Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11527/2930
Title: Otonom Hava Aracı (zeplin) Tasarımı Ve Kontrolü
Other Titles: Design And Control Of An Autonomous Blimp
Authors: Boyraz, Pınar
Bayraktar, Ertuğrul
10005599
Mekatronik Mühendisliği
Mechatronics Engineering
Keywords: görüntü işleme
veri işleme
zeplin
konum kontrolü
lokalizasyon
veri birleştirme.
image processing
image matching
data processing
blimp
position control
localization
data fusion.
Issue Date: 4-Jul-2013
Publisher: Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Abstract: Hava araçları icat edildikleri günden beri kesintisiz bir şekilde askeri, ticari ve akademik çalışmalarda ilgi odağı olmuşlardır. Her ne kadar 1937 yılındaki Hindenburg faciası ve 2. Dünya Savaşı zeplin kullanımı açısından olumsuz bir kırılma noktası olsa da bu durum, zeplinlerin tarihte, hava araçları arasındaki önemini değiştirmez. Günümüzde yolcu taşımacılığı yapan, yolcu kapasitesi bakımından en büyük uçakların görevini, 1920-1940 yılları arasında, okyanus ötesi uçuşlarda zeplinlerin yaptığı gözönünde bulundurulursa zeplinlerin havacılık tarihindeki önemi daha da iyi anlaşılabilecektir. Bilindiği gibi zeplinler yapıları itibariyle diğer hava araçlarına göre enerji verimli araçlardır. Bu verimlilik genelde elips şeklinde olan dış yüzeylerinin içinde bulunan, havadan daha hafif taşıyıcı gaz yardımıyla belli ağırlıklardaki donanımları, kapasiteleri ölçüsünde taşımak için dışarıdan herhangi bir enerji girdisine ihtiyaç duymamalarından ileri gelir. Diğer hava araçları teknolojik gelişimleriyle kıyaslandığında geride kaldığı düşünülen zeplinlere olan ilgi, özellikle enerji darboğazlarının yaşandığı son 40 yılda kademeli olarak artış göstermektedir. Bu gelişmelerden en önemlisi zeplinlerde taşıyıcı gaz olarak patlayıcı özelliği bulunan Hidrojen gazı yerine, herhangi yanıcı ve patlayıcı özelliği olmayan bir asal gaz Helyum kullanılmasıdır. Bu ilginin karşılığı olarak, zeplinlere tekrar yolcu ve kargo taşımacılığında ticari görevler yüklenmekte, zeplinler askeri ve akademik projelerde, özellikle farklı tür ve boyutlardaki algılayıcı taşıyabilme özellikleri nedeniyle yer almaktadırlar. Otonom (insansız) hava araçları, özellikle savunma sanayi ve akademik dünyanın son 15 yıldır en çok ilgi gösterdiği konuların başında gelmektedir. Bu araçlara entegre edilebilen yer istasyonları, koordineli bir şekilde çalışabildikleri otonom veya otonom olmayan yer araçları, farklı tür ve boyutlardaki sensörler bu alanı daha da karmaşık ve ilgi çeker hale getirmiştir. Bu alanda yapılan yenilikçi yaklaşımlara örnek olarak farklı otonom araçların birbirleriyle etkileşimli ve koordineli bir şekilde çalışabilmesi ve bir görevin farklı bölümlerini gerçekleştirebilmeleri gösterilebilir. En yaygın belirlenen görevler olarak gözetleme, takip, nesne tanıma ve uzaktan müdahale gibi örnekler gösterilebilir. Bunların yanında kullanıcı dostu ve kullanıcı etkileşimli sistemler de, yarı-otonom sistemlerde sıkça yer almaktadır. Yarı-otonom sistemler son dönemlerde sıkça otomotiv sektöründe kullanılmakta ve kullanıcılara yardımcı olacak teknolojiler şeklinde sunulmaktadır. Bu tez kapsamında, iç-mekan kullanımına uygun boyutlardaki uzaktan kumandalı bir zeplinin otonom hale getirilmesi, modellenmesi ve kontrolüyle ilgili deneysel, teorik ve benzetim çalışmaları yapılmıştır. Bu çalışmalarda İstanbul Teknik Üniversitesi, Mekatronik Eğitim ve Araştırma Merkezi binası iç ortamda yapılan deneylerdekullanılmıştır. Bina içinde bir odanın belirlenen noktalarından görüntüler alınarak bir görüntü veri seti oluşturulmuştur. Ayrıca zeplinin standart haline ek olarak kablosuz kamera, 7.4 V gücünde bir Lityum-Polimer pil, dokuz serbestlik dereceli ataletsel ölçüm ünitesi, telemetrik haberleşme cihazı verici XBee, üzerinde Atmega 328 mikro-kontrolör ve dijital giriş-çıkışlar bulunan Arduino Uno marka bir elektronik kart ve özel olarak tasarlanmış farklı voltaj seviyelerinde güç sağlayabilen bir voltaj regülatörü gibi donanımlar eklenmiştir. Bunlara ek olarak yer istasyonunda oluşturulan sinyaller zeplinin kumandası ile motorlara gönderilmektedir. Zeplin kumandası ile bilgisayar arasında Arduino Mega ve her üç motorun 2 yönünü de kontrol eden, anahtarlama devre elemanlarından oluşan bir elektronik devre bulunmaktadır. Kablosuz kameradan gerçek zamanlı görüntüler yer istasyonuna, kameranın alıcısı ile aktarılmaktadır. 9 serbestlik dereceli ataletsel ölçüm ünitesinden gelen veriler ise yer istasyonuna bağlı alıcı telemetrik haberleşme cihazı olan XBee ile sisteme aktarılmaktadır. İç ortamdan toplanan görüntü verisi tezin ilk aşaması olarak düşünülebilir. Bu ilk aşamada bir veri toplama düzeneği ve zeplinin üzerinde bulunacak kablosuz kamera yardımıyla iç-ortamda 3 farklı yükseklikte, belirlenen her bir noktadan görüntü toplama düzeneği saat yönünde döndürülmek şartıyla 15’er derecelik açılarla, uygun bir noktadan 24 adet görüntü alınarak, görüntü veri-seti oluşturulmuştur. Görüntü veri-seti toplama işlemi Matlab programında yazılan bir kod ile gerçekleştirilmiştir. Görüntü veri-setindeki her bir görüntü 3-boyutlu eksene aktarılmış ve görüntülerin pozisyonlarının iç ortamda hangi noktada olduğu bilgisi yer istasyonunda çalışan yazılıma işlenmiştir. Zeplinin matematik modeli, Matlab programında dinamik model üzerine gerekli doğrusallaştırmalar yapılarak 4’er serbestlik dereceli boylamsal ve yanal modeller halinde 2 ayrı şekilde oluşturulmuştur. Herhangi bir kontrol yöntemi uygulanmadan yapılan benzetim çalışmaları sonucu zeplin modelinin kararsız bir sistem olduğu sonucu elde edilmiştir. Kararsız zeplin sisteminin kontrol edilebilirliği incelenmiş ve kontrol edilebilirlik matrisinin rankı her iki model için de 4 olarak elde edilmiştir. Sistemin kontrol edilebilir olduğu sonucu elde edildikten sonra literatürde yer alan zeplin kontrolüyle ilgili çalışmalarda diğer alanlara göre kullanımı daha yaygın olan, tüm durum geribeslemeli bir kontrol yöntemi olan doğrusal-karesel regülasyon (LQR) yönteminin kullanımı uygun görülmüştür. Doğrusal-karesel regülasyon yönteminin kullanımı zeplin üzerinde bulunan ataletsel ölçüm ünitesinden, zeplinin tüm durumları alınabildiği için de kolayca uygulanabilecek durumdadır. Doğrusal-karesel regülasyon yöntemi uygulandıktan sonra Matlab programında benzetim çalışması yapılmış ve bu benzetim çalışması sonucu zeplin sisteminin kararlı hale geldiği sonucu elde edilmiştir. Ayrıca Simulink programında zeplin modeli 6 serbestlik dereceli hazır blok yardımıyla oluşturulmuş, buna ek olarak rastgele kontrol sinyalleri üreten bir başka alt sistem ile zepline itki kuvveti veren motorlara entegre edilmiştir ve VRML (sanal gerçeklik modelleme dili) arayüzü ile benzetim görsel hale getirilmiştir. Zeplin üzerine yerleştirilen 9 serbestlik dereceli ataletsel ölçüm ünitesi, 3 eksenli ivme ölçer, 3 eksenli jiroskop ve manyetik alan ölçen manyetometre(pusula) içermektedir. Ataletsel ölçüm ünitesinden elde edilen veri, bir adet Arduino Uno, verici XBee ve yer istasyonundaki alıcı XBee vasıtasıyla bilgisayara iletilmektedir. 9 serbestlik dereceli ataletsel ölçüm ünitesine, üzerindeki ATmega328 mikroişlemci vasıtasıyla kosinüs-yön matrisi (DCM) tabanlı AHRS kodu, ivme ve pusula vektörlerine bağlı jiroskop sapmalarını düzeltecek şekilde düzenlenerek bir firmware olarak yüklenmiştir. Sonuç olarak yer istasyonuna ataletsel ölçüm ünitesi verisi, üç eksendeki ivmeler, üç eksendeki açılar, pusulanın yönü ve zaman değerlerini içeren, 8 elemanlı bir vektör şeklinde gönderilmektedir. Alınan ivme verilerinin alınarak üç eksendeki hız değerleri ve bu hız değerlerinin integralleri alınarak da zeplinin pozisyonu integral hesaplarında integral sabitlerinden doğan hatalarla da olsa hesaplanabilmektedir. İntegrasyondan ve sürtünmeden doğan hataları azaltmak için lokalizasyon ve navigasyon içeren akademik çalışmalarda sıkça kullanılan Kalman filtresi tasarımı ve uygulaması ileriki dönemde bu çalışmanın devamı olarak eklenecektir. Zeplin üzerinde bulunan ve kablosuz görüntü aktarımı yapabilen kamera ile SURF algoritması kullanılarak görüntü işleme ve alınan görüntülerin veri setinde bulunan görüntülerle eşlenmesi uygulamaları yapılmaktadır. Görüntü işleme uygulaması olarak iç ortamda bulunan ve yer tahmininde önemi yüksek olan nesnelerin tanınması işlemi yapılmaktadır. Bu tanıma işleminin ardından gerçek zamanlı görüntüde algoritmalar tarafından bazı tanımlayıcı özellikler sayısal olarak belirlenmektedir ve bu özelliklerle veri setindeki görüntülerin tanımlayıcı özellikleri arasında bir uzaklık ilişkisi kurulmaktadır. Bu uzaklık ilişkisi 0 ile 100 arasındaki sayılara indirgenmiştir. Örneğin birbirinin aynı görüntüler arasındaki uzaklık 0 (sıfır) olacak şekilde indirgeme ve hesaplama işlemi yapılmıştır. Böylece görüntü eşleme algoritması ile zeplinin konumu oda içinde başka bir sensör bilgisine ihtiyaç olmadan kabaca bulunabilmektedir. Alınan herhangi bir gerçek zamanlı görüntü ile veri-setinde bulunan bir görüntünün eşleştirilmesi çevrimi yer istasyonunda bulunan yazılımda yaklaşık Ubuntu 12.10 işletim sistemi ve Eclipse yazılım geliştirme ortamı kullanılan yazılımda renkli görüntülerle yapılan çalışmalar için 1600 milisaniye, siyah-beyaz görüntülerle yapılan çalışmalar için 1610 mili saniye, Microsoft Windows 7 işletim sistemi ve Microsoft Visual Studio 2010 yazılım geliştirme ortamı kullanılan yazılımda renkli görüntülerle yapılan çalışmalarda 6598 milisaniye, siyah-beyaz görüntülerle yapılan çalışmalar için ise 6560 milisaniye sürmektedir. Bu süre sisteme verilecek görevler düşünüldüğünde kabul edilebilir durumdadır. Tez kapsamında deneysel olarak görüntü eşleme ve ataletsel ölçüm ünitesinden gelen verilerle yapılan işlemler sonucu ayrı ayrı bulunan pozisyonlar birleştirilerek daha güvenilir bir pozisyon verisi, her iki yer tayini işleminin hatalarının ortalamarı alınarak elde edilmektedir. Elde edilen pozisyon verisine göre yer istasyonundan üretilen kontrol sinyalleri zeplin kumandası aracılığıyla zepline gönderilmektedir. Son olarak Simulink ve VRML arayüzünde çalışan model ile deneysel sonuçlar karşılaştırılmakta ve matematiksel model doğrulanmaktadır. Bu işlem sayesinde gelecekte tez kapsamında oluşturulan zeplin matematiksel modeli geliştirilerek, model üzerinde yapılacak değişikliklerle benzetim çalışmalarında kullanılan modelin, deneysel sonuçlara daha yakın bir hareket yapması sağlanacaktır.
Until the Hindenburg disaster in 1937, airships have been used widely both military missions and commercial transportations, including transatlantic flights. Even if this incident had been a misfortune for the usage of airships, since 40 years, because of oil and energy crises, the popularity of airship has been increased. In recent years autonomous vehicle applications are increasing gradually, besides unmanned aerial vehicles are the most used at these applications that are related to military and defense industry, commercial or academic projects. Although airships are used in autonomous aerial vehicle projects, some disadvantages, such as bigger structure and lower maneuverability than other aerial vehicles, have made airships less preferred. In this thesis, a blimp is used for an indoor robotics application. An indoor image dataset consisting 3090 images is recorded by grabbing image frames from a point which are specified before, by rotating the camera 15 degrees for all points for 3 different heights at Mechatronics Education and Research Center building. These images are used to determine the position of the blimp by matching with real time grabbed frames and then to fuse this data with position result which is obtained from IMU data. Another onboard sensor that is integrated to the blimp is 9DoF IMU. IMU data is obtained wirelessly via an XBee and Arduino board. By double integrating IMU data the positions at three axes are obtained with errors because of drift and integration constants. Besides, IMU data is used to identify the blimp system in Matlab by validating experimental results with the basic dynamical model simulation results. As a part of this thesis, some electronic circuits are designed and integrated to the blimp . A voltage regulator circuit is designed and used onboard with 3 different voltage outputs to blimp motors, camera and IMU-Arduino-XBee. At the same time, default RC of the blimp is connected to the serial port of ground station via Arduino board and an electronic circuit to increase and regulate the input voltages of remote controller is used. Control signals that are generated in the main program are sent via this part which includes an Arduino board to send PWM signal over 6 relays for direct&reverse rotations of motors to the motors. In an addition to experimental parts of this thesis, a basic dynamical model is derived and simulated, and then results are validated with experimental results. The simulation is visualized in VRML. Next, the optimized simulation results are compared with experimental results. The thesis project consists of four different parts that are modeling and simulation of the system, reading IMU data and calculating the position, grabbing images from wireless camera and matching grabbed images with images from dataset, comparing simulated blimp positions with experimental results that are obtained after hardware integration.
Description: Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013
URI: http://hdl.handle.net/11527/2930
Appears in Collections:Mekatronik Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
13762.pdf2.77 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.