir. Tüm bağlantılar

yapıldıktan sonra yazılan özel yazılım sayesinde sırası ile algılayıcılardan değerler alınmaktadır. Gelen

veriler ise, ivmeölçer 3 eksenli olduğu için X,Y,Z düzlemlerinin her biri için ayrı bir değer, cayroskop

ise 2 eksenli olduğu için X ve Z düzlemleri için iki ayrı değer alınır. I2C bağlantı yolunu kullanan

basınç ve sıcaklık algılayıcısı sayesinde sıcaklık, basınç ve rakım değerleri alınabilmektedir. GPS

algılayıcısından ise anlık olarak konum bilgisi alınır. Alınan tüm bu bilgiler Atmega2560

mikroişlemcisi sayesinde derlenir ve RX-TX veri yolu aracılığı ile XBee Pro kablosuz iletişim

cihazına gönderilir. Verici olarak çalışan bu cihaz ise tüm verileri yer istasyonunda bulunan ve alıcı

olarak çalışan diğer Xbee Pro ya gönderir. Şekil 6’de devre gösterilmiştir.


233

3.4 İniş Sistemi

CanSat sistemlerinde farklı çeşitlerde iniş sistemleri kullanılmaktadır. Bunlardan bazıları; paraşüt,

pervane ve köpük kalıbıdır. En çok kullanılan sistem ise paraşüt sistemidir. Paraşüt sistemi CanSat’ın

üzerine yerleştirilen ve iniş sırasında belirli bir irtifaya geldiğinde açılıp yere yavaş ve güvenli bir iniş

yapmasını sağlar. Paraşütün açılması ise genellikle basınca göre ya da yüksekliğe göre

gerçekleşmektedir. Yaklaşık olarak 1 kilometre yüksekliğe çıkan CanSat sonrasında serbest düşüşe

başlar. Bu serbest düşme hareketi yaklaşık 500 metre devam eder. Sistem yerden 500 metre yüksekliğe

geldiğinde ise paraşüt sistemi devreye girer ve paraşüt açılır. Paraşüt sistemi içerisinde bir yükseklik

algılayıcısı, mikroişlemci, servo motor ve paraşüt bulunmaktadır. Burada kullanılan motorun servo

motor olarak seçilmesindeki amaç ise paraşüt açılma sisteminin belirli bir açıyla kontrol edilmek

istenmesidir. Kullanacağımız sistemde yükseklik değerleri algılayıcı aracılığı ile mikroişlemciye

gidecektir. Sonrasında mikroişlemci CanSat 500 metreye geldiğinde servo motru 90 derece

döndürecek ve paraşüt böylece açılacaktır. Paraşütün malzemesi çok az hava geçiren, dayanıklı,

kullanım ömrü uzun süre olan bir malzeme olmalıdır. Ayrıca hazırlanacak paraşüt CanSat’ın ağırlığına

göre hesaplanmalı, boyutları hesaplamaya göre belirlenmelidir. Şekil 7’de CanSat sistemine ait paraşüt

örneği gösterilmektedir.

Şekil 13. Elektronik Devre


234

3.5 Yer İstasyonu

CanSat üzerinde bulunan sensörlerden elde edilen, mikroişlemci sayesinde toplanan ve kablosuz

iletişim cihazı olan Xbee üzerinden gelen verilerin takibi yer istasyonu adını verdiğimiz sistemimizde

toplanmaktadır. Yer istasyonunda yine CanSat üzerinde bulunduğu gibi bir adet Xbee Pro, Xbee

Explorer Dongle denilen ve Xbee Pro ile bilgisayar arasında ileşimi sağlayan baskı kartı, bir adet

bilgisayar ve ekip tarafından hazırlanan bir kullanıcı ara yüzü bulunmaktadır. Kullanıcı ara yüzünün

amacı gelen verileri düzgün bir şekilde grafikler eşliğinde görmemizi sağlamaktadır. Hazırlanacak

olan ara yüz MATLAB programı ile veya Microsoft Visual C programları ile kolayca

hazırlanabilmektedir[6]. Yer istasyonu şeması Şekil 8’de gösterilmektedir.

Şekil 14.CanSat Paraşüt Örneği

Şekil 15.Yer İstasyonu


235

4. SONUÇ

Uzay Mekatroniği çalışmaları sonucunda elde edilecek olan CanSat sistemi tüm bu çalışmalar

sonucunda hazır hale gelerek test aşamasına gelmiştir. Görüldüğü üzere CanSat sistemi uydu

sistemleriyle ana hatları üzerinde büyük benzerlikler göstermekle birlikte farklılıklarda

göstermektedir. Bu farklılıklar kullanım amacı ve boyut olarak görülmektedir. Kullanılan ekipmanlar

ise tasarım aşamasında farklılıklar gösterebilmektedir. Uzay sistemlerinin gelişmesiyle birlikte

başlattığımız bu çalışmalar ve yapmış olduğumuz CanSat sistemi Mekatronik Mühendisliği ile uzay

sistemlerinin birleşimi olmakla birlikte Uzay Mekatroniği açısından da yeni bir atılım olmaktadır.

TEŞEKKÜR


Atılım Üniversitesi tarafından desteklenmiştir. Proje çalışmalarımızdaki yardımları nedeniyle

öncelikle danışmanım Doç. Dr.Sedat Nazlıbilek’e ve genel koordinatörümüz Yrd. Doç. Dr.Kutluk

Bilge Arıkan’a desteklerinden dolayı Arş. Gör. Cahit Gürel, Arş. Gör. Emre Güner, ve imalat

konusundaki desteklerinden dolayı Mehmet Çakmak, Meral Aday ve Handan Kara’ya teşekkür

ederim.

KAYNAKÇA

[1]http://en.wikipedia.org/wiki/CanSat

[2]http://projectstratos.nl/media/ (Erişim Tarihi: 07/01/2014)

[3]Wang T., Nilsen D. M., (2010), “The CanSat Book”, Sayfa 18.

[4]Çelebi M., (2012), "Design and Navigation Control of an Advanced Level CANSAT"

[5] Stenmark D., (2000), “The Role of Intrinsic Motivation When Managing Creative Work”,

Proceedings of ICMIT2000, Singapore

[6] Schratz, Brian C., Bilén, Sven G., and Philbrick, C.R., (2007), “The Student Space Programs

Laboratory: Fostering Student Space Systems Education and Research within a University

Environment” 18th EPAC Symposium


236

KURULU CNC MAK İNESİ ÜZERİNDE TB6560 SÜRÜCÜSÜ

KULLANILARAK KULLANICI ARA YÜZLÜ L İNUX İŞLET İM

SİSTEMİ İLE OTOMAT İK ÇİFT YÜZLÜ DEVRE KARTI BASIMI

Özgür GÜNDOĞAN, [email protected] Orta Doğu Teknik Üniversitesi,

Ankara

Olgu Kıvanç ONACAK , [email protected] Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara

ÖZET

CNC (Computer Numerical Control) makinaları günümüzde oldukça yaygın ve sık

kullanılmakta olup makine endüstrisinin hızlı bir şekilde işlemesini sağlamaktadır. Bunun

yanında her türlü elektromekanik ve elektronik sistemlerde PCB baskı devreleri

kullanılmaktadır. Tasarlanan bu sistemin amacı, küçük ev tipi (yazıcı boyutlarında) ucuz bir

CNC makinası sayesinde herhangi harici bir endüstriyel malzeme kullanmadan minimum

uğraşla istenilen PCB devrelerini kolay bir şekilde basmaktır. Bu amaç doğrultusunda

geliştirilen sistem alışılagelmiş bakır kaplı plakaları kazıma metodunun yanı sıra baskı devre

kartının üzerine iletken ve yapışkan malzemeyi sıkarak devre yolları olarak tanımladığımız

pimler arası geçişleri sağlar. Bunun yanı sıra, baskı devre kartlarında bulunan pim deliklerini

açmak için freze mantığı ile kart delme işlemi yapar. Bu işlemi yaparken, pim deliklerini

farklı boyutlarda delebilir. Bunu gerçekleştirebilmek için CNC makinesinin içine entegre

edilmiş otomatik baş değiştirme sistemini kullanır. Bu sistem sayesinde değişik çaplarda

matkap uçlarını otomatik olarak değiştirerek pim deliklerini delebilir. Tamamen otomatik

çalışan bu sistem Raspberry Pi üzerinde Linux tabanlı çalışıp kullanıcıdan sadece gerber

formatında bir çizim dosyası girdi olarak almaktadır.

ABSTRACT

CNC (Computer Numerical Control) machines are used widely in the machine industry in

today’s world to speed the processes of manufacturing. Beside that, almost every

electromechanical and electronic device uses printed circuit boards. In this designed system, a

home based (in printer dimensions) cheap CNC machine which builds PCB(Printed Circuit

Boards) boards easily without needing any industrial instruments or heavy processes. This


237

system can build the conductive tracks with scratching the copper surface with a scraper tool

or with spraying a conductive ink to a dielectric surface. In addition to that, via using an

automatic head changer system, the system creates holes with different diameters for pins for

the PCB. The system works totally automatic with a Raspberry Pi on Linux and the user only

gives a gerber circuit drawing file to the system.

1. GİRİŞ

PCB baskı devreleri küçük boyutlarda ve itinayla hazırlanması gereken devrelerdir ve bazen

kimyasal işlemler gerektirir. Bu problemi aşmak için tasarladığımız sistemimiz çok küçük

boyutlarda PCB devreleri el kullanmadan çok düzgün bir biçimde çizer ve kullanıcıya zaman

kazandırmanın yanı sıra insan elinden oluşabilecek hataları da engeller. Aynı zamanda çok

büyük boyutlarda olmadığından ev tipinde geliştirilip rahatça kullanılabilir. PCB yazılım

odaklı tasarlandığı için yanlış çizimlerde ve kullanıcı hatalarında kolaylıkla düzeltilerek çok

kısa bir sürede tekrardan basım yapılabilir kullanıcının baştan uğraşması gerekmez. Bu

bildiride CNC tezgâhı kullanılarak tamamen otomatik olarak baskı devre üreten sistemi

oluşturan deney düzeneği ve bu düzenekteki parçaların birbirleriyle etkileşimleri

anlatılmaktadır.

2. DENEY DÜZENEĞİ

2.1 Raspberry Pi

Sistem olağan olarak CNC tezgâhlarında kullanılan bilgisayarların gereksinimini ortadan

kaldırarak içine bütünleşmiş küçük çaplı bir bilgisayar parçası olan şekil 1 de görülen

Raspberry Pi monte edilmiştir. Linux tabanlı Debian işletim sistemini üzerinde barındıran

Raspberry Pi, kolay ve rahat kullanıcı ara yüzü ile kullanıcılara kolaylık sağlamaktadır.

Bunun yanı sıra, üzerinde Linux işletim sisteminin var olması cihazın açık kaynak kodu ile

gelişimini hızlandırmak amaçlıdır. Şuanda Raspberry Pi B+ ile yapılan denemeler olumlu

sonuç vermiştir. Bu sebepten ötürü, Raspberry Pi B+ ve üzeri sürümleri gerekli kütüphaneler

yüklendiği takdirde (açık kaynak kodlu bash dosyası ile yükleme işlemi sağlanacaktır)

istenildiği gibi çalışacaktır.


238

Şekil 1: HDMI ve USB Girişleri takılı sistemde kullanılan Raspberry Pi

2.2 Monitör

Raspberry Pi üzerinde bulunan Linux işletim sistemi, şu an için 2 ayrı prensip (Komut satırı

ve Kullanıcı ara yüzü) ile CNC makinasını kontrol etmektedir. Komut satırı ile kontrol,

Raspberry Pi ile bağlanacak bir klavye ya da Güvenlik Kabuk olarak bilinen SSH sayesinde

aynı ağa bağlı herhangi başka bir bilgisayar üzerinden kontrol edilebilir. Gerber (Devre Çizim

Dosyası) dosyaları üzerinde değişiklikler yapmak isteyen ya da yazılım ile birlikte gelen tüm

süreçleri uygulamak istemeyen kullanıcılar Raspberry Pi ile bağlayacakları herhangi bir

monitör ya da tablet üzerinden işlemlerini uygulayabilirler. Ekran gereksinimini de ortadan

kaldırmak adına küçük kompakt bir ekranın sisteme entegrasyonu üzerinde çalışılıyor.

2.3 Arduino

Sistem üzerinde bulunan Arduino, Raspberry Pi seri port üzerinden iletişim halinde kalarak

CNC makinasında bulunan 3 Step motoru ve 2 DC motoru süren TB6560 Sürücü kartını

kontrol etmektedir. Bu kontrolü sağlayabilmek için, Arduino üzerinde çalışan GRBL kodu

bulunmaktadır. Bu kod Arduino türüne bağlı olarak belirli pimleri belirli amaçlar

doğrultusunda kullanır. (GRBL kodunun Arduino Tipine göre pim şeması ek-1 şemasında

verilmiştir.) Arduino pimleri, TB6560 sürücü kartının 25 pim paralel portuna bağlanarak

sürücü kartını kontrol etmektedir.


239

2.4 TB6560

Şekil 2 de görülen TB6560 sürücü kartı sayesinde CNC tezgâhımızın motorları sürülmektedir.

TB6560 sürücü kartının 25 pim paralel portu Arduino içindeki GRBL koduna bağlı olarak

belirlenmiş pimlere bağlanarak step motorların ve anahtarların kontrolu sağlanmaktadır.

TB6560 sürücü kartının dışarıdan bir voltaj kaynağı ile beslenmesi gerekmektedir.

Şekil 2: Arduino ve TB6560 Paralel Port haberleşmesi

2.5 CNC Tezgâhı

Sistem şu anda hazır olan bir tezgâh üzerinde çalışmakta fakat CNC tezgâhı step motorları

üzerinde ve limit anahtarlarıyla klasik herhangi bir CNC tezgahı kullanılabilir. Kodlar

tezgâhtan ve şeklinden bağımsız çalıştıklarından dolayı tezgâh tamamen kullanıcının isteğine

ve basacağı devre kartlarının büyüklüğüne göre ayarlanabilir. Şekil 3 de gösterilen akış

diyagramı uygulandığı sürece istenen boyutlarda ve büyüklükte bir tezgâh tasarlanabilir.


240

Şekil 3: Sistemin çalışır haldeki akış diyagramı

3. PROJE ADIMLARI

3.1 Gerber Dosyalarının GCode Dosyalarına Çevrilmesi

Gerber formatı 2 boyutta vektör olarak çizim yapılan bir imge dosya formatıdır. PCB

devrelerinin çiziminde dünyaca kabul görmüş olup çoğu firma ve kimseler tarafından

kullanılmaktadır. Bu nedenlerden dolayı sistem girdi olarak kullanıcıdan daha önceden

hazırlamış olduğu Gerber format çıktılı dosyalarını girmesini bekler.

Kullanıcı Gerber dosyalarını girdikten sonra kullanıcıya iki alternatif yöntem sistem

tarafından sunulur. Birinci yöntemde kullanıcı gerber dosyalarını girdikten sonra herhangi bir

kullanıcı ara yüzü olmaksızın GCode dosyaları otomatik olarak oluşturulur, diğer yöntemde

ise kullanıcı FLATCAM isimli açık kaynak bir Gerber-GCode çevirici program sayesinde bir

kullanıcı ara yüzü ile parametrelerini kontrol edebilir değişik modifikasyonlar ve

değiştirmelere gidebilir.

GCode oluşturulduktan sonra oluşturulan GCode Arduino platformunun üzerinde bulunan

GRBL yazılımına yine Raspberry Pi içindeki bir başka program ile gönderilmektedir.

3.2 GCode dosyalarının Arduino aracılığı ile TB6560’a yollanması

Sistemin en büyük zorlukları arasında yer alan Arduino üzerindeki bellek yönetimi (Memory

Management) Raspberry Pi üzerinde bulunan GCode gönderici olarak tanımlanan ve Arduino

üzerindeki belleği sürekli kontrol ederek GCode komutlarını Arduino işlemcisine yollayan

kod ile çözümlenmiştir.


241

Sürecin işleyişi düşünüldüğünde, Raspberry Pi üzerinde oluşturulmuş olan GCode dosyaları

yine kullanıcıya 2 alternatif yöntem sunularak CNC makinasına aktarılacaktır. Birinci

yöntem, GCode aktarımını kullanıcı ara yüzü olmadan tamamen sisteme bırakmaktır. Bu

yöntem ile sistem otomatik olarak kendi kendini yönetmeye başlayacaktır. İkinci yöntem ise

kullanıcı ara yüzü sayesinde süreçleri bölerek GCode dosyalarını yollamaktır. Bu yöntem

sayesinde kullanıcı delme, çizme, kazıma gibi herhangi bir devre kartı basım aşamaları

arasında kartını sistemden alarak kontrol edebilir. Yine bu yöntem sayesinde, kullanıcı, CNC

makinesini ara yüz üstünden manuel olarak kontrol ederek istediği şekilde makinesini

yönlendirebilir.

Şekil 4: Arduino ve TB6560 haberleşmesi için yapılmış pim eşleşme diyagramı

3.3 Başlangıç (Homing)

CNC tezgâhı, kendisine yollanan GCode dosyalarında yer alan koordinat değerlerini belirli

başlangıç noktaları kullanarak yorumlar. Bu sebeple CNC makinelerinde başlangıç (homing)

adı verilen süreç bulunur. Bu süreçte CNC makinası üzerinde bulunan güvenlik anahtarlarını

kullanarak gidebileceği maksimum noktalarına gider. Bunun ardından, kullanıcının kendi

makinesine özel olarak ayarladığı tezgâh başlangıç noktasına ilerler ve makine GCode

dosyaları alıp yorumlamaya hazır hale gelmiştir. Burada, kullanılacak CNC makinesinin

boyutları, tezgâhın makinedeki konumu ve makinede kullanılacak materyalin kalınlığı gibi

değişkenler tamamen kullanıcıya bağlı olduğundan, programın ilk kullanımında kullanıcıdan

başlangıç ayarlarını (tezgâh başlangıç konum ayarı) yapması istenmektedir.


242

3.4 Çift Taraflı Devre Kartı Basımı

Çift taraflı devre kartı, basılacak kartın her iki yüzünde farklı devreler çizebilme imkanıdır.

Bu sayede devre kartı için kullanılacak yüzey alanı azaltılmış olur. Burada dikkat edilmesi

gereken husus, kartın yüzeylerinde bulunan devrelerin pim deliklerinin çakışmasının

engellenmesi durumudur. Bunun için her iki tarafa çizilen devrelerin doğru

konumlandırılması gerekmektedir. Bu problem Gerber dosyalarının GCode dosyalarına

çevrilmesi aşamasında yer alan kullanıcı ara yüzünde “Çift Taraflı Devre Kartı” seçeneği ile

çözümlenmiştir. Kullanıcı Çift taraflı Devre Kartı Sekmesine Bastıktan sonra, program

kullanıcıdan üst ve alt yüzeyin devre çizimlerini ister. Program kartın yüzeylerini doğru bir

şekilde konumlandırdıktan sonra devre çizimleri tarafından kullanılmayan alanlarda simetrik

olarak 4 adet delik açar (Şekil 5). Bu 4 delik devre kartının diğer yüzünü manuel olarak

döndürebilmek için kullanılan ayar delikleridir. Kullanıcı bu delikleri kullanarak kartın diğer

yüzünü çevirip işleme devam edebilir ve bu sayede çift taraflı devre kartları basabilir.

Şekil 5: Çift Taraflı kart basım delikleri ve ayna ekseni


243

4. SONUÇLAR

Tasarladığımız CNC tezgâhı ile alışılmış baskı devre basma yöntemlerinin dışına çıkarak

kullanıcı odaklı hızlı ve pratik bir sistem tasarladık. Tasarladığımız bu sistem kimyasal

işlemlere ve insan eline gerek duymaksızın bir baskı devreyi tek başına çift taraflı basabilir.

Bu sayede insan elinden oluşabilecek hatalar engellenmekte ve zamandan büyük kazanç

sağlanmaktadır. Geliştirilebilir ve açık kaynaklar kullandığımız içinde donanım dışında

herhangi bir masraf oluşturmamaktadır. 6. Ulusal Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi

(MEMÖK 2015) için sistemimizin parçalarının detaylı tarifleri, bunların birbirleri ile uyumu,

adımları ve kullanıcıya sunulacak olasılıklar ve kullanıcının nasıl kullanması gerektiğine dair

bilgiler sunulmaktadır. Sunulan bu bilgilerin geçerlili ği yapılan test ve gözlemlerle

tarafımızca onaylanmış olup, proje geliştirilmesine devam edilmektedir.

5. TEŞEKKÜRLER

Sistemimizin geliştirildi ği süre boyunca vermiş olduğu fikirler ve sunmuş olduğu imkânlardan

dolayı ODTÜ Akademisyeni Yardımcı Doçent Sayın Ahmet Buğra KOKU hocamıza teşekkür

ederiz.

6. KAYNAKÇA

1) www.flatcam.org ( Çift Taraflı Devre Basımı Açık Kaynak Kodu )

2) www.shapeoko.com ( Cnc Makinası ve özellikleri )

3)

hbogm.meb.gov.tr/modulerprogramlar/kursprogramlari/makine_tek/moduller/cnc_frezede_pr

ogramlam a.pdf (NC Kodları ve Anlamları)


244

DÖRT BACAKLI ROBOT TASARIMI

Yücel YILMAZ , [email protected] Sakarya Üniversitesi,54000, Sakarya

İsmet ÜNALLI , [email protected] Sakarya Üniversitesi, 54000, Sakarya

Muhammed ÖZCAN, [email protected] Sakarya Üniversitesi, 54000, Sakarya

Burak ABLAY , [email protected] Sakarya Üniversitesi, 54000, Sakarya

Ferhat ÖZCAN, [email protected] Sakarya Üniversitesi, 54000, Sakarya

ÖZET

Bu çalışmada Sakarya Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği öğrencilerinin yaptığı Arduino

elektronik prototipleme kartı kullanılarak oluşturulan Dört Bacaklı Robot çalışması incelenecektir.

Dört Bacaklı Robot’un tasarımı SolidWorks programında tasarlanmıştır. SolidWorks programında

tasarım işlemi tamamlandıktan sonra Dört Bacaklı Robot’un her parçası 3D yazıcıdan çıktısı

alınmıştır. Çıktısı alınan parçaların birbirleriyle montajı somun ve civatalar kullanılarak sağlanmıştır.

Arduino elektronik prototipleme kartı, Dört Bacaklı Robot mekanizmasında gerekli olan servo

motorların kontrolü için kullanılmıştır.

Anahtar Sözcükler: Dört Bacaklı Robot, Arduino, Servo Motor, 3D Yazıcı, SolidWorks

ABSTRACT

This work was intended to examine the function of the four legged robot, that was put together using

Arduino electronic prototyping card, made by the mechatronic students of Sakarya University.The

design of the robot was done using SolidWorks program.When the program completed the design

process, a 3D printer output of every part of the four legged robot was taken. The printed parts were

fixed together using assembly nuts and bolts.Arduino electronic prototyping was used to provide the

required control to the servo engines of the four legged robot mechanism.

Keywords: Four Legged Robot, Arduino, Servo Motor, 3D Printer, SolidWorks


245

1. GİRİŞ

Robot, otonom veya önceden programlanmış görevleri yerine getirebilen elektro-mekanik bir cihazdır.

Robotlar doğrudan bir operatörün kontrolünde çalışabildikleri gibi bağımsız olarak bir bilgisayar

programının kontrolünde de çalışabilir. Robot deyince insan benzeri akla gelse de robotların çok azı

insana benzer[1].

Robotlar, sensörler aracılığıyla çevresindeki verileri algılayarak bu verilerin işlenmesini sağlayacak

elektronik tertibata sahiptirler. İşlenen verilerin elektronik tertibat içerisinde yer alan mikroişlemciye

veyahut mikrodenetleyiciye yüklenmiş program aracılığıyla karar verme işlemi gerçekleştirilir. Bu

kararın gerektirdiği işlevi yerine getiren de robot’un yapacağı işe göre uygun tasarlanmış mekanik

sistemdir. Robotların kullanım alanları bir hayli geniştir. Endüstriyel Otomasyon Sistemlerinde,

Operasyonel işlemlerde, tıp ve sağlık alanında, sibernetikte, hobi ve eğlence sektöründe, askeri alanda,

eğitim alanlarında kullanılabilmektedirler. Kullanıldıkları alanlara göre de mekanik tasarımları

değişmektedir.

Bu projede doğal şartlarda faaliyet gösterebilecek çok bacaklı bir robot tasarlanması amaçlanmıştır.

Bacak sayısı, eldeki imkanlara bağlı olarak seçilmiştir. Dört Bacaklı Robot, 3 Boyutlu CAD Tasarım

Yazılımı olan Solidworks ortamında tasarlanmıştır. Tasarlanan bu robotun elektronik kontrolü,

Arduino prototipleme kartı kullanılarak sağlanmıştır.

2. DÖRT BACAKLI ROBOT TASARIMI

Dört Bacaklı Robot’un 3 Boyutlu CAD yazılımı olan SolidWorks programında tasarlanma aşaması ve

tasarlandıktan sonraki Arduino elektronik prototipleme kartı ile kontrol edilme süreci bu bölümde

anlatılmaktadır.

2.1 Mekanik Tasarım

Bu çalışmanın parçaları tasarlanırken daha önce tasarlanan dört bacaklı bir robot tasarımından

faydalanılmıştır[2]. Tasarımda kullanılan parçalar örnek alınarak yeniden tasarım oluşturulmuştur.

Dört Bacaklı Robot tasarlanırken Tersine Mühendislik yöntemlerine olabildiğince başvurulmaya

çalışılmıştır. Dört Bacaklı Robot tasarımından faydalanılan çalışma, elimizdeki elektronik

komponentlere göre yeniden uyarlanmıştır. Robot’un mekanik tasarımı hazırlanırken birçok faktör ele

alınmıştır. Geliştirilecek olan Dört Bacaklı Robot’un tasarımı olabildiğince küçük ve işlevsel olması

amaçlanmıştır. Aynı zamanda robotun hareket etmesini sağlayacak olan servo motorların, Dört

Bacaklı Robot tasarımına uygun olarak servo motor sayısı belirlenmiştir. Maliyet açısından bu önemli


246

bir durumdur. Dört Bacaklı Robot tasarımında sekiz adet servo motor kullanılarak maliyetten de

tasarruf sağlanmıştır.

SolidWorks CAD programında çizilen Dört Bacaklı Robot tasarımının parçaları Şekil 1’de

gösterilmiştir. Parçaların ölçüsü tasarımda kullanılan Tower Pro SG90 9 gramlık servo motor baz

alınarak ayarlanmıştır. Tasarımı oluşturulan parçaların birbirine montajlanması için gerekli olacak

parça delikleri, 2 mm ve 3 mm olacak şekilde tasarlanmıştır.

Şekil 1. Dört Bacaklı Robot Parçaları

Sistem üzerinde 4 adet bacak, 2 adet kalça, 1 adet omurga, 8 adet de omuz olarak tabir edebileceğimiz

parça bulunmaktadır. Tasarımın motorsal altyapısı kalçalar toplam 4 servo motor, bacaklar da toplam

4 servo motor ile desteklenmiştir. Servo motorlar parçalara cıvata, somun ve servo başlıkları

kullanılarak bağlanmıştır. Parçaların SolidWorks ortamında montajlanmış hali Şekil 2’de

gösterilmiştir.


247

Şekil 2. Dört Bacaklı Robot’un Montajlanmış Hali

Dört Bacaklı Robot parçaları, 3D yazıcıdan çıkarılmıştır. 3D yazıcı malzemesi olarak PLA

hammaddesi kullanılmıştır. Parçalar basılırken 200 mikron hassasiyetle ve %50 doluluk oranı ile

basılmıştır. Robot parçalarının olabildiğince kısa sürede basılması için ve parçaların mukavemetinin

optimum seviyede olmasını sağlamak amacıyla bu oranlar seçilmiştir. Dört Bacaklı Robot’un

parçalarının 3D yazıcıdan çıkarılıp, montajlanmış hali Şekil 3’de gösterilmiştir.

Şekil 3. Parçaların 3D Yazıcıdan Çıkarılmış ve Montajlanmış Hali


248

2.2 Elektronik Tasarım

Sistem üzerinde bulunan servo motorların kontrolü için Arduino kartı kullanılmıştır. Arduino,

genellikle ATMEL firmasının üretmiş olduğu mikrodenetleyicileri bünyesinde barındıran, bu

mikrodenetleyicinin uçlarını(pinlerini) bir PCB kart üzerinde “header” denilen terminal aracılığıyla

kullanıcıya sunan, son derece pratik bir elektronik prototipleme kartıdır. Kendin Yap ( Do It Yourself )

görüşüne uygun olarak üretilmiş olup, açık kaynak felsefesini savunmaktadır. Tasarımda kullanılan

Arduino UNO R3 üzerinde ATmega328 mikrodenetleyicisi bulunmaktadır. 5V ile çalışmakta olup, 14

adet dijital giriş/çıkış ve 6 adet analog giriş ucu bulunmaktadır[3]. Sistemde Arduino kartının

seçilmesinin sebebi de kod yazımının oldukça kolay olması, yazılım kütüphanelerinin oldukça fazla

olması, havya, lehim gibi araç ve gereçlerin kullanımını azaltması, diğer mikrodenetleyicilere göre az

satırla çok işlem yapabilmemize olanak sağlayacak fonksiyonlarının bulunmasıdır.

Ayrıca üzerine shield denilen çeşitli modüller ekleyerek oluşturulan sistemin modüler bir yapıya sahip

olması da sağlanabilmektedir. Arduino UNO R3’ün genel yapısı Şekil 4’te gösterilmiştir.

Şekil 4. Arduino UNO R3 Genel Yapısı

Tasarım üzerinde 8 adet 9gram’lık servo motor kullanılmıştır. Bu servo motor’un dişli kutusu

plastiktir. El ile sağa veya sola müdahale sonucu dişlilerin kırılabilme ihtimali bulunmaktadır. Bu tarz

zorlamalardan kaçınılmalıdır. Sistemde kullanılan servo motor Şekil 5’te gösterilmiştir.

Şekil 5. 9g’lık Servo Motor


249

Servo motor üzerinde 3 tane uç bulunmaktadır. Bunlardan kahverengi olan uç toprak(GND) ucudur.

Kırmızı uç pozitif (Vcc) ucu temsil ederken, Turuncu/Sarı uç ise sinyal ucunu temsil etmektedir.

Arduino üzerinden servo motor için gönderilecek olan komutlar sinyal ucu üzerinden

gönderilmektedir. Sistemde kullanılan servo motor’un çalışma gerilimi 4.8 V’dur. Bu değer yaklaşık

olarak 5V’a tekabül ettiğinden, Arduino üzerinde yer alan 5V çıkış pini servo motor için

kullanılmıştır. Sistem üzerinde yer alan 8 adet servo motor ile Arduino ile arasındaki bağlantı şeması

Şekil 6’da gösterilmiştir.

Şekil 6. Arduino ile Servo Motorların Bağlantısı

Tasarım üzerinde bulunan servo motorlar, robot’un programlanması aşamasında Arduino üzerinden

beslenmiştir. Fakat 8 adet servo motor’un daha sağlıklı çalışabilmesi için dışarıdan beslenmesi

önerilmektedir. Servo motorların yüklü durumda çektikleri akım, yüksüz durumda çektikleri akımdan

daha fazladır. Servo motorların yüksüz ve yüklü durumlarda çalışırken çektikleri akımlar farklı

olduklarından dolayı Arduino’dan bağımsız farklı bir güç kaynağı ile beslenmelidirler. Hangi kablo -

hangi servo motora ait sorusunun cevabına daha kısa sürede ulaşmak amacıyla servo motor

kablolarına numaralandırma yapılmıştır. Ayrıca servo motorlar için Arduino’ya uyumlu delikli plaket


250

ile Arduino shield diye tabir edilen modül hazırlanmıştır. Bu modül ve numaralandırma sistemi Şekil

7’de gösterilmiştir.

Şekil 7. Arduino Servo Motor Modülü

Kabloları daha derli toplu hale getirmek için de kablo klipsi kullanılmıştır. Dört Bacaklı Robot’un son

hali Şekil 8’de gösterilmiştir.

Şekil 8. Dört Bacaklı Robot’un Son Hali


251

3.SONUÇLAR

Bu proje, doğal şartlarda çalışması planlanan Dört Bacaklı bir robotun tasarımı yapılarak, elektronik

olarak da tamamlanmıştır. Robot üzerine çevresindeki verileri algılayabilecek sensörler eklenerek

bunları uygun bir şekilde işleyip çıkışına aktarabilecek tasarımlar yapılarak işlevselliği arttırılabilme

olanağı bulunan bir sistemdir. Aynı şekilde bir kamera eklenerek etrafındaki görüntüleri

kaydedebilecek bir arama kurtarma robotu formuna dönüştürülmesi de mümkündür. Gelişime ve

yeniliğe açık olarak tasarlanmış bir sistemdir.

TEŞEKKÜR

Bu projeyi oluştururken bizleri maddi ve manevi olarak destekleyen Aile bireylerimize büyük bir

teşekkürü borç biliriz.

KAYNAKÇA

[1] http://tr.wikipedia.org/wiki/Robot ( Erişim: 23.04.2015 )

[2] http://www.thingiverse.com/thing:38159 ( Erişim: 29.04.2015 )

[3] http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno ( Erişim: 02.05.2015 )

[4] Metal, M., (2014), “Quadrupedal Walking Robot”, Germany.


252

TAŞINAB İLİR MEKATRON İK SOLAR SİSTEM(TMSS)

Ömer Faruk ÖZCAN, [email protected], Fırat Üniversitesi ,23000 , Elazığ

Emrullah YENER, [email protected],Fırat Üniversitesi,23000, Elazığ

Mustafa KILIÇ, [email protected],Fırat Üniversitesi, 23000 , Elazığ

Cumali BOLAT, [email protected], Fırat Üniversitesi, 23000, Elazığ

ÖZET

Günümüzde solar panellere ilgi gitgide büyümektedir[1]. Çevreye duyarlı olmak ve temiz

enerjiyi daha fazla kullanmak gerekmektedir. Çevreye duyarlı olma ve temiz enerjiyi daha

fazla kullanma gerekliliği günümüzde solar panellere olan ilgiyi artırmıştır[2]. Bu temiz ve ilk

üretim maliyeti dışında masrafsız enerjiyi daha çok alanda kullanmak için bu proje

kapsamında taşınabilir solar bir cihaz prototipinin gerçekleştirilmesi hedeflenmektedir. Şu

anda solar sistemler temiz ve yenilenebilir enerji olduğundan enerji üretimi için en yaygın

kullanılan sistemlerdir[3]. Günümüzde ise solar paneller ev veya iş yerlerinde bulunan

cihazların enerji ihtiyaçlarını sabit bir sistem ile gidermektedir. Bu proje ile güneşten alınan

bu enerjiyi sadece sabit sistemlerde değil bir insanın hayatı boyunca, gittiği, gezdiği ve

hareket halinde olduğu her yerde kullanması yani temiz enerjiyi daha çok kullanım alanına

ulaştırmak hedeflenmektedir. Bu projeyi gerçekleştirirken az yer kaplayan ağır olmayan

kısaca insanın ve çevresinin, üretilen cihazı taşırken veya kullanırken rahatsız etmeyen bir

sistem yapmak amaçlanmıştır. Balık tutarken, piknik yaparken, yolda kalma endişesi

duymadan maliyetsiz ve çevreye hiçbir şekilde zarar vermeden kullanılacak bir sistem

yapmak birincil hedefimizdir. Bu cihazı gerçekleştirme amaçlarımızdan biri de günümüzde

neredeyse tüm ihtiyaçlarımızın kaynağı enerji olması ve büyük oranda tüketim yapılan bir

çağda olmamızdır.

Anahtar Sözcükler: Solar Sistemler, Solar Paneller, Enerji İhtiyacı

ABSTRACT

Today, the solar panels of the devices found in the home or work addresses the energy needs of a fixed

system. With this project, the energy received from the sun only during the life is not a person in

stationary systems which go visit it and that clean energy use wherever it is on the move aims to bring

to more areas. This project of the non-performing compact heavy short people and the environment, is

intended to make a system that does not bother devices manufactured using or storing.


253

Keywords:solar panels , fixed system

1. GİRİŞ

Bu bağlamda solar sistemlerin taşınabilir olması adına bir ön çalışma yapılarak ilk örnek hayata

geçirilmiştir. Aşağıda bu ilk cihazın fotoğraflarına, test edilen ölçüm değerleri ve cihaz özellikleri

verilmiştir.

Resim 1.1 İlk Prototip Açılmış hali görünüşü Resim 1.2 İlk Prototip Önden Görünüş.

Resim 1.3 İlk Prototip Yandan Görünüş. Resim 1.4 İlk Prototip Yandan Görünüş.

Resim 1.3 de ilk cihazın giriş ve çıkışlarının manüel olarak kontrol edildiği anahtarlar görülmektedir.

Ana Giri ş: Cihazın tüm elektronik aksamında dolaşan enerjiyi kesen anahtardır. Yani aç/kapa işlemini

yapan yerdir.

220v-12v: Cihazın çıkışında kullanılacak enerjiyi seçmek için tasarlanan anahtardır. Cihazın

içerisindeki İnverter bölümü güç tasarrufu açısından kullanıcının ihtiyacı olduğu zaman açılmaktadır.

Aynı anda 220V AC ve 12V DC çıkışlar kullanmak akü ömrünü kısaltacağı için bu güç seçeneği de

kullanıcıya sunulmuştur. Akü voltajının hızlı bir şekilde düştüğü gözlemlenmiş ve bu durumun akü

sağlığı açısından iyi olmadığı için anahtarlama ihtiyacı duyulmuştur.


254

Ev Şarj: Cihazın uzun süre güneş göremeyeceği ortamlarda ek ilave olarak kısa sürede ev

şebekesinden şarj edilip kullanılması için tasarlanan bölümdür. Bu bölümü Panel den şarj ile beraber

kullanılamayacağından anahtarlamaya gerek duyulmuştur.

Panel Şarj: Panel ile Ev şebekesi şarj seçeneğini birbirinden ayıran anahtardır. Panelden ve Evden

şarj etme anahtarına gelen enerjiyi akü şarj devresine yönlendirir. Hangisinin kullanılacağını kullanıcı

ihtiyacına göre seçecektir.

Priz 220v: İnverter çıkışı aktif edildiğinde kullanıcı Türkiye standartlarında olan prizden belirtilen

güçlerdeki tüm elektrikli cihazlarını çalıştırabilir. Bu çıkış yüksek voltaj içerdiğinden cihaz içerisine

konumlandırılmış 3 amper değerinde sigorta ile kısa devre koruması koruma yapılmıştır.

Resim 1,4 de ilk cihazın diğer çıkışları ve akü seviye göstergesi görülmektedir.

Ev Şarj : Resim 1,3 de anahtarı görülen kullanıcının cihazın güneşten şarj olamama durumunda yine

de cihazı kullanmasını sağlayan evden şarj etmesine olanak veren şarj girişidir.

Gnd +12 : Akü den gelen enerjiyi direk kullanıcıya sunan çıkıştır.

Led Seviye : Aküdeki enerjiyi kullanıcının görmesini sağlayan seviye göstergesidir.Manuel olarak

yanında görülen anahtar yardımı ile aktif – reaktif edilerek sürekli açık kalıp aküdeki enerjiyi bitirmesi

engellenmiştir.Kullanıcı gerek duyduğunda anahtarı açarak seviyeyi kontrol edecek ve sonra yine

anahtarı kapatacaktır.

Çakmaklık : Günümüzde yaygınlaşan genellikle otomobillerde kullanılan telefon şarj cihazlarının

çoğu, aracın çakmaklık çıkışından faydalanır. Kullanıcıların bu tür cihazlarının taşınabilir solar sistem

üzerindende faydalanabilmesi için tasarlanmıştır.Aküden alınan enerjinin çakmaklık adaptörüne

aktarıldığı çıkıştır.

İlk cihazda panel açılandırması amatör bir biçimde yıllık Elazığ iline düşen güneş açılarının ortalaması

alınarak sabit bir şekilde ayarlanmıştır. Solar Panel yaklaşık 32-35 derece arasında olacak şekilde

cihaz üzerinde konumlandırılmıştır.Destek beklenilen şu an ki proje de ise bu sorunuda çözerek sadece

ufak bir step (adım) motoru ile açılandırmayı (güneşe göre) yapmak hedeflenmektedir.

2. SİSTEM GEREKSİNİMLER İ

Aşağıda Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü’nden ve diğer websitelerden alınan grafik ve diğer

veriler verilmiştir[4].

Güneş Radyasyonu: Işınım veya radyasyon, bir kaynaktan çevreye enerji taşınımıdır. Radyasyon,

elektromanyetik dalgalar veya parçacıklar biçimindeki enerji emisyonu (yayımı) ya da aktarımı

şeklinde ifade edilir. Bilindiği gibi maddenin temel yapısını atomlar meydana getirmektedir. Atom ise,

proton ve nötronlardan oluşan bir çekirdek ile bunun çevresinde dönmekte olan elektronlardan

oluşmaktadır. Herhangi bir maddenin atom çekirdeğindeki nötronların sayısı, proton sayısına göre


255

oldukça fazla ise; bu tür maddeler kararsız bir yapı göstermekte ve çekirdeğindeki nötronlar alfa, beta,

gama gibi çeşitli ı şınlar yaymak suretiyle parçalanmaktadırlar. Çevresine bu şekilde ışın saçarak

parçalanan maddelere "radyoaktif madde (güneş)", çevreye yayılan alfa, beta ve gama gibi ışınlara ise

"radyasyon" adı verilmektedir. Geniş çapta kabul görülmüş olan terminolojiye göre taşıdığı enerji

büyüklüğüne bakıldığında güneş radyasyonunun çoğunlukla kısa dalga boyuna sahiptir ve bu

radyasyon değerleri İrradyans ve İrradyasyon isimli iki kavram ile açıklanmaktadır[5].

• İrradyans: Birim zamanda birim alana düşen güneş gücü (anlık enerji) [ W/m2]

• İrradyasyon: Belirli bir zaman aralığında birim alana düşen güneş enerjisi miktarıdır. [Wh/m2]

• Direkt Radyasyon: Saçılmadan, yansıtılmadan, direkt olarak açık gökyüzünden yer yüzeyine

ulaşan radyasyona direkt radyasyon denilmektedir.

• Difüz Radyasyon: Difüz radyasyon ise saçılarak ve dağılmaya uğrayarak yeryüzüne ulaşabilen

radyasyondur. Güneş radyasyonu, bulut ve hava molekülleri, aerosoller gibi parçacıklar ve su

damlacıkları nedeniyle atmosferde dağılır. Dağılarak yere ulaşabilen güneş radyasyonu ise yer

yüzeyine çarparak tekrar dağılıma (emisyona) uğrarlar.

• Yansıtılan Radyasyon: Gelen güneş radyasyonunun bulutlar ve yer yüzeyi tarafından atmosfere

geri gönderilen (radyasyonun az bir kısmı) radyasyona yansıtılan radyasyon denir [5].

Şekil 1


256

- Toplam (Global) Radyasyon: Direkt, Difüz ve Albedo bileşenlerinin toplamına toplam (global)

radyasyon denilmektedir.

- Güneş enerjisi ile elektrik üretmek dünyada oldukça yaygın olan bir sistemdir. Almanya, Amerika,

İtalya, Çin gibi ülkeler güneş enerjisine yıllardır yatırım yapmaktadır. Güneş enerjisi sektöründe lider

konumda olan Almanya nükleer enerji santrallerini kapatacağını açıklamasıyla piyasadaki yerini daha

da sağlamlaştırmıştır.

Şekil 2

Üstelik Almanya'da ortalama güneş radyasyon oranı yaklaşık olarak 900 W/m2'dir.Türkiye’de ise bu

değer 2365,2 W/m2'dir.

Mono kristal güneş Panelleri’nde yüksek verime ulaşabilen mono fotovoltaik hücreleri, düzgün

moleküler dizilimli külçelerden kesilmektedir.

Avantajları: Mono kristal güneş panelleri yüksek dereceli silikondan yapılmıştır ve bu sebeple mono

kristal en yüksek verimlilik oranlarına ulaşabilir. Verimlilik oranları genellikle % 15-20 oranındadır.

Mono kristal silikon güneş panellerine uzay verimli olarak adlandırılmaktadır. Mono kristal güneş

panelleri daha az güneşte daha

Çok üretim sağlayabilir. Akım, voltaj değerleri orantılaması farklıdır. Mono kristal ve poli kristal

güneş panelleri uzun ömürlüdür. Almanya'da şuan çalışan 50 senelik paneller mevcuttur (referans

senesi= 2014). Çoğu güneş paneli üreticileri mono kristal güneş panelleri üzerinde 25 yıl garanti

sunmaktadır. Düşük ışık koşullarında benzer puantlı poli kristal güneş panellerine göre daha iyi

performans eğilimindedir.

Dezavantajları: Mono kristal güneş panelleri pahalıdır. Panel kısmen gölge veya kar ile kapalı ise,

bu olumsuz durum tüm paneli üst düzeyde etkiler. Tüm paneli yıkamak gerekebilir.


257

Şekil 1.3 Elazığ ili için proje adına bazı veriler

Şekil 1,3 de görüldüğü gibi Elazığ ili merkez ve ilçeleride kapsayacak biçimde yıllık 1700-1750 veya

1650-1700 KWh/-yıl toplam güneş radyasyonu almaktadır.

Şekil 4

Elazığ, Doğu Anadolu Bölgesindeki diğer illere göre ortalama yükseltisi daha düşük konumdadır[6].

Etrafında daha yüksek dağlar bulunmasına rağmen orta kısmı ovalık alanlar şeklindedir(Tombul,

1990). İklimi karasal olmakla beraber, çevresinde bulunan Keban Baraj gölü, Sivrice ve Cip gölünün

etkisiyle iklimi oldukça ılıman geçmektedir[6]. Şekil 1,4 de görüldüğü gibi cihaz test aşaması için

Elazığ ili, Türkiye’deki diğer illere göre ortalaması gayet iyi bir seviyede olan bir ildir. İlk prototipin

tüm gerçek ölçümleri Elazığ ilinde yapılmıştır.

Tablo1. Farklı Bölgedeki İllere Göre Optimum Eğim Açısının Derece Cinsinden Aylara Göre

Değerleri

İl Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Hazir. Tem. Ağus. Eylül Ekim Kasım Aral.


258

Ankara 60,40 52,88 41,94 30,06 20,75 16,48 18,45 26,26 37,56 49,40 58,61 62,65

Elazığ 59,52 52,00 41,06 29,18 19,87 15,60 17,57 25,38 36,68 48,52 57,73 61,77

İstanbul 61,85 54,33 43,39 31,51 22,20 17,93 19,90 27,71 39,01 50,85 60,06 64,10

İzmir 59,09 51,57 40,63 28,75 19,44 15,17 17,14 24,95 36,25 48,09 57,30 61,34

Mersin 57,32 49,80 38,86 26,98 17,67 13,40 15,37 23,18 34,48 46,32 55,53 59,57

Sinop 62,85 55,33 44,39 32,51 23,20 18,93 20,90 28,71 40,01 51,85 61,06 65,10

Ş.Urfa 57,92 50,40 39,46 27,58 18,27 14,00 15,97 23,78 35,08 46,92 56,13 60,17

Tablo2. Farklı Bölgedeki İllere Göre Optimum Eğim Açısının Mevsimlere Göre Değerleri

Sabit Güneş Paneli için Optimum Eğim Açısı (derece)

Mevsimlik Değerler

İl Enlem (N) Boylam (E) İlkbahar Yaz Sonbahar Kış Yıllık değer

Ankara 39,56 32,52 30,92 20,40 48,52 58,64 35,60

Elazığ 38,68 39,14 30,04 19,52 47,64 57,76 34,82

İstanbul 41,01 28,58 32,37 21,85 49,97 60,09 36,91

İzmir 38,25 27,09 29,61 19,09 47,21 57,33 34,43

Mersin 36,48 34,38 27,84 17,32 45,44 55,56 32,83

Sinop 42,01 35,09 33,37 22,85 50,97 61,09 37,81

Ş.Urfa 37,08 38,46 28,44 17,92 46,04 56,16 33,37

3. ÖNERİLEN PROJE

Önerilen Proje için Kapsam ve Yöntem :

Taşınabilir mekatronik solar sistemin iç elektronik aksam ve parça şeması Şekil 1.7 de verilmiştir.

Şekil 1.7


259

Solar Panel: Güneş ışığı foton adı verilen küçük enerji paketlerinden oluşur. Her dakika güneşten

gelen fotonlar dünyanın bir yıllık enerji tüketimine yetecek kadar enerjiyi dünyamıza ulaştırırlar[7].

Güneşten gelen bu enerjiyi kullanarak elektrik üretme amacı ile güneş panelleri, başka bir deyişle

fotovoltaik paneller kullanılır[7]. Projede 5 adet 20 watt gücünde panel kullanılmıştır. Toplamda tam

güneşte 100 watt değeri elde edilmek istenmiştir. Cihazda kullanılacak olan solar paneller Bursa

ilindeki Jeosist firmasında çerçevesiz olarak özel yaptırılacaktır. Solar paneller Elazığ iline göre

seçilmiş monokristal yapıdaki solar panellerdir.

Şarj Kontrol: Panelden veya ev şebekesinden gelen düzensiz enerjinin, sistemde kullanılan aküyü

sağlıklı ve düzenli bir şekilde şarj etmesini sağlar. Sistemdeki şarj kontrol kartı panelden veya ev

şebekesinden gelen akım değerine göre çalışır. Akü voltajı yaklaşık 13,8-14,4 volt gibi yeterli

seviyeye geldiğinde akımı sınırlayarak AGM akünün sağlıklı şarj olmasını sağlar. Devre kartının

çıkışından elde edilecek akım değerleri şu formül ile hesaplanmıştır.

Zaman(saat)=akü kapasitesi(Ah)/Şarj akımı (A)

6,12(saat)=30(Ah)/4,90 (A)

Yani 30 amper AGM akü tam güneşte 6 saatte tam şarja ulaşmaktadır.

Evden Şarj Giri şi(220V) : Güneşin uzun süre olmadığı veya AGM akünün hızlı şarj olmasını

istiyorsa kullanıcı bu girişi kullanabilir. Resim 2,2’de simülesi gösterilmiştir.

Transformatör-Regüle: Evden şarj girişinden uygulanan AC gerilimi transformatörden geçirerek

düşüren devre kartıdır. Ayrıca düşürülen AC gerilimi DC gerilime dönüştürüp regüle ederek şarj

kontrole gönderir.

AKÜ: Şarj kontrol devresinden gelen voltajla sağlıklı dolan AGM akünün değerinin hesaplanması

aşağıda gösterildiği gibi yapılmıştır.

Günlük gereken güç / sistem voltajı= Kullanılacak akü kapasitesi

250 watt/12volt=20,83333333333333 (Ah)

AGM Akü hesaplanan değerden biraz yüksek amper değerinde seçilmesinin nedeni kullanıcının cihaz

çıkışlarını şarjın bitmesine rağmen yine de kullanabilecek olmasıdır.

Resim 1.5


260

Programlayıcı: Kullanıcının akü seviyesinin ve voltajının anlık görmesi için lcd ekranın programını

sağlayan devre kartıdır. Güç tasarrufu için sürekli açık kalması akünün zayıflamasını yol açacağından,

yanına konumlandırılan anahtar ile aktif-reaktif edil ir. Program şekil 1,8 de verilmiştir.

Şekil 1.8

Şekil 1,8’ de Programın C Compiler Gösterimi verilmiştir.

Gösterge Paneli: Kullanıcının AGM akünün doluluk oranını ve içerisindeki voltajı görmesini ve ona

göre önlem almasını sağlayan ekrandır. Sürekli aktif kalması halinde güç tasarrufu konusunda aküden

enerji harcayacağı için anahtar ile aktif-reaktif edilmesi sağlanmıştır. Şekil 1,9’da Proteus programı

çizimleri verilmiştir. Resim 2,2’de simülesi gösterilmiştir.

Şekil 1.9


261

İnverter: Aküden gelen 12 v DC gerilimi 220 v AC gerilim seviyesine yükselten devredir. Doğru

şeklinde gelen dalgayı yarım dalga (modifiye) sinüs dalgaya dönüştürür. Transformatör yardımı ile bu

12 v AC gerilimi 220 v seviyesine yükseltir. Devre kartında potansiyometre ile voltaj ve frekans

ayarlaması yapılarak cihaz kullanıcıya sunulur. Türkiye standartlarına göre cihazın frekansı 50 Hz

olarak ayarlanmıştır. Cihazda max. 200 watt değerinde inverter devresi tasarlanmıştır.

Çakmaklık: Otomobillerde bulunan çakmaklık çıkışının aynısıdır. Otomobil de kullanıcıların telefon,

tablet veya düşük güçlü diğer cihazlarını taşınabilir mekatronik solar sistemdeki çakmaklık çıkışından

da çalıştırabilir. Resim 2,2’de simülesi gösterilmiştir.

USB Çıkış: Günümüzde bazı şarj cihazlarımız portatif iki parça halinde olmaktadır. Adaptör kısmı

şarjı gerçekleştiren kısım ve diğer kısım ise usb kablo olmaktadır. Bundan dolayı cihazda alternatif

olarak usb çıkışı eklenmiştir. Resim 2,2’de simülesi gösterilmiştir.

+12V Çıkış: Kullanıcının +12 v ile çalıştırabileceği cihazlarını rahatlıkla kullandığı çıkıştır. Kullanımı

kolay ve çakmaklık çıkışına göre kullanım açısından daha geniş bir yere sahip olan çıkıştır. Resim

2,2’de simülesi gösterilmiştir.

220 V Priz: İnverterden gelen 50 Hz AC 220 volt gerilimi Türkiye standartlarında olan priz çıkışıdır.

İnverter çıkışı 250 watt kadar güçteki cihazları çalıştırabilir. Bu çıkış yüksek gerilim tehlikesi

taşıdığından cihazın içerisine konumlu sigorta ile koruma sağlanmıştır. Resim 2,2’de simülesi

gösterilmiştir.

Akü Sağlığı ve Ömrü: Kullanılacak olan akü 30 amperlik AGM aküdür. Avantajları ise tüplü pozitif

plak, şarja dayanıklılık, montaj ve bakım kolaylığı, uzun ömür ve yerden tasarruf olarak

belirtilebilir[9]. (AGM akülerin kullanım ömrü 8-10 yıl arasındadır)[10].

Daha önce test edilmiş cihazın üzerine, kullanıcıya daha az yer ve daha az ağırlık ile daha fazla enerji

sunmak hedeflenmektedir. Şu ana kadar çizimleri profesyonel olarak sertifikası alınan

SOLIDWORKS programında yapılmıştır. Destek beklenilen yeni projenin bazı görüntüleri aşağıdadır.

Resim 1.6 Ön Görünümü Resim 1.7 Yandan Görünümü


262

Cihazda ki panellerin açılmış şekli resim 1,6 ve 1,7 deki gibi olacaktır. Paneller cihaz içine

konumlandırılmış step motorlar sayesinde açılmayı otomatik yapabilecektir.

Resim 1.8 Resim 1.9

Cihazın kapalı ve yandan görünümleri resim 1,8 ve resim 1,9’da verilmiştir.

Resim 2.0 Resim 2.1

Cihazın açılanmış ve kapalı görünümleri resim 2,0 ve resim 2,1’de verilmi ştir.

Resim 2.2

Resim 2,2’de cihazın çakmaklık, LCD, USB, +12V DC,220V AC çıkışları verilmiştir.

Ana kasamızın materyali Alikobanttır. Bu malzeme hafifli ğinden ve sağlamlığından dolayı tercih

edilmiştir[8].

Tablo 3 Taşınabilir (Mobil) Solar Sistem İle Yapabileceklerinizin Bir Kısmı.


263

20 WATT Taşınabilir Solar Sistem ile 100 WATT Taşınabilir Solar Sistem ile

TV 1.5 saat 6-7 saat

Tasarruflu

lamba

15 watt gücünde ki lamba: 9 saat

20 watt gücünde ki lamba: 8,5 saat



LED lamba 5 watt gücündeki lamba: 11 saat 5 watt gücündeki lamba: 58,5 saat

Radyo

(ufak)

12 saat 40 saat

Bilgisayar 2 saat 6.5 saat

Fan

sistemleri

(serinletici)

Muhtelif cihazlar için ölçüm sağlıklı değildir.

Şarj

cihazları

Ölçülenler yaklaşık değerlerdir, sıcaklık ve akü deşarj durumlarına göre farklılık gösterebilir.

Tablo 3 de ki cihazlar örnektir. Cihaz tablo 4 deki güç değerlerine uyan her türlü cihazı çalıştırabilir.

İlk proje olan TSS (Taşınabilir Solar Sistem) ‘in çalıştırabileceği bazı cihazlar ve süreleri ile güç

değerleri ve max. giriş çıkış değerleri yeni proje olan TMSS (Taşınabilir Mekatronik Solar Sistem) ‘in

güç ve giriş çıkış değerleri aşağıda tablo 3 ve tablo 4 deki gibidir.

Tablo 4 Taşınabilir (Mobil) Solar Sistemimiz Giriş Ve Çıkış Güç Değerleri.

Çıkışlar ve Değerleri Giri şler ve Değerleri

220 v AC gerilim (max 250 watt) (5*20W) 100 watt solar panel

12 v DC gerilim Evden şarj giriş ünitesi

4. SONUÇ

Taşınabilir mekatronik solar sistemin 47*35*30 cm ebatlarında ve tahmini 14.5 kg ağırlığında olması

ön görülmektedir. Cihazda 20 Watt güç verebilen 5 tane solar panel bulunmaktadır. Toplamda 100

Watt değerinde güç elde edebilecek olan cihaz, dar alanda yüksek verim sağlamaktadır. Piyasada

birleşik yapıda bulunan 100 Watt’lık solar panellerin ölçüsü 119,5*54,5*3,5 cm ebatlarındadır ve

sadece güneş paneli 10 kg ağırlığındadır. Aşağıdaki resimde bahsedilen solar panel görülmektedir.


264

Resim 2.3

Cihazı bu bağlamda düşündüğümüzde çok küçük bir alanda işlem yaptığını görmekteyiz. Cihazın bu

kadar küçük yapıda olması kullanıcıya kullanım ve taşıma kolaylığı sağlamaktadır. Cihazın

bünyesinde bulundurduğu 12 Volt 30 Amper AGM akü ve 250 watt’lık inverter ile günlük hayatta

kullanılan bir çok elektrik ve elektronik cihazları çalıştırabilecektir. Telefon, tablet, laptop, radyo vs.

gibi elektronik ürünleri şarj edebileceği, tasarruflu lambalar, şerit ledler, ampullerle rahat bir şekilde

aydınlatma yapabileceği ve daha birçok cihazı aynı anda çoğaltıcılar (grup prizler vs.) yardımıyla

çalıştırabileceği öngörülmektedir.

Cihazın akü seviye kontrolü, bulunduğu açısı, elde ettiğimiz panel gücünü kısaca cihazla ilgili bütün

bilgileri LCD ekran yardımıyla kullanıcı rahat bir şekilde takip edebilecektir. Daha öncede belirtildiği

gibi yıl içinde güneşlenme açıları değişmektedir. Gerekli programlar yardımıyla taşınabilir mekatronik

sistemin açılandırılmasını kullanıcının isteğine göre sadece bir buton yardımıyla

konumlandırabilecektir. Cihaz bünyesindeki priz yardımıyla kullandığımız 220 Volt ile çalışan

cihazları, 12 Volt çıkış modülü ile elektronik aletleri, daha çok araçlarda kullandığımız çakmaklık

çıkışı ile de telefon, tablet vs. şarj işlemleri yapılabilecektir. Kullanıcıya enerji kullanım konusunda bir

kısıtlama olmaması ve kullanım kolaylığı için cihazda her adımımız butonlar yardımıyla sağlanması

cihazın en önemli özellikleridir. Kısaca ürün bünyesindeki özellikler göz önüne alındığında bir enerji

küpü olarak da düşünülebilir.

Önerilen proje ait tasarım resim 2,5’de gösterilmiştir. Bu özellikleri ile günlük hayatımızın

vazgeçilmezlerinden biri olacağı öngörülmektedir.


265

Resim 2.5

Resim 2,5 de Önerilen Proje Kapsamında Gerçekleştirilmesi Planlanan Taşınabilir Mekatronik Solar

Sistem gösterilmiştir.

TEŞEKKÜR

Bu bildiriyi oluştururken engin bilgi ve tecrübelerinden yararlandığımız Fırat Üniversitesi’nde öğretim

üyesi olan Gonca ÖZMEN hocamıza, çalışmalarımıza verdiği desteklerden dolayı teşekkür ederiz.

KAYNAKLAR:

1 - http://cevrevesehir.com/gunes-enerjisine-ilgi-artiyor/

2 - http://cepecevre.com/amerikada-gunes-enerjisine-olan-ilgi-gun-gectikce-artiyor/

3 - http://www.most.com.tr/teknik-bilgiler/gunes-enerjisi-ile-ilgili-genel-bilgiler-7/

4- http://www.eie.gov.tr/

5- http://www.guneshaber.net/haber/767-teknik-bilgiler-gunes-radyasyonu.html

6)

http://web.firat.edu.tr/daum/docs/42/08%20G%C3%BCne%C5%9F%20A%C3%A7%C4%B1lar%C4

%B1— Ahmet%20%C5%9Eenp%C4%B1nar-%C3%B6dendi-6%20syf--36-41.doc-)

http://monovepolyfotovoltaik.blogspot.com.tr/

7 -http://www.bilgiustam.com/gunes-enerjisinden-nasil-elektrik-elde-edilir/

8- http://alikobant.com/

9- http://www.solarvizyon.com/gunes.html

10- http://www.oncusolar.net/30-AMPER-AGM-AKU,PR-97.html11- Solar Engineering of Thermal

Processes, Second Edition, A Wiley-Interscience Publication, JOHN WİLEY& SONS, INC, Canada,

888p.


266

11- Solar Geo-metry, for Fixed and Tracking Surfaces, Solar Energy, 31, (439).

memÖk2015 bildiri kitabı

Documents