FBE- Uçak ve Uzay Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/170

Gözat

Konu "active laser triangulation system" ile FBE- Uçak ve Uzay Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans'a göz atma
  • Öge
    Gezici Mikro Ay Robotunun Hareketlilik, Manipülasyon Ve Görüntü İşleme Sistemleri Tasarımı
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015-01-29) Örger, Necmi Cihan ; Karyot, Turgut Berat ; 10063821 ; Uçak ve Uzay Mühendisliği ; Aerospace Engineering
    Ay, Mars ve diğer gökcisimleri üzerindeki yüzey keşifleri, gün geçtikçe bilimsel açıdan önem kazanmaktadır. Jeolojik olarak ilgi çekici bölgelerde araştırma yapılması, gelecekte yapılması planlanan insanlı görevler gibi birçok bilimsel çalışma için katkı sağlamaktadır. Ayrıca, gezici mikro uzay robotu araştırma ve geliştirme çalışmaları son yıllarda birçok araştırma kurumunda yaygın bir şekilde gerçekleştirilmektedir. İnsanlı görevler ile karşılaştırıldığında robotik görevler birçok avantaj sağlamakla birlikte, robotların insanlı görevlerde yardımcı etmen olarak kullanılması öngörülmektedir. Bu çalışmada mikro boyutlarda olan hafif bir gezici Ay robot platformu tasarımı önerilmiştir.  Çalışmanın hedefi, Ay yüzeyindeki kraterler etrafında çarpışma sonrası oluşan dışa atım bölgelerinde araştırma yapabilecek bir aracın yüzeyden örnek alabilmesini sağlayacak manipülatörünün ve genel olarak aracın kendisinin tasarımının yapılmasıdır. Bir gezici mikro robot platformu tasarlandıktan sonra küçük değişiklikler yapılarak farklı görevlere uyarlanabilirliği, özgün tasarım tamamlandıktan sonra hızlı ve daha ucuz şekilde tekrar üretilebilirliği, fırlatma ve yere inişinin daha kolay yapılabilmesi gibi birçok avantaja sahiptir. Bu özellikteki mikro robotlar, grup halinde saha çalışması yaptıklarında daha yüksek oranda veri toplama ve daha karmaşık davranışlar sergileyerek daha zor görevleri tamamlayabilme özelliklerine sahiptir. Ön tasarım aşamasında, gezici mikro robotun süspansiyon sistemi öndeki iki tekerleği döner bir ekleme bağlı olan altı tekerlekli bir yapı olarak öngörülmüştür, ancak bu boyutlardaki mikro bir aracın ağırlık ve enerji kısıtlamaları göz önüne alındığında daha hafif olan dört tekerlekli bir tasarıma geçilmiştir. Bu sayede her bir tekerleği dönme hareketi ile yönelimini değiştirebilen, sekiz hareketlilik derecesine sahip bir süspansiyon sistemi tasarlanmıştır. Bu tipte bir mikro robot, pozisyonunu değiştirmeden kendi etrafında dönerek yönelimini değiştirebilmekte, daha keskin açılı dönüşler yapabilmekte ve engeller etrafında daha rahat hareket edebilmektedir. Tasarımı yapılan aracın süspansiyon sistemi hareket kabiliyeti konusundaki en önemli etmenlerinden biridir, bu yüzden tasarım sırasında tekerlekli sistemler gibi diğer mekanik sistemler de göz önünde bulundurulmuştur. Ancak, tekerlekli sistemler basit ve gelişmiş bir teknoloji olup, daha hafif ve düz yüzeyler üzerinde daha yüksek hızlarda yol alma kabiliyetine sahiptir. Ayrıca, daha düşük enerji tüketimine sahip olduğu gibi daha yüksek faydalı yük/mekanizma ağırlığı oranı sağlamaktadır. Dezavantaj olarak, tekerleklerin kaymasından kaynaklanan daha düşük tırmanma açısı ve yüksek engelleri aşamama gösterilebilir. Gezici robotun ana görevi, keşif yaptığı alandaki yüzey örneklerini görsel olarak tanımlamak ve ardından robotik manipülatör kolunu kullanarak hacim ve kütle özellikleri uygun örnekleri gövdesinde bulunan hazneye aktarıp, bilimsel inceleme için saklamaktır. Yüzeyden alınan her bir örneğin 1-3 cm3 arasında hacme sahip olması öngörülmektedir, bu yüzden robot kolunun uç organı yüzeye uzatıldığında yerden katı bir örneği mekanizması ile kavrayabilecek şekilde tasarlanmıştır. Robot manipülatör kolunun Solidworks kullanılarak 3 boyutlu çizimi, uç organ tasarımı, malzeme seçimi ve Denavit Hartenberg parametrelerinin belirlenmesinin ardından, robotun kinematik incelemesi yapılmış; dinamik modeli Matlab/Simulink üzerinde kurularak Ay çekimi ve yerçekimi değerleri kullanılarak eklemler üzerindeki torkların karşılaştırılması sunulmuştur. Yörüngelerin atanmasında beşince dereceden polinomlar kullanılarak hareketler sırasında eklemlerin titreşimi minimum seviyede tutulmaya özen gösterilmiştir. Hareketlerin görselleştirilmesi açısından Matlab Virtual Reality Toolbox’tan yararlanılmış, bu sayede tüm yörüngelerin görsel olarak da doğrulaması gerçekleştirilmiştir.   İlk çalışmalarda yüzeydeki kaya örnekleri, robot üzerindeki kamera ile alınan siyah beyaz görüntüler kullanılarak algılanabilmesi amaçlanmıştır. Öncelikle, yazılım kaya görüntülerini kullanarak histogramındaki dağılıma göre ayarlamalar yapmakta, böylece örnekteki kayanın karanlık olan yan yüzeyinin de gölge olarak algılanması önlenmektedir. Diğer bir sorun da Ay yüzeyindeki küçük gölge alanlarıdır, bu yüzden sisteme bu alanları temizlemek üzere bir filtre yazılmıştır. Güneş ışınlarının geliş açısı, gölgenin boyutları ve kameranın bakış açısı kullanılarak kayanın boyutuna ve (eğer örnek olarak alınacaksa) robot kolunun yüzeye yaklaşma açısına karar verilebilmesi amaçlanmıştır. Bu sistemin ana problemi, çukurların içindeki karanlık bölgelerle kayalar gibi yükseltilerden kaynaklanan gölgeleri birbirinden ayıramaması olarak gözlenmiştir. Bu yüzden, aktif laser üçgenleme sistemi ile çalışmaya devam edilmiştir. Aktif laser üçgenleme sistemi; renkli kamera, laser kaynağı, silindirik mercek, laser huzmesinin yönelme hareketini sağlayan mekanizma ve mekanizmayı hareket ettirecek olan adım motorundan oluşmaktadır. Üçgenleme yöntemini aktif olarak kullanacak olan laser tarama sistemi, laser kaynağından gelen kırmızı renkli ışını silindirik mercekten geçirerek yüzeye çizgi halinde yansıtmaktadır. Bu şekilde, yüzeyin şeklini alan laser ışınının düzleminden gelen yansıma görüntülenmekte, hazırlanan yazılımla birlikte kırmızı pikseller algılanmaktadır. Bu sistem kullanılarak yüzey geometrisinin algılanmasında düşük hesaplama yükü ve enerji ile yüksek seviyede doğruluk oranı sağlanabilmektedir. Bu sistem için yüzey ve kamera arasındaki açı, laser ve yüzey arasındaki açı, laser ve kameranın yüzeyden yükseklikleri ve aracın duruş açıları bilinmesi gereken parametrelerdir.  Prototip üzerinde kullanılacak adım motoru, kamera sabitken laser ve silindirik mercekli mekanizmayı belirli bir açı ile döndürmesi öngörülmektedir. Bu şekilde, kameranın görüş açısındaki tüm alan tarandıktan sonra robotun kendi başına bir sonraki davranışına karar verebilmesi amaçlanmaktadır. Robot hareket halinde iken ışın düzlemini 20 santimetre önüne yansıtarak olası engelleri ve çukurları algılayabilecek, verilen hedefe doğru güvenli şekilde ilerleyebilecektir. Tüm bu sistem ile algılanan yüzey geometrisi, robotun çevresinin 3 boyutlu olarak algılanıp haritalanmasında kullanılmaktadır. Robot hareket ederken engelleri ve çukurları algılayıp, gerekli gördüğünde durup yörüngesini yenileyecektir. Yörünge belirleme açısından “hırslı” (greedy search) planlama ve A* araştırma algoritmaları şeklinde iki farklı yapay zeka planlama algoritması denenmiş ve karşılaştırması yapılmıştır. Sonuç olarak, A* algoritması en uygun (optimal) sonucu verdiği için gezici ay mikro robotunda kullanılmaya uygun olarak seçilmiştir. Bu çalışmada tasarlanan araç hareketli bir platform olmalı ve bulunduğu zeminde ilerleyerek yüzeyden örnek alabilmesini sağlayacak bir manipülatörü barındırmalıdır. Yapılan çalışmanın sonucunda dört tekerlekli bir gezici araç, bu araca tümleşik dört hareketlilik dereceli robotik bir manipülatör kol/uç organ tasarımı öngörülmektedir.  Söz konusu aracın güvenli seyir edebilmesi için gerekli görülen çevre algılama, özellikle görüntüleme teknolojisinin gereklilikleri belirlenmiş olup üzerinde çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda, yüzeydeki gölgelerden yararlanarak tanımlama yapan bir sistem ile bu sistemin eksiklikleri doğrultusunda geliştirilen aktif laser üçgenleme sistemi tanımlanmıştır. Bu sistemle birlikte kullanılmak üzere, çevre tanıma ve haritalama yapan bir yazılım geliştirilmiş ve yörünge belirleme algoritmaları ile test edilmiştir. Sonuç olarak, keşif ve araştırma görevlerinde kullanılan gezici mikro uzay robotları daha büyük araçlara göre daha güvenli ve düşük maliyetli olma ve ayrıca tekrar üretilebilme nitelikleri ile ön plana çıkmaktadır. Bilimsel araştırmalar için de kullanılması planlanan bu araçlar farklı görevler doğrultusunda geliştirilerek, geçmişte kullanılmış daha büyük robotlardan daha hızlı bir şekilde göreve hazır hale getirilebilmektedir. Bu çalışmanın sonucunda; dört tekerlekli, hareket kabiliyeti yüksek, Ay yüzeyindeki kraterlerin etrafındaki dışa atım bölgelerinden yüzey örneği alabilecek bir araç tasarlamıştır. Araca yüklenmesi planlanan teknolojiler için gereklilikler ve hedefler belirlenmiş, üzerinde çalışılmış ve prototipin ileriki aylarda üretilmesi ile birlikte araca yüklenmesi hedeflenmektedir.