MeMÖK2012 Bildiri Kita - 6. Ulusal Mekatronik Mühendisliği Öğrenci
Transkript
MeMÖK2012 Bildiri Kita - 6. Ulusal Mekatronik Mühendisliği Öğrenci
Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara MEKATRONİK MÜHENDİSLİĞİ ÖĞRENCİ KONGRESİ 2012 MeMÖK 2012 Editörler: ABDULKADİR ERDEN FUAD ALIEW ZÜHAL ERDEN BÜLENT İRFANOĞLU KUTLUK BİLGE ARIKAN AYLİN KONEZ EROĞLU H. ORHAN YILDIRAN ATILIM ÜNİVERSİTESİ, ANKARA Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara ÖNSÖZ Atılım Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü özgün bir müfredat programı ile 2003 yılında eğitim ve öğretim hayatına başlamıştır. Müfredat program yapısı tamamen özgün bir şekilde geliştirilmiş, tüm dersler mekatronik mühendisliği için gerekli uluslararası ve üst düzey donanıma sahip mezunlar yetiştirecek şekilde özenle tasarlanmıştır. Bu müfredat programının en çarpıcı özelliklerinden biri Türkiye üniversitelerindeki müfredat programlarında yaygın olarak pek rastlanmayan, ancak lisans öğrencilerinin araştırmaya yönlendirilmesi bakımından çok önemli işlevi olan “lisans araştırma projeleri” (“MECE 407 Undergraduate Research Project I” ve “MECE 408 Undergraduate Research Project II”) dersleridir. Bu derslerde öğrencilerimiz öğretim üyelerimizin uzmanlık alanları doğrultusunda çeşitli araştırma konularında bir akademik yıl boyunca çalışmakta; teorik, uygulamalı ve/veya deneysel araştırma yapmaktadırlar. Akademik yıl sonunda bu çalışmalardan üretilen bildiriler kongre formatında bölüm öğretim elemanlarımız, öğrencilerimiz ve konu ile ilgili olabilecek kişilerin katıldığı bir toplantıda öğrenciler tarafından sunulmaktadır. Sunulan bu bildiriler bildiri kitabı halinde basılarak evrensel bilgi birikimine öğrencilerimiz tarafından üretilen önemli bir katkı sağlanmaktadır. Bu bildiri kitabı, 2011-2012 akademik yılında üretilen bildirilerden oluşan kitabımızdır. Öğrencilerimizin bildirilerini sunduğu ve 2010 yılında ilk kez düzenlenen kongrenin de, Türkiye’deki tüm Mekatronik Mühendisliği öğrencilerinin katılacağı “Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK)” olarak sürdürülmesi planlanmaktadır. Bu çabalarımıza diğer üniversitelerin de destek vereceğini ümit ediyoruz. Kongre düzenlemek ve bildiri kitabı hazırlamak çok özveri gerektiren ve uzun süren bir çalışmadır. MeMÖK 2012 kongresi ve bildiri kitabı da böyle bir çalışmanın ürünü olarak ortaya çıkmıştır. Öncelikle bu kitaptaki bildirileri ders kapsamında üreten sevgili öğrencilerimize teşekkür ederim. Evrensel bilgi birikimine küçük ama çok özel katkılarını önemle değerlendiriyoruz. Üretken çabalarının tüm meslek yaşamlarında sürmesini diliyorum. Bölüm öğretim elemanlarımızın bu bildirilerin üretilmesindeki katkıları çok büyük önem taşımaktadır. Bütün öğretim elemanlarımıza; başta bu derslerin sorumluluğunu alan, dersleri olması gereken bilimsel ciddiyet ve düzen içinde yürüten, aynı zamanda MeMÖK 2012 kongresi organizasyonunda ve bu bildiri kitabının hazırlanmasında özveriyle çalışan Yrd. Doç. Dr. Zühal Erden’e ve Öğ. Gör. Aylin Konez Eroğlu’na; bu kongre ve bildirilerin gerçekleşmesini sağlayan araştırma konuları ile bölüm öğretim üyelerimiz Doç. Dr. Fuad Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Aliew’e, Yrd. Doç. Dr. Bülent İrfanoğlu’na, Yrd. Doç. Dr. Kutluk B. Arıkan’a, Öğ. Gör. H. Orhan Yıldıran’a; araştırmaları süresince öğrencilerimize verdikleri destekten dolayı Araştırma Görevlilerimiz Cahit Gürel, Emre Güner ve Doğan Urgun ile laboratuvarlarımızın değerli elemanları Meral Aday ve Handan Kara’ya derin teşekkürlerimi sunmak istiyorum. MeMÖK 2012 kongresinin düzenlenmesi ve bu bildiri kitabının basımı konusunda verdikleri destekten dolayı Atılım Üniversitesi Mütevelli Heyeti Başkanı Sayın Yalçın Zaim’e, Atılım Üniversitesi Rektörlüğüne, Halkla İlişkiler Müdürlüğüne ve katkı veren tüm akademik ve idari personelimize içten teşekkürlerimi sunarım. MeMÖK 2013 kongresinde görüşmek ümidiyle verimli ve başarılı bir akademik yıl diliyorum. Prof. Dr. Abdulkadir ERDEN Mekatronik Mühendisliği Bölüm Başkanı Atılım Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK) (Ankara : 2012) Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi 2012 [electronic resource] / ed. Abdulkadir Erden…[ve başk.].-- Ankara : Atılım Üniversitesi , 2012. 1 computer optical disc : ill. ; 4 3/4 in.— (Atılım Üniversitesi yayınları ; no. 1. Mühendislik Fakültesi yayınları ; no. 1) ISBN 9789756707364 1. Mechatronics -- Congresses. 2. Mekatronik --Kongreler. I. Erden, Abdulkadir. II. Eser adı. TJ 163.12 MEK 2012 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara SIRADIŞI VE MELEZ UÇAN ROBOT TASARIMI VE DENETİMİ Ergin EDEN, eden.ergin@student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Onur Can TUĞRUL, tugrul.ocan@ student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Kutluk Bilge ARIKAN, kbarikan@atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara ÖZET ABSTRACT Bu bildiride, uçan robotlar laboratuarında (URL) In this paper, in flying robots laboratory (FRL) hayata geçirilen projelerden iki tanesine yer two projects are implemented. The first of these verilmektedir. Bu projelerden ilki melez robotlar projects are part of a hybrid robots, the other bölümüne, diğeri ise sıra dışı morfolojik uçan belongs to the novel morphological robots. The robotlar bölümüne aittir. Bu iki farklı projenin common features of these two projects are ortak yönleri döner kanatlı, dikey olarak iniş being rotary kalkış land vertically and also having actuators which yapabilen, gerçekleştirebilecek yönelim eyleyici denetimini can take off and sahip enables the attitude control of the systems. In sistemler olmalarıdır. Birbirlerinden ayrılıkları division points, there are some subjects that noktalarda ise melez sistemin sahip olduğu çekiş focused on dynamic effects of traction wheels, motorlarının karadaki ve havadaki durumlarının that belongs to hybrid robot, in ground and air sistem üzerindeki dinamik etkileri ve bu iki ortam locomotion and transition of these two modes, in arasındaki geçişidir. Sıra dışı morfolojik sistemde novel system features are easy to replace the ise sistem yapısının istenilen ağırlık merkezine center of gravity, morphing structure to analyze göre farklı different dynamical behaviors, enables different dinamik yapıların analizleri ve olanak tanıdığı maneuverability characters. The following parts değişik manevra yetenekleri konuları üzerinde of the paper, structural analysis are placed. durulmaktadır. Bildirinin ilerleyen kısımlarında Matlab Simulink software is used for the yapısal analizlere yer verilmektedir. Matlab® controller design. The graphical results are değiştirilebilmesi, Simulink sahip yapısına wing, which olduğu kullanılarak elde edilen grafiksel presented and discussed by using this software. sonuçlar sergilenmiş ve tartışılmıştır. KEYWORDS ANAHTAR KELİMELER: Hybrid Flying Robots, Novel Flying Robots, Melez uçan robotlar, sıra dışı uçan robotlar, Morphological Structure Morfolojik yapı 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara 1. GİRİŞ Kanat Sistemine sahip Melez Robotik Sistem Gelişen teknoloji ve günümüz koşullarında havacılık, savunma sanayii ve otonom güvenlik sistemleri gibi alanlardaki ihtiyaçlar gözetildiğinde, robotik uçan sistemler giderek daha büyük önem kazanmaktadır. Geçmişte, insansız hava araçları genellikle uçan sensörler olarak adlandırılmaktaydı. Fakat farklı alanların ihtiyaçlarına cevap verebilmek için insansız hava araçları bir gerçekleştirebilecek takım müdahaleleri şekilde tasarlanmaya başlanmıştır. Farklı hareket çeşitlerini tek bir sistem üzerinde barındıran melez sistemler ve yüksek manevra kabiliyetli şekilsel sıra dışı sistemler son yıllarda ilgi çeken araştırmalar içinde yer almaktadır. Tekerlekli ve yürüme mekanizmalı melez sistemler, yoğun olarak çalışılan sistemlerdir. Farklı hareket kabiliyetlerini aynı robot üzerinde birleştirmek, optimal çözümlere ulaşmak adına önem taşımaktadır. Diğer yandan, değişken yapıya sahip morfolojik sistemler, yüksek manevra gerektiren zorlu görevleri gerçekleştirebilen ve ağırlık merkezi istenildiği gibi değiştirilebilen oldukça ilgi çekici uçan robotlardır. Atılım Üniversitesi, Mekatronik Mühendisliği Tasarımı” [1] çalışması, iki fırçasız motora bağlı döner kanatlı birim ve iki çekiş motoruna bağlı tekerlekli özgün bir sistemdir. URL’de sürdürülen melez robot araştırmalarının amacı, karada yüksek manevra kabiliyetine ve esnekliğe sahip, gerektiğinde dikey olarak havalanabilme yetisi olan, havada asılı kalma özelliği bulunan ve gerektiğinde de havada seyir hareketlerini gerçekleştirebilen robotlara ulaşmaktır. Ek olarak, URL sıra dışı morfolojik robot çalışmalarında ise bir melez ve bir sıra dışı sistemin birleştirilmesiyle meydana gelmiş, üç pervaneli, iki eğim motorlu ve yüksek manevra kabiliyeti olan yeni bir sıradışı sistem meydana getirilmiştir. Geleceğin savunma sanayi anlayışında, kapalı ve dış mekanlarda manevra kabiliyeti üst düzey olan, küçük, gözlem yapabilen ve üzerine yerleştirilen farklı eyleyiciler ile çeşitli görevleri yerine getiren sistemlere ihtiyaç duyulmaktadır. URL bu kapsamda kullanılabilecek, sivil ve askeri amaçlı, melez robotlar ve sıra dışı robotlar üzerine araştırmalar ve tasarımlar yapmayı hedeflemektedir. 2. SİSTEM TASARIMI Bölümü, Uçan Robotlar Laboratuvarı (URL), sıra Bu kısımda, melez ve morfolojik sıra dışı dışı ve melez uçan robotların araştırılması, robotların tasarım aşamalarına yer verilmiştir. İlk tasarımı, geliştirilmesi ve imalatı konularında söz kısımda melez sistemin tasarımı aşamalar halinde sahibi olma vizyonuna sahip olan bir araştırma anlatılmaktadır. İkinci kısımda ise morfolojik sıra laboratuarıdır. URL melez robot çalışmalarının dışı ana ekseninde yer alan, “İki Tekerlekli İki Döner anlatılmaktadır. sistemin tasarım süreci sırasıyla 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara 2.1 Melez Uçan Robot Teker Tasarımı “Flying Wheels” iki pervane ve iki çekiş Yunuslama hareketi sistem için kritik önem arz tekerinden meydana gelen eksik tahrikli melez ettiğinden robot sınıfına ait bir robottur. Eksik tahrikli tasarımı da aynı oranda önem taşımaktadır. Melez sistemlerde, sistem için gereken eyleyici sayısı uçan robot yapısal büyüklüğü nedeniyle yüksek sistemin sahip olduğu serbestlik derecesinden atalete sahiptir. Bu denli yüksek ataletli sistem azdır. Bu tür sistemlerde hareket farklı yollarla gövdelerinin hareketi için yine uygun ataletli sisteme kazandırılabilmektedir. “Flying Wheels” teker tasarımları gerekmektedir. Teker tasarımları tekerleri Şekil 2’ de sırasıyla gösterilmektedir. kullanarak sistemdeki yunuslama bu hareketi oluşturan tekerlerin hareketini gerçekleştirebilmektedir. Bu yönteme “tepki tekeri” ya da “tepki torku” adı verilmektedir. Tekerin temelde iki görevi vardır. Yer ile teması olduğunda sistemin ileri geri hareketini sağlamaktadır. Uçuş sırasında ise Şekil 2. Teker tasarım aşamaları sistemin yunuslama hareketinden sorumlu olan eleman halini almaktadır. Tekerlere bağlı motorlar aktif hale geldiklerinde dönüş yönlerinin aksine bir kontra tork üretirler. Sistemin bu özelliği Şekil 1’ de gösterilmiştir. Gövde Tasarımı Melez uçan robot, geçmiş yıllarda yapılmış olan TWTR adlı sistemin yapısal karakterine benzer bir görünüme sahiptir. Fakat, melez uçan robot ebat olarak TWTR’ a göre çok daha büyük bir sistem olarak tasarlanmıştır. Yapısal büyüklüğü nedeniyle melez uçan robot aynı zamanda sıra dışı robotlara dahil edilebilmektedir. Bu tür büyük ve hantal sistemler ani tepki verme eğiliminden uzaktırlar. Bu yüzden, tasarım aşamasında büyük atalet, kontrol edilebilirliği artırmak için tercih edilmiştir. Şekil 3’ te Şekil 1. Sistemin yunuslama hareketi gösterimi tasarlanan katı model tasarımı ve sistemin son hali gösterilmektedir. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Tablo 1 ve Tablo 2’ ye bakıldığında 5862 rpm değeri, 53 ve 54. çalışma rejimleri arasında kalmaktadır. Bu durum yüksek hızlarda sistem üzerindeki titreşimin zararlı olduğunu göstermektedir. Sistem testleri bu noktaların Şekil 3. Katı & gerçek model gösterimleri dışında gerçekleştirilmelidir. Sistemin katı modellenmesinden sonra sistemin Veri Toplama titreşim analizleri kontrol edilmiştir. Motorların Sistemleri sürebilmek için üzerindeki sürme çalışma esnasında sistem üzerine uyguladığı birimleriyle ilgili gereken bazı verilerin test titreşim, sistemin doğal frekansına yakın olduğu yapılarak toplanması gerekmektedir. Bu veriler taktirde sistem bütünlülüğünü tehdit eden bir etki daha sonra bazı ayarlamalarla sistem kontrolcüsü ortaya çıkmaktadır. CATIA® frekans analiz için kullanılmaktadır. Test basitçe bir tartı ve yazılımı kullanılarak birden fazla sayıda frekans sürme biriminin karşılıklı bağlanması aracılığıyla değeri Tablo 1’ de gözlemlenmiştir. gerçekleştirildi. Gerekli veriler Şekil 4 ve Şekil 5’ te verilmiştir. Tablo 1. Frekans ve pervane hız tablosu Hertz Rad/sec RPM 15.55 97.7 5862 15.55 97.7 5862 33.23 208.79 12527,4 Şekil 4. Çalışma rejimi-itme kuvveti ilişkisi sol motor Tablo 2. Motor karakteristik değerleri Çalışma Rejimi (%) 53 İtme (g) 2891,868 RPM 5670 54 3262,686 5970 55 3573,36 6030 Şekil 5. Çalışma rejimi-itme kuvveti ilişkisi sağ motor 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Şekil 4 ve 5’ teki grafiklerden sistemi yerden edilmektedir. Modelleme bölümü belli başlı kaldırmaya yetecek olan itme kuvvetini sağlayan varsayımlara dayanmaktadır. Bu varsayımları birkaç nokta doğrusal hale getirilerek uygun bir sıralamak gerekirse: denklem elde edildi. itmesol_motor=(333.52*çalışma rejimi)-14782 (1) itmesağ_motor=(367.5*çalışma rejimi)-16443 Sistem yapısı bir bütün halindedir. DC motorların sahip olduğu indüktans küçük olduğundan ihmal edilmiştir. (2) Tekerlerdeki DC motorlar özdeş kabul edilmiştir. Atalet Testi Bu test sistemin ataletsel değerlerini bulmak için kullanılmıştır. Test, basit sarkaç modeline göre Tekerlere aynı gerilim uygulandığı varsayılmıştır. hazırlanmıştır. Veri almak için sistem üzerine Sisteme ait serbest cisim diyagramı Şekil 7’ de ataletsel verilmiştir. ölçüm birimi Microstrain GX2 kullanıldı. Sisteme basit bir başlangıç salınımı verildi ve bu salınım Matlab® kullanılarak Şekil 6 ‘da görüldüğü gibidir. Şekil 7. Melez uçan robot serbest cisim diyagramı Sistem modellemesi Newton-Euler metoduna göre yapılmıştır. Bu metoda göre kontrolcü döngüsünde olması gereken durumlar sırasıyla Şekil 6. Ataletsel sanılım çıktıları hesaplanmıştır.[1] Uçuş Dinamiği Modellemesi Bu bölümde sistem dinamikleri ve bu dinamiklere bağlı matematiksel modellemeler elde = p + q tan θ sin Φ + r tan θ cos Φ (3) = q cos Φ - r sin Φ (4) = q sec θ sin Φ + r sec θ cos Φ (5) 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara = ( q r ) / Ix * ( Iy - Ix ) + L / ( 2 Ix ) (6) = ( p r ) / Iy * ( Iz - Ix ) + 2 Tw / Iy (7) elde edilmektedir. Bu yapılara göre oluşan çıktı matrisi ise eşitlik (13) teki gibidir. = ( p q ) / Iz * ( Ix – Iy ) + (( F1 – F2 ) * d) / Iz b(8) = (9) (13) Doğrusallaştırma Denklemlerin havada doğrusallaştırılması asılı kalma sistemin durumuna göre Denetimci Tasarımı gerçekleştirilmiştir. Doğrusallaştırma jacobianlar Denetleyici tasarımının birincil hedefi sistemin kullanılarak yapılmıştır. yapısında x= [0 0 0 0 0 0 0] (10) Jacobian matrisi eşitlik (11) de gösterildiği gibidir. bulunan çözmektir. Bu yunuslama kararsızlık sistemde dinamikleri problemini yuvarlanma için ve denetleyici tasarlanmıştır. Bu işlemleri gerçekleştirebilmek için kutup yerleştirme tekniği kullanılmıştır. Bu yöntem sistemin kutuplarını istediğimiz yere (11) çekmemize ve durumlarını denetlememize imkan sağlamaktadır. Bu matrise göre, x0 ... xn sistemin durumlarını Kutup yerleştirme tekniği durum – uzay modeline belirtmektedir. göre yazıldığında aşağıdaki denklemler elde Girdi matrisi u ve B ise aynı yöntemle edilmektedir. doğrusallaştırıldı. =Ax+Bu (14) y=Cx (15) u=-Fx (16) (12) Sistemi kapalı – döngüye göre yeniden Ataletsel ölçüm birimi (GX2) sayesinde sisteme yazıldığında ise eşitlik 16 ve 17 deki hale ait dönüşmektedir. Euler açıları gözlemlenebilirlik elde ve edildi. kontrol Sistemin edilebilirlik matrislerine bakıldığında 7x7 lik özdeş bir matris =(A–BF)x y=Cx (17) (18) 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara x=Sistemin durum değişkeni, u = Sisteme uygulanan girdi ( Çalışma rejimi(%) ve gerilim ), A=Sistem matrisi, B=Girdi matrisi, Şekil 8. Melez sistemin izometrik görünümü C=Çıktı matrisi, D=Doğrudan geçiş matrisi. Sistemi oluşturan sistemlerden bir diğeri yine geçmiş senelere ait bir sıra dışı sistemdir. Bu 3. SIRADIŞI SİSTEM Sistemde diğeri gibi döner kanatları ile dikey Bildirinin bu bölümünde sıra dışı sistemden olarak havalanabilen, yönelim ve seyir denetimini bahsedilmektedir. sağlayabilecek eyleyici konfigürasyonuna sahip, Sıra dışı sistem geçmiş dönemlerdeki iki çalışmadan esinlenerek ve bu bir fırçasız motor, çalışmaların mevcut parçaları kullanılarak hayata bunlara bağlı fırçasız motorları kontrol edebilen geçirilmiştir. Bu sistemlerden ilki melez robottur. ve hareketini sağlayan bir platformdur [3]. Bu Bu robot, döner kanatları ile dikey olarak sistem üç döner kanat sistemine sahip sıra dışı havalanabilen, yönelim ve seyir denetimini sistem olarak adlandırılmıştır. Sistemde, birbirine sağlayabilecek eyleyici konfigürasyonuna sahip, zıt yönlerde dönen iki adet pervane fırçalı karada iki çekiş motoru ve bunlara bağlı motorlara bağlıdır, bu fırçalı motorlar ise adaptör tekerlekleri parçalar yardımıyla iki adet servo motora ile hareketini sağlayan bir iki adet servo motor ve platformdur. Bu proje iki tekerlekli üç döner bağlanmıştır. Fırçasız motor ise, bu iki kanat sistemine sahip melez robotik sistem pervanenin bağlantı noktalarını referans alacak tasarımı başlığı altında tanımlanmıştır [2]. 2W2R şekilde tam karşısına bağlanmıştır (Şekil.9). (two wheel twin rotor) isim verilen sistem, birbirlerine zıt yönlerde dönen iki pervaneli bir üst yapı, iki fırçalı motor ve tekerleklerden oluşan bir alt yapı ile melezlenmiştir (Şekil 8). Şekil 9. Sıradışı sistemin izometrik görünümü 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Sıra dışı morfolojik sistem, bu iki sistemden esinlenilerek ve mevcut parçaları kullanılarak hayata geçirilmiştir. Bu sistem, döner kanatları ile Şekil 11. Adaptör parçaları dikey olarak havalanabilecek, yönelim ve seyir denetimini sağlayabilecek eyleyici konfigürasyonuna sahip, bir fırçasız motor, iki Sistemde kullanılan E-max 2550 fırçasız motor adet servo motor ve bunlara bağlı fırçasız 2W2R sisteminden sökülerek sıra dışı sisteme motorları kontrol edebilecek, pil ve hız kontrol monte edilmiştir. Fırçasız motorun hızını kontrol ünitesinin bağlı olduğu parça gövdede farklı edebilmek için Castle firmasının Thunderbird 54 pozisyonlara kolayca kaydırılarak sistemin ağırlık amperlik merkezinin yeri değiştirilebilmektedir ve buna Kullanılan fırçalı motorları ve bağlı oldukları bağlı olarak sistemin üzerindeki farklı dinamik pervaneler dranganfly firmasına aittir. Ayrıca etkilerini gözlemlemek hedeflenmiştir (Şekil. 10). fırçalı motorları sürmek için pololu firmasının hız kontrol ünitesi kullanılmıştır. motor sürücü kartı kullanılmıştır (Şekil. 12). Şekil 12. Motor sürücü Şekil. 10 Sıradışı morfolojik sistem Sistemin elektronik parçalarını sürebilmek için ve güç kaynaklarını sağlayabilmek için bir devre 3.1. Sistemin Yapısı Sistemin gövdesi 12x12 alüminyumdan olup geçmiş yıllardaki çalışma olan eğik motorlu sıra dışı sistemden parçaların adaptör sökülmüştür. birbirine parçalar sabitlenmesi hızlı Alüminyum sağlayacak prototipleme kullanılarak üretilmiştir (şekil. 11). cihazı tasarlanmıştır (Şekil. 13). Bu devre aynı zamanda sistemin bilgisayar ile arasındaki bağlantıyı da sağlamaktadır. ortamında Sistem Humusoft 614 Matlab® kartı Simulik aracılığıyla sürülmektedir. Sistemin gereksinimleri olan dört adet PWM çıkışı tasarlanan kart üzerinde bulunup Ethernet kablosu aracılığıyla Humusoft kartına bağlanmaktadır. Bahsedilen sistem devresinin 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara üzerindeki bileşenleri detaylandıracak olursak, devre bir adet pil girişine sahiptir. Bu pil girişiyle paralel bağlanmış üç adet giriş, fırçalı ve fırçasız Sistemin fırçasız motorunun itme kuvveti basit motorların beslemesini sağlamaktadır. İki adet bir mekaniksel yapı ile ölçülmüştür. Milin bir 5volt servo besleme çıkışına ve sinyal girşine ucuna motor adaptör parça ile sabitlenip diğer ucu sahiptir. 5volt pilden alınan voltajın Lm7805 hassas terazi üzerine konulmuştur. Moment voltaj regülatörü yardımıyla elde edilmektedir. kolları ayarlanarak motor güç verilmiştir. Çalışma rejiminin her bir artışında motorun dönüş hızı ve hassas terazi üzerinde oluşturduğu itme kuvveti kayda alınıp itme kuvveti çalışma rejimi grafiği İtme kuvveti (g) oluşturulmuştur. Şekil 13. Besleme devresi 3.2 Veri Toplama Sistemin tüm parçaları monte edildikten sonra hassas terazi yardımıyla sistemin 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 36 38 40 42 44 46 48 50 ağırlığı Çalışma rejimi % ölçülmüştür. Ölçülen ağırlık 1050 gramdır. Eşitlik(19) ve Eşitlik(20) ‘de gösterildiği gibi Şekil 14. Çalışma rejimi ve İtme kuvveti uçan sistemlerin kendilerini yerden ayırabilmek için motorlardan gelen maksimum itme kuvvetinin %60 ila %70i sistemin toplam ağırlığına eşit olmalıdır. Motorlardan gelen toplam itki E-max fırçasız motor için 1300 gr Elde edilen grafik doğrusallaştırılarak Eşitlik çalışma (21)’e rejimi ve göre itme kuvveti arasında bir denklem elde edilmiştir (Şekil 14). civarındadır. İki tane Draganfly motor için toplam Motor itme kuvveti = 95,093 * çalışma rejimi - itme 250 gram olarak kabul edilmiştir. Sonuç 211,68 olarak toplam itki 1550 gramdır. Elde edilen bu denklem sistemin kontrolcüsüne gömülüp ğı ı (21) ataletsel ölçüm biriminden gelen 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara verilere göre çalışma rejimi hesaplanarak itme sistem benzetim çalışmaları ve aynı zamanda sıra kuvveti elde edilecektir. dışı sistem için dinamik modelleme çalışmaları devam etmektedir. Sıra dışı sistem dinamik modellemesi 3.3 Sistemin Kontrolü kullanılmasına sonra benzetim işlemlerine başlanacaktır. Sistemin kontrolü için doğrusal ikinci derecen düzenleyici çıkarıldıktan karar verilmiştir (LQR-Doğrusal Karesel Ayarlayıcı) (Şekil. 15). TEŞEKKÜRLER Bu araştırma, MECE 407-408 Lisans Araştırma Projeleri dersleri I-II gerçekleştirilmiş ve kapsamında Atılım Üniversitesi tarafından desteklenmiştir (Proje No: LAP-A111201). Derslerin yürütülmesine ve proje çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı Doç. Dr. Zuhal ERDEN, Öğrt. Grv. Aylin KONEZ EROĞLU, Cahit GÜREL, Ayça GÖÇMEN, teşekkür ederiz. Şekil 15. Doğrusal Karesel Ayarlayıcı KAYNAKÇA Kontrol üncünün blok şemasında bulunan durum [1] Küçük D., (2010), “Design of Two Wheeled uzayı bloğuna gömülecek olan dinamik model Twin Rotored Hybrid Robotic Platform”, üzerinde halen çalışılmaktadır. Dinamik model Yüksek elde edildikten sonra sistemin kontrolü üzerinde Mühendisliği Bölümü, Atılım Üniversitesi. çalışmalara başlanacaktır. Bu bildiride melez uçan robot tasarımı ve dinamik modellemesi, kontrolü ile ilgili yapılan, Tezi, Mekatronik [2] Tok B., Çelik M. K. (2011), “Melez Uçan Robot SONUÇ VE GELECEK ÇALIŞMALAR Lisans Araştırmaları” Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2011), Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Atılım Üniversitesi. [3] Bilgin Ö.M., Gülümser B. (2011), “Sıra dışı sıra dışı uçan sistemin yapım aşaması ve Uçan elektronik parçaları, kullanılacak kontrolcünün Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi seçimi ile ilgili çalışmalar anlatılmıştır. Dinamik (MeMÖK 2011), Mekatronik Mühendisliği modellemeler Newton-Euler yöntemine göre elde Bölümü, Atılım Üniversitesi. edilmiş ve denetleyici tasarımı yapılmıştır. Melez Robotlar Üzerinde Araştırmalar”, 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara OPTİK AKIŞ Burak GÜNEY, guney.burak@student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Gülşah DEMİRHAN, demirhan.gulsah@student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Kağan TELEK, telek.kagan@student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara S.Betül COŞKUNOĞLU, coskunoglu.sbetul@student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Zeynep KAYI, kayi.zeynep@student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Bülent İRFANOĞLU, birfanoglu@atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara edilen ÖZET Bu makalenin amacı, bir robotun hareketine ve hızına görsel anlamda karar vermek için, sık kullanılan bir bilgisayar faresinin basit optik sensörünü değerlendirmektir. Aynı zamanda sensörün, yürüyebilen veya uçabilen robotlar bulunduran mekatronik laboratuvarı iç ortamı için bulgular kullanılabileceği değerlendirilecek, yerler belirtilip gelecekte bildiri sonlandırılacaktır. ANAHTAR KELİMELER: Optik akış, optik fare, mekatronik laboratuarı, iç ortam, hız ve uzaklık, engelden kaçınma, navigasyon faydalı sonuçlar verip vermeyeceği incelenecektir. Girişte araştırma hakkında genel bilgi verilip tanımlamalar yapılacaktır. Genel bilgi verildikten sonra optik akış mantığı ve literatürde var olan çalışmalar Ardından ayrıntılı yapılan şekilde çalışmalar aktarılacaktır. Diğer bir deyişle, motivasyon kapsam ve açıklanacaktır. detayları ile proje amacı yöntemi; deneysel çalışmalar, uygulama için gerekli formül ve çıkarımları takiben bu çalışmaların ASELSAN’dan gelen dört tekerli kara aracına uygulanması açıklanacaktır. Son olarak elde ABSTRACT The goal of the following paper is to evaluate a simple optical sensor from a commonly used computer mouse as a device to estimate the motion and velocity of a robot by visual means. Furthermore, the sensor will be examined to determine whether it yields useful results for indoor Mechatronics Laboratory environment, where there are mechatronics systems which can either walk or fly. In the beginning general information and some basic definitions about the 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara research are given. After general information, Optik akışın kullanıldığı başlıca alanlar; konum optical flow phenomena and literature review for ve hız bulunması, engelden kaçınma, video current studies are mentioned. Then, related sıkıştırılması, optik farelerin çalışması, harita studies are described in detail. That is to say, oluşturulması, cisim tanıma ve takip etme, hareket objective, motivation, scope and methodology of algılaması, robot navigasyonu, görsel odometri the research project; experimental studies; some şeklinde sıralanabilir. basic theoretical information and assumptions and Makalenin geri kalanı aşağıda belirtildiği gibi after that integration of these to the 4-wheeled düzenlenmiştir. unmanned car donated by ASELSAN are going to mantığından ve literatürde var olan çalışmalardan be explored. Finally, all the findings and future bahsedilmiştir. works are evaluated and report is concluded. değinilmiş, belirlenen hipotez sunulmuş, yapılan Bölüm Bölüm 2’de 3’te optik proje akış amacına deneysel çalışmalar aktarılmış ve belirlenen KEYWORDS: Optic Flow, optic mouse, yöntemler ASELSAN’dan gelen dört tekerli mechatronics laboratory, indoor environment, araçta velocity çalışmalar ve sonuçlar aktarılmış ve bildiri and distance, obstacle avoidance, navigation Bölüm 4’te gelecek sonlandırılmıştır. 2. 1. GİRİŞ OPTİK AKIŞ MANTIĞI VE LİTERATÜRDE VAR OLAN ÇALIŞMALAR Optik akış kısaca nesnelerin hareketinin göz veya kamera uygulanmıştır. ile göreceli olarak algılanması ve yorumlanmasıdır. Araçta sabit hızla giderken trafik levhasının levhaya yaklaştıkça hızlanması Bu bölüm altında optik akış mantığı açıklık kazanacak ve literatürde var olan çalışmalara değinilecektir. ve büyümesi, trafik levhasını geçtikten sonra ise tam tersi olarak görünmesi örnek verilebilir [1, 2]. 2.1 Optik Akış Mantığı Hayvanlar özellikle uçan böcekler ve kuşlar Genel olarak optik akış, çevre hareketlerinin hareket halindeyken belirtilen özelliği kullanarak algılanıp incelendikten sonra yorumlanmasıdır. çevrelerini işlemini Arabada ya da trende oturup camdan bakıldığında robot ağaçlar, yer, binalar gibi cisimler farklı hızlarda teknolojilerinde de optik akış çeşitli yöntemlerle hareket ediyormuş gibi gözükür. Gözlemcinin ve farklı amaçlar için kullanılmaktadır. cisimlerin arasındaki mesafeye göre bu hızlar algılayıp gerçekleştirmektedirler. yol bulma Ayrıca 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara farklılık gösterir. Yakındaki cisimler daha hızlı hareket ediyormuş gibi gözlenirken, uzakta kalan cisimlerin daha yavaş hızda hareket ettiği gözlenir. Aynı zamanda, bir cisim uzakta iken daha küçük görünmekte ve yaklaştıkça boyutları büyük görünmektedir. Bu özellikler optik akış değerinin belirlenmesinde kullanılmaktadır. Optik akış değeri büyüklüğü ve objenin bir ilişki vardır. Gözlemci hareket esnasında hızını iki katına çıkardığında optik akış değeri de iki katına çıkar. Aynı zamanda, gözlemci hareket esnasında hızını sabit tutarken gözlenen cismin uzaklığı yarıya indirildiğinde optik akış değeri yine iki katına çıkmaktadır. Optik akış değeri gözlenen cisimlerin ve hareket halindeki objenin arasındaki açıya bağlı olarak da değişiklik gösterir. Örneğin hareket yönüyle 90 derecelik bir açı olduğunda optik akış maksimum değeri aynı bulunduğunda cisim optik akış hareket yönünde değeri minimum olmaktadır. Optik akış Bu başlık altında bulunan makalelerde fare sensörlerinin optik akış yöntemiyle hız tespiti yapması ve engelden kaçınılması için kullanılan yöntemler incelenmiştir. Hız Tespiti: Basit bir farede kullanılan optik akış sensörüyle hızölçer tasarlanması araştırmasında, gözlemciye göre konumu arasında matematiksel alırken, 2.2 Literatürde Var Olan Çalışmalar Scheffer [3], optik fare sensörü olarak ADNS 3080 (sensör saatte 20 mil okuyabilmektedir) tercih etmiş ve bu sistem elektronik bir kaykayda kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Sistemde daha doğru sonuçlar için yol yüzeyini netleştirmek amacıyla lens ve optik sensörün bilgi akışını sağlamak, hız hesabı ve LCD kontrolü için mikro işlemci kullanılmıştır. Sistemin farkı, ortalama ve maksimum hızları gösterebilmesidir. Farklı olarak Chahl ve Hine [4], uçan cihazlar üzerinde de basit fare algılayıcısıyla hız tespiti yapmanın mümkün olduğunu göstermiştir. ADNS 2030 algılayıcısı kullanılmış ve en az 30 metre yükseklikte bir uçuş yapılarak; 53 m/s hız tespit edilmiştir. Tasarlanan sistem tüm uçuş bilgilerini kaydetmenin yanı sıra değerinin olarak anlık olarak hız bilgisini de gönderebilmektedir. kameralar Son olarak Kathage ve Kim [5], ADSN 5090 ve kullanılmaktadır. Kamera ile çekilen iki resim bir çift kamera kullanarak yaptıkları sistemde 5 karşılaştırıldığında km/s kadar araç hızı ölçebilmişlerdir. Sistemde değerlendirilebilmesi teknik için aradaki görüntü farkına bakılarak optik akış değeri bulunabilmektedir. farklı olarak; fare algılayıcısıyla konum algılama sistemi eş zamanlı kullanılarak araç rotası görsel olarak çıkarılmıştır. Engelden Kaçma: Robot navigasyonu, robotun yapay zekasını ve sensörel bilgilerini kullanarak 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara güvenli bir şekilde belirlenen çevrede ilerlemesi çalışmaların ASELSAN’dan gelen dört tekerli araştırmasında Ribeiro [6], engelden kaçmayı kara aracına uygulanması açıklanmıştır. robotun izlediği beklenmedik yolun biçimlendirilerek engellerden metodolojileri olarak kaçabilme tanımlamış; robotun vereceği tepkinin o anki konumu ve sensör 3.1 Proje Amacı, Motivasyon, Kapsamı Ve Yöntemi bilgisine göre değişim gösterebileceğini söylemiş Optik akış özelliğini kullanabilmek için birkaç iyi ve düzenek hazırlarken Bug’s algoritmasından bilinen algoritma yanında optik akış sensörleri de (engel görülene kadar doğruca belirlenen hedefe mevcuttur. Bu sensörler sadece bir görevi robotun ilerlemesi) yararlanmıştır. Ribeiro’nun gerçekleştirmek araştırmasından farklı olarak Suohila ve Karim tabanlı modüller veya hesaplama yeteneğine sahip [7], yaptıkları çalışmalarda robotun önündeki kameralar için entegre edilmiştir. Bu projenin kamerayla birlikte 2 farklı yöntem kullanarak amacı, optik akışın ilgilendiğimiz robotlara engelden Bu aktarılması ve belirli uygulamaların elde edilmesi, akış araştırmalara ve mevcut literatüre bir ölçüde vektörlerinin bölgesel yoğunluğu dikkate alınarak teorik / pratik katkılar sağlamaktır. Optik akış robota yön bilgisi aktarılması (denge stratejisi); uygulaması bu projede ASELSAN’dan gelen dört diğeri ise çevresindeki objelerin optik akış tekerli insansız kara aracında engelden kaçınma değerlendirmesi ve robotun hızı kullanılarak ve çıkarılan derinlik haritasıyla birlikte robotun sınırlandırılmıştır. yöntemlerden kaçmayı ilki başarmışlardır. görüntüdeki optik hız ve için özellikle konum mikrokontrol belirleme olarak amaçlanan hedefe hiç bir temas yaşanmadan ulaşmasıdır. 3.2 Takip eden bölümde literatür araştırmasından da Optik elde edilen bilgilerle, optik akış araştırma projesi olgunlaşmamış bir durumu olmasına karşın, kapsamında yapılan çalışmalar kronolojik bir birçok sıraya göre ayrıntılı bir şekilde açıklanacaktır. araştırma konusu olması bakımından, LED optik Hipotez akış uygulamasının ilerlemenin robotik gözlemlendiği alanında etkin bir farenin çipinde bulunan optik akış uygulaması konum belirleme, hareket kontrolü ve engelden 3. YAPILAN ÇALIŞMALAR Bu başlık altında proje amacı motivasyon kapsam ve yöntemi; ayrıca deneysel çalışmalar, uygulama için gerekli formül ve çıkarımlar; son olarak bu kaçınma konularında dört tekerli insansız kara aracında alternatif sunabilmektedir. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Şekil 2’de görüldüğü gibi optik akış değerleri 3.3 Deneysel Çalışmalar Bu bölümde proje kapsamında yapılan deneyler beraberinde getirebilir. Ancak bu durum hızlı ve çalışmalar açıklanacaktır. Sarkaç Deneyi: Optik dönen cisimlerde belli bir hata payını da akışın çekim yapılarak en aza indirilebilir. Bunun için laboratuvar koşullarında gözlemlenmesi için elverişli bir araç olan sarkaç kullanılmıştır. Sarkaç ile yapılan deneylerde, sarkaç hareket halindeyken sarkaç üzerindeki farklı noktalarda optik akış değerinin değişimi gözlemlenmiştir. Üzerinde deney yapılan sarkaç düzeneği Şekil 1’de gösterilmektedir. sarkaç sırayla 1fps, 5fps, 10fps ve 30fps kamera değerleri ile görüntülenmiş, bunun üzerine yüksek görüntü alma hızının optik akış gözlenmesi için önemli bir yere sahip olduğu sonucuna varılmıştır. MATLAB çalışması: Gözlemlenen sarkaçtan alınan video örnekleri, MATLAB Simulink optik akış aracı kullanılarak değerlendirilmiştir. Bu değerlendirmede, video örneğinden alınan iki farklı karedeki optik akış vektörleri gözlemlenmiş, aralarındaki farklar anlaşılmaya çalışılmıştır. Alınan bu iki resim, önce 160*120 piksel, daha sonra 40*30 piksel boyutlarında bölümlendirilmiş ve optik akış değişiklikleri Şekil 1. Sarkaç Düzeneği değerlendirilmiştir. Piksel sayısını arttırıp azaltarak sabit bir uzaklıktan optik akış değerleri Deneyde elde edilen sonuçlar göstermektedir ki, optik akış değeri, çizgisel hızı daha büyük olan uç kısımda daha büyüktür (Şekil 2). alınan belirli bölgeler gözlenmiştir. Aynı zamanda dönen cisimlerdeki optik akış algısının nasıl olacağı bu gözlemler arasında yer almıştır. Dönen cisimlerde optik akış değerlendirmesi: Dönen cisimlerde genellikle iki farklı pozisyon arasında lineer olarak fark bulunmamaktadır. Görsel anlamda optik akış değerinin elde edilebilmesi için pozisyon değişiminde piksel farkı gerektiğinden, olduğu yerde dönmekte olan cisimler optik saptanamamaktadır. Şekil 2. Optik akış değerinin sarkaç üzerindeki değişimi akış değeri aracılığıyla 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Dönen cisimlerde optik akış görülebilmesi için, ve çıkarımlar yapılıp bunların araca entegre cisim yoğunluk değişkeni olarak adlandırılan edilmesi ayrıntılı olarak anlatılacaktır. spiral çizgiyle işaretlenerek gözlemlenmektedir. Bu şekilde gözlenen cisimde, dönme yönü z ekseni etrafında saat yönünün tersinde olmasına karşın optik akış vektörleri yukarı doğru görülmektedir (Şekil 3). Aracın tanımlanması: Önceki kısımlarda da değinildiği üzere uygulama yapılan araç ASELSAN’dan gelme dört tekerlekli insansız bir kara aracıdır ve bu araç Şekil 4’te gösterilmektedir. Şekil 4. Dört tekerlekli insansız kara aracı Şekil 3. Dönen cisimde optik akış gözlenmesi Araçta iki adet dc motor (Şekil 5), 2 adet enkoder (Şekil 6), 1 adet fren, 1 adet single board pc ve 1 adet motor sürücü bulunmaktadır. Her ne kadar yoğunluk değişkeninin hareket yönü olan z ekseni gözlenebilse de, doğrultusundaki çizginin teğet değişimi eksenindeki değişim hâlâ gözlenememektedir. 3.4 Belirlenen Aracın Üzerindeki Uygulamalar Bu başlık altında aracın tanımlanması, gerekli malzemelerin belirlenmesi, gerekli olan formül Şekil 5. Araçtaki dc motorlar 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Aracın sağ tarafında bulunan iki tekerlek bir dc cisimlerin optik akış değerleri sırasıyla -3,+5 ve motora bağlıdır; aynı durum sol taraf için de +10 olduğu varsayılsın. geçerlidir. Sağ ve sol tekerlekler dc motorun ucuna bağlı bulunan palet sistemiyle kontrol Bu durumda sensörün vereceği optik akış değeri Eşitlik (1) ile belirlenir. edilmektedirler (Şekil 6). Sensör _ OA _ deg eri Cisimlerin _ OA _ deg erleri (1) Cisimlerin _ Sayisi Eşitlik (1)’de OA, optik akışı ifade etmektedir ve denklemden anlaşılacağı üzere verilen örneğin sensör optik akış değeri [-3+5+10]/3=4 olur. Sensör optik akış değeri bulunduktan sonra bu Şekil 6. Araçtaki palet sistemi ve enkoder bilgileri hareket edilen gerçek uzaklık değerlerine dönüştürebilmek için yüksekliği göz önüne almak önemlidir. Şekil 7’de göründüğü gibi aynı mesafe Uygulama için Gerekli Formül ve Çıkarımlar: gidilmesine rağmen yükseklik değerleri farklı Bu başlık altında kullanılacak olan optik akış olduğundan sensörünün çalışma göstermektedir ve optik akış değerleri yükseklik değerinin hız mantığı ve bilgisine optik akış dönüştürülmesi optik akış değerleri farklılık ile ters orantılıdır. anlatılacaktır. Optik akış sensörü x-y koordinatları üzerindeki ortalama pozisyon değişimini kullanıcıya geri vermektedir. Bir piksel hareketi sensörün yüksek (1) bilgisine dönmesine neden olmaz; bu olayın gerçekleşmesi için daha yüksek değerler gereklidir. Eğer görüntüde birden fazla hareket eden cisim varsa bu görüntünün optik akış değeri ortalama olarak hesaplanır. Örneğin görüntüde hareket ettiği belirlenen üç cisim varsa; bu Şekil 7. Yükseklikle değişen optik akış değeri 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Sensörün uçağın üzerinde olduğu ve 2 piksel Sensörün görüş alanının bulunabilmesi için olduğu trigonometrik düşünülürse, yere göre 1 metre ve geometrik bilgiler yüksekliğindeki uçağın optik akış değeri 2 kullanıldığında Eşitlik (3)’teki gibi bir bağıntı değerini elde edilir. Bu eşitlikte yükseklik metre, görüş alacakken, yere göre 2 metre yüksekliğindeki uçağın optik akış değeri 1 açısı derece cinsinden yazılmalıdır. değerini alacaktır. Bu ters orantı bağıntısı Eşitlik (2)’de belirtilmiştir. Yukseklik 1 OA _ deg eri Gorus _ Acisi Gorus _ Alanı 2 * tan( ) * Yukseklik 2 (2) (3) Piksel başına düşen alan, görüş alanının piksel sayısına orantılanmasıyla bulunur. Optik akış Yüksekliğin yanı sıra optik akış değeri kameranın görüş açısı ve piksel sayısı ile de ilişkilidir. Kameranın görüş açısı genişledikçe bir pikselin kapladığı alan da genişlemektedir. Bu sonuç optik akış değerini doğrudan etkilemektedir (Şekil 8.). değeri piksel değişim sayısı olduğundan. Optik akış değerinin piksel başına düşen alan ile çarpılması alınan mesafeyi bunun zamana bölümü ise hızı vermektedir. Bu işlemler yapıldığında optik akış özelliği kullanılarak hız tespiti yapılmış olur. Gerekli bağıntı Eşitlik (4)’te verilmiştir. OA _ deg eri * Yukselik Gorus _ Acisi * 2 tan Mesafe 2 Sensor _ Piksel _ Sayı (4) Optik akış sensörünün araca uygulanması: Bu başlık altında sensörün araca uygulanması için gerekli görülen değişiklikler, sensör ve bacak bağlantıları hakkında bilgiler verilecek ve bunların araca uygulanması anlatılacaktır. İlk olarak sensörün araca uygulanabilmesi için araçta yapılması gereken birtakım değişiklikler anlatılacaktır. Bu değişiklikler; aracın ön alt Şekil 8. Görüş açısının pikselle ilişkisi tarafını kapatan parçanın özelleştirilmesi; aracın alt kısmını oluşturan üç parçadan aracın içinde bulunan motor sürücü, batarya ve single board pc’nin hesaba katılarak ön alt parçanın uygunluğu 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara gözlenip parçanın aynısının üretilmesi ve formülünde bu değişken sabit olarak alınmıştır. sensörün geldiği yere ufak bir delik açılması Ayrıca şeklinde sıralanabilir. Sensörün geldiği yere açılan olmasından dolayı tek değişken olarak sensörden delik sayesinde sensörün aracın altından görüntü gelecek olan optik akış değeri kabul edilmiştir. görüş açısının da sabit vermesi Sensörün lensinin bitiminden alınan ölçümlere sağlanabilmektedir ve araçta başka herhangi bir göre sensörün yerden yüksekliği 7.5 cm (Şekil değişikliğe gerek görülmemiştir. 10). Sensörün üzerinde bulunan 8mm M12x0.5 Sensör ve gerekli bağlantılarına değinilecek özelliklerine sahip merceğin görüş açısı ise 11 olursa; sensörün çalışması ve veri alınmasını olarak belirlenmiştir. alarak optik akış değeri sensörün sağlayan gerekli bağlantılar (Şekil 9); MISO (MASTER IN/SLAVE OUT), MOSI (MASTER OUT/SLAVE IN), SCLK ve NCS şeklinde sıralanabilir. Bunları kısaca açıklamak gerekirse MOSI veri girişi (INPUT), MISO veri çıkışı (OUTPUT), SCLK çalışma frekansı, NCS ise seri portları aktif etmek için kullanılmaktadır. Ayrıca bu port gerekli durumlarda yeniden başlatma (reset) işlemi için de kullanılabilir. NCS sensörün çalışması için düşük (low) değerde olmalıdır. Şekil 10. Aracın yerden yüksekliği 4. SONUÇLAR Sonuç olarak optik akış teknolojisinin mekatronik ürünlere uygulanabilirliği denenmektedir. Sistemin oldukça hassas ölçümler yapabildiği ve kullanılan sensör ile çok daha yüksek hızlara çıkılabileceği görülmüştür. Ayrıca aracın zemine bağlı olarak 2 eksenli hızının bulunabilmesinden Şekil 9. Bacak (pin) bağlantıları dolayı kaymalara karşı kesin olarak aracın tam hareketinin gözlenmesi mümkündür. Ek olarak Sensör ve bacak bağlantılarından sonra gerekli optik akış kullanılarak herhangi bir sistem değişkenlerin bahsedilecek üzerinde uygulanabilecek şekilde engelden kaçma olunursa; aracın yerden yüksekliği sabit olduğu ve yol bulma işlemi de bilgisayar ortamında varsayımı yapılıp sensörün optik akış değer MATLAB bulunmasından ile gerçekleştirilmiştir. Buradan 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara çıkarılan sonuçlar ise engelden kaçma/yol bulma işleminin, görüntü işleme yoluyla (Erişim: 03.04.2012) [3] Scheffer, Z., (2007), “Optical Speedometer”, yapılmasındansa optik akış sensörleri kullanılarak Technical yapılması, görüntü işlemede gerekli olan işlemci Fulfillment of the Engineering Technology ve ekstra güç tüketiminin önüne geçecektir. Senior Design Project Course ETG 4950C Bunun yanı sıra optik akış sensörleri çok yüksek [4] Chahl J.& Hine B.(2008), ”Insect-Inspired Report Submitted in Partial çerçevelerde görüntü işlemeyi gerçekleştirdikleri optical flow navigation sensor”, için hızlı hareket eden veya hızlı tepki vermesi http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa gereken mekatronik ürünlerde de kullanılabileceği .gov/20110016297_2011017327.pdf görülmüştür. (Erişim: 10.05.2012) [5] Kathage R. & Kim J., (2006), “Experimental results of a Differntial Optic-Flow System”, TEŞEKKÜR Bu araştırma, MECE 407-408 Lisans Araştırma Projeleri I-II dersleri kapsamında gerçekleştirilmiş ve Atılım Üniversitesi tarafından desteklenmiştir (Proje No: LAP-A-111201). Derslerin yürütülmesine ve proje çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı Yrd. Doç. Dr. Zühal ERDEN’e, Yrd. Doç. Dr. Kutluk Bilge ARIKAN’a, Öğr. Gör. Aylin KONEZ EROĞLU’na, Arş. Gör. Cahit GÜREL’e ve Arş. Gör. Emre GÜNER’e teşekkürlerimizi sunarız. KAYNAKÇA [1] Klaus, B. ve Horn, P., (1986), “Robot Vision”, http://homepages.inf.ed.ac.uk/rbf/CVonline/L OCAL_COPIES/OWENS/LECT12/node7.ht ml. (Erişim: 09.05.2012) [2] Barrow, L., G., (2000), “Custom Vision Chips for Robotics”, http://centeye.com/technology/optical-flow/ Department of EngineeringThe Australian National University, Australia [6] Ribeiro, M., I., (2005), “Obstacle Avoidance”, Navigation/Collision Avoidance pp. 1-4 [7]Souhila K. & Karim A., (2009), “Optical Flow Based Robot Obstacle Avoidance” http://cdn.intechopen.com/pdfs/4206/InTechO ptical_flow_based_robot_obstacle_avoidace.p df (Erişim: 10.05.2012) STIRLING MOTOR VE ÇUKUR AYNA İLE GÜNEŞ TAKİP SİSTEMİ KULLANARAK GÜNEŞ ENERJİSİNİ MEKANİK ENERJİSİNE DÖNÜŞTÜRME Ömer ÇETİN, cetin.omer@ student.atilim.edu.tr, Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Betül EYTÜRK, eyturk.betul@ student.atilim.edu.tr, Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Melih KARALİ, karali.melih@ student.atilim.edu.tr, Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Barlas PAZARBAŞI, pazarbasi.barlas@ student.atilim.edu.tr, Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Mehmetali SARI, sari.mehmetali@student.atilim.edu.tr, Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara H.Orhan YILDIRAN, o.yildiran@atilim.edu.tr, Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara ÖZET ABSTRACT Sürdürülemez enerji kaynaklarının tüketimi ve Consuming of unsustainable energy sources and fosil yakıtlarının kısıtlılığı gelecek yaşantımız limitation of fossil fuel become threat for the için tehdit oluşturmaktadır. Enerji kaynaklarının future life. Because of high cost energy, pahalılığı, çevreye verilen tahribat ve çevre destruction of environment and environment kirliliği, pollution are caused that required to using yenilenebilir kaynaklarının ve kullanımını sonsuz enerji gerektirmektedir. sustainable and finite energy generation. Yenilenebilir enerji teknolojileri zararsız enerji Renewable energy technologies are clean sources kaynağıdır ve bilindik enerji teknolojilerine of energy and it has lower environmental impact nazaran daha az çevre ile etkileşim halindedir. than conventional energy technologies. One of Güneş enerjisi bu enerji kaynaklarından biri ve them is solar energy as finite energy. In this study sonsuz enerjidir. Bu çalışma; Stirling motorunun shows that how to design and manufacture the tasarımının ve üretiminin nasıl yapılacağını, Stirling Engine, it combined with parabolic çukur ayna ile birleştirilip güneş takip sistemiyle mirror collect sunrays in focus point and thanks güneş toplayarak, to developing a tracking system, obtained maksimum güneş enerjisini mekanik enerjiye maximum useable mechanical energy from the çevrilmesini içermektedir. sun, converted from solar energy to mechanical ışınlarını bir noktada energy. ANAHTAR KELİMELER: Stirling motor, çukur ayna, takip sistemi KEYWORDS: Stirling engine, parabolic mirror, tracking system 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara 1. GİRİŞ bu yüksek enerji ile stirling motorundan hareket Mece 407- 408 araştırma projesinin amacı güneş enerjisi elde etmekdir. enerjisini kullanarak, parabolik ayna ve stirling motor ile elektrik enerjisi üretmektir. Mece 407- 2. SİSTEMİN ANA KISIMLARI 408 araştırma projemizin ana başlıklar güneş 2.1 Stirling Motor takip sistemi, stirling motor ve çukur ayna olarak Stirling motoru, sıcak hava motoru olarakta 3’e ayrılmaktadır. İlk olarak takip sistemi güneşi bilinen dıştan yanmalı bir ısı makinası tipidir. takip ederek verimliliği en yüksek seviyede Temel çalışma prensibi sıcaklık değişimine bağlı tutmayı LDR olarak ısınan ve soğuyan havanın genleşip sensörlerinden gelen bilgilerin mikro işlemciler sıkışarak basınç yaratmasıdır. Isı değişim prosesi, sayesinde işlenerek, çift eksenli takip sistemi adı Carnot çevriminin pratik olarak uygulanması ile verilen sistemin sürülmesi ile sağlamaktadır. ısının mekanik harekete dönüşümünün ideal Çukur ayna olarak adlandırılan ayna çeşiti şekil verime yakın olmasına izin verir. Stirling olarak çanak anteni anımsatmaktadır, bu ayna motorları dıştan ısı vermeli motorlar olduğundan, güneş enerjisini bir noktada odaklayarak yüksek içten yanmalı motorlara ve diğer ısı motorlarına derecede ısı elde etmeyi sağlamaktadır, ısı tek göre bir çok üstünlükleri vardır. Her türlü yakıt noktada toplandığından bu noktaya odak noktası ve ısı kaynağı kullanılabilmektedir. Özellikle denmektedir. Yaptığımız hesaplamalarda MECE güneş 407-408 araştırma projesinde kullanılan çukur başarılı sonuçlarla giderek artan enerji ve çevre aynanın odak noktasın merkezinden 75 cm sorunlarına karşı alternatif bir enerji dönüştürücü uzakda bulunduğu tespit edilmiş ve yapılan olarak ölçümlerde kadar motorları gürültüsüz ve titreşimsiz çalışmaları, çıkabildiği gözlenmiştir. Bu proje kapsamında yüksek termik verimleri, çevreci motor ve uzun yapılan araştırmalar stirling motorun ısı enerjisini ömürlü haraket enerjisine çevirmede en iyi yol olduğunu alanlarından göstermektedir. Bu motor dıştan yanmalı bir uygulamalarına motor çeşitidir, stirling motorun çalışma prensibi kullanılmaktadır. Bunun yanısıra yeterli tork ve ısınan havanın genleşerek pistonu itmesi ve özgül bunun sonucunda hareketin elde edilmesinden araştırmacıları bu motorlar üzerinde çalışmaya oluşmaktadır. Son olarak bütün projenin amacı yönelten başlıca nedenlerdir. Günümüzde 4 temel güneş enerjisinden yüksek ısı enerjisi elde ederek, stirling motor çeşiti kullanılmaktadır. Bunlar sağlamaktadır,bu bu ısının 915 takip dereceye enerjisi uygulamalarında elde kullanılmaya olmaları güç uzay başlanmıştır. Stirling nedenleriyle, teknolojisine kadar değerleri ile basit sulama ve birçok edilen elektrik alanda tasarımları başlıca; alfa, beta, gama ve bağımsız piston (free 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara piston) stirling motorlarıdır. Bu araştırmada gama tipi stirling motoru seçilmiş ve gama tipi stirling motorunun çalışma prensipleri araştırılmıştır. Gama tipi stirling motoru birbirinden ayrı 2 pistonu olmak üzere 6 ana parçadan oluşmaktadır. Bunlar; güç pistonu(power piston), hareket pistonu (displacer rejenaratör piston), (regenerator), biyel (connection rod), silindirler (cylinders), ve volan (flywheel) parçalarıdır. Gama stirling motoru ile ilgili Şekil 1. Gama Stirling Motor Prototipi literatür araştırmaları yapıldıktan sonra gama stirling motorunun prototipini elde etmek için mini bir Pistonlar birbiriyle eş merkezli olmayan ayrı gama stirling motorunun CATIA programında her silindirlere sahiptir. Silindirler birbirine paraleldir parçası olmasada ana parçaları çizilerek montajı ve ölü hacmi en aza indirecek şekilde Şekil Şekil 1’de gösterildiği gibi yapılmıştır. Bu sayede 2’deki gibi yerleştirilmiştir. Alt kısımda bulunan stirling motorunun parçaları hakkında daha iyi silindir, çalışma hacminin azaltılıp, arttırılmasını bilgi sahibi edinildi. Stirling motorunun teknik yani iş akışkanının sıkıştırılıp, genişletilmesini çizimleri yapıldıktan sonra kinematik analizleri sağlamaktadır. Üst kısımdaki silindir ise, yer yapılmaya çalışıldı ama kinetik analizler tam değiştirme pistonu aracılığı ile iş akışkanının verimli soğutulup, bir şekilde yapılamadı. Literatür ısıtılması görevini yerine araştırmalarında stirling motorun parçaları tam getirmektedir. Tasarımın avantajı mekanik olarak detaylı anlatılmadığı için ana parçaların, parça basit olmasıdır. bağlantılarının ve pistonların iç yapısının daha iyi anlaşılması için mini stirling motor prototipi alındı ve tersine mühendislik uygulanarak, stirling motorunun parçaları ve çalışma prensibi detaylı bir şekilde incelendi. Bu uygulama pistonların teknik yapısı bakımından yararlı bir çalışma olmuştur. Şekil 2. Gama Stirling Motor Yapısı [1] Stirling moturun çevrimine dayanır. sıcaklık çevrimi Carnot Stirling çevrimine göre 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara çalışan bir sıcak hava motoru temel olarak iki pistondan oluşmaktadır. Pistonlardan bir tanesi yer değiştirme pistonu olarak adlandırılır ve görevi çevrim akışkanını sıcak ve soğuk bölge arasında nakletmektir. Diğer piston güç pistonu Şekil 3. Stirling Çevrimi P-V Diagramı olarak adlandırılır ve motordaki gücü üreten (Carnot Cycle) [3] pistondur. Carnot çevriminden bilindiği üzere sıcak ve soğuk ısı kaynaklarının sıcaklıkları arasındaki fark arttıkça ısıl verimin arttığı Stirling motorun performansı P-V diyagrama göre bilinmektedir. Dolayısıyla bu sıcaklık farkını hesaplanılabilir. Motor hacmi, iç geometri hesabı arttırmak için Stirling çevriminde sistem içi ısı kullanılarak geçişi yapılır; bu sistem içi ısı geçişine literatürde kullanılacak olan gazın kütlesi ve rejenerasyon adı verilmektedir. “Stirling motorun olan sıcaklık seçildikten sonra basınç ideal gaz performansı formülü kullanılarak hesaplanır. rejenerasyonun performansından kolayca hesaplanır. Hacim, uygulanacak etkilenmektedir.” [2] Stirling çevrimi sıcak hava motorları için ideal bir çevrimdir. Dört tümden tersinir hal değişiminden oluşan Stirling çevriminin P-V diyagramı Şekil 3’teki gibi gösterilmektedir. Bu hal değişimleri aşağıda sıralanmıştır: 1-2 İzotermal (Sabit sıcaklık) sıkıştırma (sistemden dış ortama ısı geçişi) Şekil 4. Schmidt Teorisi [4] 2-3 Sabit hacimde rejenerasyon (rejeneratörden aracı akışkana sistem içi ısı transferi) 3-4 İzotermal (Sabit sıcaklık) genişleme (sisteme dış kaynaktan ısı geçişi) 4-1 Sabit hacimde rejenerasyon (aracı akışkandan rejeneratöre sistem içi ısı geçişi) Stirling motorun P-V diagram denklemleri ve model hesaplaması dayanmaktadır. Formülde Schmidt teorisine kullanılacak olan semboller Şekil 4’te gösterilmektedir. Denklemin bir kısmı aşağıdaki gibidir. 1 numaralı denklem genişleyen hacim denklemidir. denklem sıkışan hacim denklemidir. 2 numaralı 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara çizimleri yapılmıştır ancak Stirling motorunun VE VSE (1 cos x) VDE 2 VC VSE V (1 cos x) SC (1 cos(x dx) VDC 2 2 (2) (1) üretim safhasına geçilememiştir. 2.2 Parabolik Ayna Parabolik aynalar güneşten gelen ışınları bir noktada toplayarak odaklamaktadır. Işınların Toplam momental hacim- V bir sonraki 3 toplandığı bu noktaya aynanın odak noktası denmektedir. numaralı denklemde tanımlanmıştır. Güneş ışınlarını tek noktada toplamasında parabol olarak özel bir şekle sahiptir. Parabolik aynalara parabolik yansıtıcılar V VE VR VC Motor basıncı – P, (3) ortalama basınç - Pmean, minimum basınç - Pmin ve maksimum basınç Pmax aşağıdaki 4 numralı denklemler kullanılarak ya da parabolik çanak ta denilmektedir. Aynaya gelen güneş ışınları Şekil 5’te gösterildiği gibi bir noktada odaklanmıştır ve F noktası aynanın odak noktasıdır. bulunur. P Pmean 1 c2 P min(1 c) P max(1 c) 1 c.cos(x a) 1 c.cos(x a) 1 c.cos(x a) (4) Matematiksel modele göre, bazı varsayımlar yapılmalıdır. Bunlar; genişleme pistonu süpürme hacmi, sıkıştırma pistonu süpürme hacmi ve rejenerasyon hacmidir. Tasarım prosesinde, Şekil 5. Parabolik Aynanın Odak Noktası [5] piston ve silindirlerin teknik çizimleri yapılmıştır. Üretim için kullanılacak malzeme özellikleri Projede kullanılan aynanın çapı 65 cm, derinliği alüminyum profil no: 5686 seçilmiştir. Isı 3.5 cmdir ve 1.5 kg ağırlığındadır. Aynanın odak transferinin noktası 5 numaralı formülle bulunmaktadır. verimliliğinin sağlanılması için yapılan araştırmalara dayanarak silindir kalınlığı 3-4 mm seçilmiştir. Pistonların hareketi için piston ve silindirlerin arasındaki boşlukta 0.02mm seçilmiştir. Piston ve silindirlerin teknik f = odak noktası D = aynanın çapı c = aynanın derinliği f = ( D * D ) / ( 16 * c ) (5) 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Bu formüle göre parabolik aynanın odak noktası 75 cm dir. Parabolik aynanın birçok kullanım alanı vardır. En yaygın olan kullanım alanı güneş takip sistemlerinde güneş ışınlarını tek bir noktada odaklamada kullanılır. Bunun yanında diğer kullanım Örneğin, alanı arabaların otomotiv farlarında sektörüdür. ki aynalar parabolik aynalardır ve yansıtıcı olarak kullanılır. Günümüzde henüz ekonomik olmayan parabolik çanak sistemlerinin araştırma ve geliştirme çalışmaları sürdürülmektedir. Bu çalışmalarda amaç, birim alan maliyetini düşürmek ve verimini artırmaktır. Parabolik aynalarla ulaşılan maksimum sıcaklık 1500 C kadar çıkmaktadır. Projede yapılan ölçümler sonucunda ulaşılan sıcaklık Şekil 6’ da gösterildiği gibi 915 0C dir. 2.3 Güneş Takip Sistemi Takip sistemi Stirling motorlu çukur aynalı takip sistemin ana parçasıdır. Güneş takip sisteminin ana amacı güneş ışınlarını en verimli şekildi toplamaktır. Üç çeşit takip sistemi bulunmaktadır. Bunlar sabit eksenli, tek eksenli ve çift eksenli takip sistemleridir. MECE 407-408 araştırma projesinde çift eksenli güneş takip sistemi kullanılmaktadır. Sabit ve tek eksenli takip sistemleri kurulum için geniş ve düz alanlara ihtiyaç duyarlar. Çift eksenli güneş takip sistemi tek eksenli ve sabit eksenli takip sistemlerinden 36 % daha verimlidir. Çift eksenli takip sistemi x ve y eksenlerine sahiptir, bu yüzden istenilen her türlü alana kurulumu yapılabilir. Çift eksenli güneş takip sistemi Şekil 7’de gösterilmektedir. Güneş takip sistemi 2 ana kısımdan oluşmaktadır, bunlar elektronik ve mekanik kısımlardır. Bu kısımlar iki ana başlık altında anlatılacaktır. Mekanik Kısım: Mekanik kısım dönme hareketlerini sağlamakta ve sistemin ağırlığını taşımaktadır. Mekanik kısmın ayna ve Stirling motor olmadan uzunluğu 65 cm dir. Toplamda 6 kg yük kaldırabilmektedir, bu kapasite Stirling motor Şekil 6. Test Edilmiş Sıcaklık Değeri ve çukur aynayı taşımasına imkân sağlamaktadır. Mekanik kısım da 2 tane rulman, bir tane düz dişli ve bir tane de solucan dişli bulunmaktadır. Ayrıca, 2 tane redüktörlü DC motor içermektedir. Bu motorlar x ekseninde ve y ekseninde dönüşü sağlamaktadır. Mekanik kısım 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara plastik malzemeden üretilmiştir, bu sayede ağırlık olarak Arduino Mega kullanılmaktadır. Ayrıca, ve fiyat azalmıştır. elektronik devre bağlantıları Şekil.9’da gösterilmektedir. Şekil 8. LDR Pozisyonu Şekil 7. İki Eksenli Takip Sistemi Elektronik Kısım: Elektronik kısım kontrolcü, güç kaynağı ve ışık sensörlerinden oluşmaktadır. Elektronik kısmın ana amacı güneşi en verimli Şekil 9. Elektronik Devre Tablo 1. LDR Verileri şekilde takip etmektir. Güneş takibi için LDR LDR1 LDR2 LDR3 LDR4 yani ışık sensörü kullanılmaktadır, dört adet ışık sensörü birbirini görmeyecek şekildi IŞIKLI ORTAM yerleştirilmiştir. Bu yerleştirme sayesinde yüksek AZ IŞIKLI ORTAM verim elde edilmektedir. LDR1, LDR2, LDR3 ve KARANLIK ORTAM LDR4 den elde edilen veriler 852 894 830 865 481 502 440 454 366 380 320 335 Tablo.1’de gösterilmektedir. Işık sensörlerinin ne şekilde yerleştirildiği Şekil.8’de gösterilmektedir. Güç kaynağı olarak lipo pil seçilmiştir. Lipo pil 2250 mAh akıma ve 11.2 V voltaja sahiptir. Kontrolcü 3. SONUÇLAR Bu proje üç ana kısımda oluşmaktadır. Bu kısımlar; Stirlig motoru, güneş takip sistemi ve çukur aynadır. Bu çalışmada ilk olarak, stirling 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara motorunun çalışma prensibi hakkında bilgi TEŞEKKÜR verilmiş ve teknik özelliklerine değinilmiştir. Stirling motorunun prototipi teknik olarak Bu araştıma, MECE 407-408 Lisans Araştırma Projeleri I-II dersleri kapsamında çizilmiş ve montajı çizim programı olan Catia gerçekleştirilmiş ve programında yapılmıştır. Buna ek olarak Stirling tarafından desteklenmiştir (Proje No: LAP-A- çevriminin teorik analizine ve termodinamik 111201). analiz yöntemlerine yer verilmiştir. Bir diğer çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı Yrd. önemli parçası olan güneş takip sistemi iki Doç. Dr. Zuhal ERDEN’e teşekkür ederiz. Derslerin Atılım Üniversitesi yürütülmesine ve proje eksenli olarak tasarlanıp, güneş takibi için gerekli olan yazılım programı yazılmış ve LDR devre tasarımı yapılmıştır. Son olarak güneş ışınlarını KAYNAKÇA bir noktada toplayan çukur ayna temin edilerek [1]http://www.ohio.edu/mechanical/stirling/engin güneş takip sistemine montajı yapılıp, güneş takip es/gamma.html sistemi çalıştırılmıştır. Sonuç olarak, Stirling (Erişim: 12.12.2011 ) motorunun [2] üretimi yapılamadığından güneş Watanabe, H., Fujisawa, Y. (2000), enerjisinden elektrik enerjisi üretimi yapılamamış “Characteristics of Stirling Engine Regenerator”, fakat çukur ayna ile güneş enerjisinden yeterli ısı Naotsugu Isshiki-Tokyo Institute Technology elde edilmiştir. p.1248 [3] Gheith, R., Alouiand F. and Ben Nasrallah S., 4. GELECEKTEKİ ÇALIŞMALAR (2011), “Experimental Study of a Beta Stirling Gelecekte yapılacak çalışmalar arasında, stirling Thermal Machine Type Functioning in Receiver motor üretimi yapılacaktır ve güneş takip and Engine Modes ”, Journal of Applied Fluid sistemininin üzerinde bulunan çukur aynanın Mechanics, Vol. 4, No. 2, Issue 1, pp. 33-42 odak noktasına gelecek şekilde monte edilip ısı [4] Hirata, K., “Chmidt Theory for Stirling enerjisinden haraket enerjisi elde edilecektir. İki Engine”, 1997 eksende hareket edebilen güneş takip sistemi rüzgardan ve doğal olaylardan etkilenmemesi için sistemin esnekliğinin azaltılması mukavemetinin arttırılması gerekmektedir. ve [5] www.wikipedia.org/wiki/Parabolic_reflector (Erişim: 04.04.2012 ) 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara İNSANSI ROBOT YÜZ Engin KARADAĞ, karadag.engin@student. atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Çağatay SABUNCUOĞLU, sabuncuoglu.cagatay@student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Fuad ALİEW, faliew@atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara ÖZET ABSTRACT Gün geçtikçe robotlar toplumda önemli rol Day by day, robots play an important role in üstlenmektedirler. Bu robotlar biz insanların society. The robots are designed to make human’s yaptıkları işleri daha kolay ve konforlu hale jobs easier and more comfortable. Humanoid face getirmek için tasarlanmaktadır. İnsansı robot yüz robot is a kind of robot which are used for de eğitim, eğlence veya bilgi verme alanlarında education, kullanılan bir robot türüdür. Bu amaca yönelik Toward this goal, the humanoid face robot design olarak, Atılım is done within the Atılım University, Department Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü of Mechatronics Engineering. The humanoid face bünyesinde yapılmaktadır. Bu çalışmada insansı robot supports sense of features that are speech, robot yüz, konuşma, burun (koku algılama) işitme nose (smell detection), hearing and vision. The ve görme duygusu özellikleri destekler. Konuşma speech system carries out jaw movement with sistemi aynı zamanda sese uygun çene hareketini respect gerçekleştirmektedir. robot automatically run on the robot. This article üzerinde otomatik olarak çalışır. Bu makale giriş, involves introduction, literature survey, design of kaynak taraması, insansı robot yüz tasarımı ve the humanoid face robot and conclusion parts. insansı robot yüz Bu tasarımı özellikler, sonuç bölümlerinden oluşmaktadır. ANAHTAR KELİMELER: İnsansı robot yüzü, Konuşma, Burun (koku algılama), Duyma, Görme entertainment to sound. and These informational. features will KEYWORDS Humanoid robot face, Speech, Nose (Smelling detection), Hearing, Sighting 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Kaynak 1. GİRİŞ Bu projenin amacı insansı yüz ifadeleri ile birlikte eğitim, eğlence veya bilgi veren robot yüz tasarımı ve üretimidir. Bu robotun genel özelliklerinden biri konuşarak bilgi aktarımı sağlamaktır. Konuşma özelliğini yaparken, yüz taraması bölümünde daha detaylı anlatılmıştır. Kaynak taramasından sonra robotun tasarımına geçilmiştir. Robotun tasarımı mekanik ve elektronik bölümlerden oluşmaktadır. İnsansı robot yüz tasarımı bölümünde detaylı olarak anlatılmıştır. çene ve göz hareketleri ile birlikte insansı ifadeleri iletmektedir. Diğer insansı özelliği ise duyma özelliğidir. İnsansı robot yüz çevresindeki sesleri algılamak ve bu sesleri işleyerek gereken tepkileri verme özelliğine sahiptir. Diğer bir önemli insansı duyu olan koku alma özelliği de robot da sağlanmaktadır. Robot çeşitli kokuları algılayabilmekte ve bu kokuları sınıflandırabilmektedir. Örneğin, zararlı gazlarla zararsız kokuları ayırt edebilir. Bu özellik güvenlik için de kullanılabilir. Ayrıca robot görme özelliğine sayesinde de sahiptir. çevresindeki Bu görsel özelliği objeleri tanıyabilmektedir. Yüz tanıma sistemi ile birlikte güvenlik açısından da önemli bir rol oynamaktadır. Genel olarak insansı robot yüz gözleri, burnu ve kulakları yardımı ile çevresini algılayabilmekte ve insansı çene hareketleri ve ses yardımı ile bunlara tepki verebilmektedir. Projenin bu seneki amacı koku duyusunu ve çene hareketine bağlı konuşma özelliğini yapabilmektir. Bu proje ile ilgili birçok araştırma yapılmaktadır. Bu araştırmalar ile ilgili geniş kapsamlı kaynak taraması yapılmıştır ve bizim projemize uygun yönleri seçilmiştir. Bazı projeler detaylı olarak incelenip eksikleri giderilmiştir. 2. KAYNAK TARAMASI Projenin ilk adımı kaynak taramasıdır. Bizim projemizin gereksinimleri doğrultusunda geniş kapsamlı kaynak taraması yapılmıştır. Kaynak araştırmasındaki ana konularımız konuşmaya bağlı olarak yapılan çene hareketi, ses tanıma, koku algılama ve obje ve yüz tanımadır. Bu konulara ulaşmak için bazı anahtar kelimeler kullanılmıştır. Bunlar insansı robot yüz, konuşma, koklama, duyma ve görmedir. Bu konular hakkında daha incelenmiştir. önce Bu yapılan projelere projeler bağlı olarak taksonomi matris yöntemi kullanılarak bize en yararlı bilgilere ulaşılmıştır. Kaynak taraması sırasında en çok göze çarpan uygulamalar, KISMET [1], MDS [2] ve Scarry-Terry [3] uygulamalarıdır. Kısmet robot için çene hareketinde EAP yapay kas sistemi kullanılmış. MIT tarafından gerçekleştirilen MDS robotta ise servo motorlar çene hareketini gerçekleştirmektedir. Scarry-Terry robotta ise servo motor ve buna ek olarak ses-servo devresi kullanılmıştır. Tüm bu araştırmalara göre en avantajlı sistem eksikleri giderilerek seçilmiştir. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Bizim projemizdeki üstünlük sadece çene kontrolü değil bunun dışında duyma, işitme ve görme özelliklerini de sistemde barındırmaktadır. 3. İNSANSI ROBOT YÜZÜN TASARIMI Bu bölümde insansı robot yüzün genel tasarımına yer verilmektedir. Bu tasarımdan önce gerekli kaynak araştırması yapıldı ve bu kaynaklardan elde edilen bilgilere göre tasarım yapıldı. Sistem iki bölümden oluşmaktadır. Bunlar mekanik tasarım ve elektronik tasarımdır. Robotun çene hareket sistem mekanik bölümde incelenmiştir. Şekil 1. İnsansı Robot Yüz Konuşma ve koku alma sistemi elektronik bölümde incelenmiştir. Çenenin hareketli olabilmesi için maskeden çene bölümü kesilerek alınmıştır ve daha önce 3.1 Mekanik Tasarım bahsettiğimiz gibi servo motora bağlanmıştır İnsansı robot yüzün çene hareket sistemi bu (Şekil 2). Servo ile çene arasındaki bağlantıyı bölümde hareket kurabilmek için alüminyum bar tasarlanmıştır. Bu mekanizması dönme hareketini sağlayan servo bar alüminyum plakadan kesilerek ve belirli motor ve bu hareketi yüzden ayrı olan çene yerlerine servo bağlantısı yapılabilmesi için vida parçası ile delikleri delinerek üretilmiştir. Delikler açıldıktan sağlanmıştır. Servolara sese uygun hareketi sonra çene ile bağlanacak ucu 90 derecelik açı ile sağlaması için Arduino işlemcisi kullanılmıştır. bükülmüştür. Bu devre elektronik tasarım bölümünde detaylı üretilmiş kasa bulunmaktadır. Servo motor ve olarak anlatılacaktır. kafa bu kasaya bağlanmıştır. Tüm sistem bu Yüzün genel yapısında hazır oyuncak maskeler kasaya kullanılmıştır. Şekil 1’de robot yüzün genel seçilmesinin nedeni kolay bükülebilir ve kolay görünümü verilmiştir. işlene bilir bir madde olmasıdır. incelenmiştir. ile bağlayan Çene bağlantı aparatı Sistemde bağlıdır. gene Sistemde alüminyumdan alüminyum 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Yüz mekanizmasında kullanılan parçalar Tablo 1’de gösterilmiştir. Tablo 1. Yüz Mekanizması Parçaları Parça Şekil 2. Servo-Çene Mekanizması Ayrıca sistemde kafanın sağa ve sola dönebilmesi Adet Oyuncak Maske 1 Çene 1 Servo 2 Alüminyum bar 1 Alüminyum kasa 1 için ikinci bir servo kullanılmıştır. Bu servo ile alt şase ve kafa arasında bağlantı kurularak dönmesi sağlanmıştır. Şekil 3’de bu bağlantı gösterilmiştir. 3.2 Elektronik Tasarım İnsansı robot yüzün elektronik tasarımı bu bölümde incelenmiştir. Elektronik tasarım iki bölümde incelenmiştir. İlk olarak çene mekanizmasının sese uygun hareket etmesini sağlayan Arduino işlemcisi ve buna bağlı sistemi inceleyeceğiz. Arduino ve içindeki yazılım sayesinde ses sinyallerini servoya açısal veri olarak çevirmektedir. Bu yazılım ile birlikte Arduino ses kaynağından gelen sinyalleri analiz eder ve servoya açısal değer olarak aktarır. Ses kaynağı ve Arduino arasındaki bağlantı Şekil 4’de gösterilmiştir. Şekilde de görüldüğü gibi ses sinyallerimiz Arduino’nun analog girişleri olan A0, A1, A2, A3,A4, A5 bacaklarından A0’a Şekil 3. Alt Servo Sistemi bağlanmıştır. Servo Digital (PWM) bacaklarından 9. Bacağa bağlanarak PWM sinyali alınmıştır. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara İstenilen açı değerlerini servoya aktarabilmek için olarak C/C++ kullanılmaktadır. Programın genel bu PWM girişleri kullanılmalıdır. görünüşü Şekil 5’de gösterilmiştir. Şekil 4. Arduino Ses Devresi Ses sinyalleri bilgisayar üzerinden alınmaktadır. Şekil 5. Arduino AraYüz Programı TTS5 konuşma programı ile yazılan metni okuma sağlanmıştır. Çıkan ses sinyalleri iki kanala ayrılarak biri ses-servo devresine diğeri ise İkinci hoparlöre aktarılmıştır. inceleyeceğiz. Bu sistemde çeşitli gaz sensörleri Gelen ses sinyallerini servo için anlamlı bir açısal değere çevirmesi için, gelen sinyaller belirli bir çarpan ile çarpılarak yükseltilmiştir. olarak koku tanıma MQ4 (Şekil 6), MQ7 (Şekil 7) ve işlemci olarak yine ARDUINO UNO (Şekil 8) kullanılmıştır. Fakat Arduino analog değerleri 0 ile 1023 arasında okumaktadır. Ses sinyalinden aldığımız analog değer map fonksiyonu ile sınırlandırılarak Servo’nun dönüş aralığına indirgenir. Okunan bu değerleri 0 ile 50 derece arasındaki bir açışal değere çevirir. Arduino işlemcimize yazılım atmak için kod editörü ve derleyici olarak görev yapan Arduino IDE kullanılmıştır. Yazılım dili sistemini Şekil 6. MQ4 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara sensörüdür. Havadaki Karbon monoksit (CO) gazi algılamak için kullanılan kullanımı kolay bir sensördür. MQ-7 20 ila 2000ppm aralığında her yerde CO konsantrasyonunu ayırmaktadır. Bu sensörlerin Arduino ile bağlantısı için devre kullanılmıştır. Bu devre sensörün ölçtüğü değerleri analog değerlere çevirmektedir. Sensör devre üzerinde bulunan Out bacağından Arduino’nun analog girişine bağlanmıştır. Bu sayede Arduino sensörden gelen analog değerleri okuyabilmektedir ve okuduğu bu değerler ile ortamda gaz olup olmadığını test edebilmektedir. Bu devre Şekil 9’da gösterilmiştir. Şekil 7. MQ7 Şekil 9. Gaz Sensör Devresi Bu sistemde MQ4 ve MQ7 sensörleri aynı anda kullanılmıştır. Şekil 8. Arduino Uno Sistem bu sensörlerin kombinasyonları ile çalışmaktadır. Belirli gaz seviyelerinin üzerine çıkıldığı zaman sensörlerimizden analog alınan veriler Arduino MQ4 metan gazı sensörüdür. Bu basit birsıkıştırılmış doğalgaz(CNG) sensörü, doğal gaz algılama için uygun (çoğunlukla Metan [CH4]) havadaki konsantrasyonları algılar. MQ-4 200 ila 10000ppm için doğal gaz konsantrasyonları algılayabilir. MQ7 ise karbon monoksit gaz üzerinden yazılım yardımı ile işlenerek konuşma sistemine aktarılmaktadır. Buda bize ortamdaki gazın cinsi vermektedir. ve seviyesi hakkında bilgi 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara İnsansı robot yüzün elektronik parçaları Tablo daha gerçekçi şekilde, ağız, göz, ifadeleriyle 2’de gösterilmiştir. destekleyerek yapmaktır. Koku alma sisteminde de şu an için sadece zararlı gazları ayırt etmektedir. Tablo 2. Elektronik Parça Listesi Parça Gelecek çalışma olarak bütün kokuları tanıyabilmelidir. Örneğin parfüm yada farklı kokuları sınıflandırmalıdır. Projeye ek Adet olarak görme ve ses algılama sistemleri SERVO 1 ARDUINO UNO 1 objeleri ayırt edecektir. Ses algılamada ise LI-PO 7,4 V 1 insanların MQ4 GAZ SENSÖR 1 MQ7 GAZ SENSÖR 1 USB KABLO 1 SES KABLOSU 1 PC 1 ulaşmıştır ve gelecek çalışmalar için önemli bir HOPERLÖR 1 adımdır. KULAKLIK JAKI 1 DİRENÇ 1 KONDANSATÖR 1 eklenecektir. Görme sisteminde insanları ve söyledikleri bir yüzün İnsansı Robot Yüz projesi bu seneki hedefine TEŞEKKÜR Bu araştırma, MECE 407-408 Lisans Araştırma Proje bu seneki hedefine ulaşmıştır. Robot bir insan gibi konuşması ile birlikte çene hareketini senkronize bir biçimde sağlamaktadır. Koku alma otonom şeyi Projeleri I-II dersleri kapsamında yürütülen 4. SONUÇLAR VE GELECEK HEDEFLER sistemle her Sonuç olarak, MECE 407-408 Lisans Araştırma şekilde çalışabilmektedir. İnsansı robot yüz projenin gelecek çalışması gerçek bir insan yüzüne en yakın sistemi yapmaktır. Örneğin yüz ifadelerini, dersleri I-II gerçekleştirilmiş bu yapabileceği yapabilmelidir. Projeleri de cevap verebilmelidir. Sonuç olarak insansı robot yüz gerçek özelliği komutlara ve Atılım kapsamında Üniversitesi tarafından desteklenmiştir (Proje No: LAP-A111201). Derslerin yürütülmesine ve proje çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı bölüm asistanlarımız Cahit Gürel ve Emre Güner’e teşekkür ederiz. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara KAYNAKÇA [1] Cynthia Breazeal ve Brian Scassellati., (2002), “A context-dependent attention system for a social robot”, https://svn.jde.gsyc.es/robotvision/trunk/pape rs/breazeal-context_dependent_attentionijcai99.pdf [2] Cynthia Breazeal, Michael Siegel, Matt Berlin, Jesse Dexterous, Gray., Social (2008), Robots for “Mobile, Mobile Manipulation and Human-Robot Interaction”, http://www.mattosbond.com/ftp/backup/work /resources/other/(%20Disc%201%20)%20Pa pers%20And%20Classes/content/newtechde mos/2482-abstract.pdf [3] Vern Graner, (2008), “The Talking Skull Kit”, http://www.notepad.org/articles/SkullKitSept-2008-N&V.pdf 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara MANİPÜLATÖRLER İLE DONATILMIŞ DÖRT ROTORLU UÇAN ROBOT Hakkı Burak BOZKIR, bozkir.hburak@ student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Alper ERTÜRK, erturk.alper@ student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Kutluk Bilge ARIKAN, kbarikan@atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara ÖZET ABSTRACT Bu makalede, döner kanatları ile dikey olarak In this article, a VTOL (vertical take-off and havalanabilen, yönelim ve seyir denetimini landing) type UAV (unmanned air vehicle) novel sağlayabilecek eyleyici konfigürasyonuna sahip, flying robotic platform, having an attitude dört rotorlu uçan robotun yapısal tasarımı, stabilization and orientation has been presented. matematiksel olarak modellenmesi ve yönelim The structural design process of novel quad-rotor, denetimcisi Ayrıca, mathematical model and also designing of a robot controller processes are given. Furthermore, manipülatör studying on the integration of two robot alternatiflerinin (Delta Robot ve 2 serbestlik manipulator alternatives to the system which are derecesine sahip robot kol) sisteme entegrasyonu Delta Robot and 2 DOF robot arm, has been çalışmaları sunulmaktadır. Uçan robotun dinamik presented. Dynamical model of the system is modeli Newton-Euler denklemleri ile elde edilmiş obtained by using Newton-Euler formulations. olup, The tasarımı sunulmaktadır. alışılagelmişin dışında çerçevesinde, iki bir uçan farklı sistemin yönelim Matlab/Simulink ortamında denetimi için system is developed in ve Matlab/Simulink and real time implementation is Simulink Real Time Windows Target kullanılarak achieved by using Simulink Real Time Windows gerçek zamanlı uygulaması yapılmıştır. Sistemin Target utility. Lineer Quadratic Regulator is Karesel designed for the stabilization of the attitude yönelim denetimi için geliştirilmiş control Doğrusal Düzenleyici (LQR) tasarlanmıştır. dynamics. ANAHTAR KELİMELER: KEYWORDS Sıra dışı uçan robotlar, Dikey iniş kalkış, Robot Novel Flying platforms, VTOL, 2 DOF Robot kol, Delta Robot, Gerçek zamanlı denetim, LQR. Arm, Delta Robot, Real Time Control, LQR. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara araştırılması, 1. GİRİŞ Teknolojinin ilerlemesiyle birlikte ortaya çıkan gelişmiş insansız hava araçlarının günümüzde sağladığı faydalar gittikçe önem kazanmaktadır. Bu araçların kullanıldığı birçok uygulama alanı bulunmaktadır. Bunların kullanıldığı başlıca yerler; askeri uygulamalar (gözlem, keşif, sınır güvenliği vb), arama kurtarma operasyonları (yangın, deprem, sel vb), trafik kontrolü, kaçakçılığı izleme, zirai alanlar vb. Tüm bu farklı alanların ihtiyaçlarına cevap verebilecek bu sistemlerde, ilgili alanların gereksinimlerine uygun benzersiz tasarım özellikleri aranmaktadır. İnsansız hava araçları alanında, uzun menzilli uçaklar ve havada asılı kalan helikopterler yapılan araştırmalarda yer alan platformların başında gelmektedir. Bu platformlar, kendi aralarında sahip oldukları kanat tipi, rotor sayısı ve fiziksel görünüşlerine göre adlandırılmaktadır. Günümüzde dört rotorlu dikey iniş ve kalkış kabiliyetine sahip uçan platformlar standart hale gelmişlerdir. Fakat bu platformlara ek olarak başka bir sistem ile bütünleştirilmesi alışıla gelmişin dışında bir platform olmasını sağlamaktadır [1]. Bu konu birçok araştırmacı tarafından ilgi çeken sıra dışı uçan sistemler olmuştur. Farklı amaçlar için kullanılan bu sistemlerin aynı robot üzerinde birleştirilmesi, optimal çözümlere ulaşmak adına önem taşımaktadır. Bu bağlamda Atılım Üniversitesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Uçan Robotlar Laboratuvarında (URL), sıra dışı uçan robotların yapısal tasarımı, geliştirilmesi, imalatı, dinamik modellenmesi ve kontrolü konularındaki çalışmalar sürdürülmektedir. Araştırma ekseninde, literatürde var olan pek çok sıra dışı benzer sistemler incelenmiştir [2, 3]. Alışılagelmiş robot çalışmalarının ana ekseninde öncelikle dört rotorlu dikey iniş ve kalkış kabiliyetine sahip uçan platformun yapısal tasarımı yapılmıştır. Bununla eş zamanlı olarak sistemle bütünleştirilecek manipülatör çalışmaları da olan robotik yapılmıştır. Bu kısımda 2 farklı alternatif olan Delta robot ve 2 serbestlik derecesine sahip robot kol tasarımı ileri-geri kinematik denklemler kullanılarak yapılmıştır. Sistemlerin entegrasyonundan önce uçan platformun dinamik modellenmesi yapılıp yönelim denetleyicisi tasarlanmıştır. çalışmada LQR denetleyici tabanlı Bu sisteme uygulanmıştır. Sistemin yönelim denetimi için, gerçek zamanlı uygulama testleri yapılmış, gözlenmiş ve geliştirilmiştir. Bu makale şu şekilde düzenlenmiştir: II. bölümde dört rotorlu uçan sistemin yapısal tasarımı kısaca anlatılmış. III. bölümde robotik manipülatörlerin tasarımı kısaca anlatılmıştır. IV. Bölümde dört rotorlu uçan sistemin dinamik modeli NewtonEuler yöntemiyle elde edilmiştir. V. Bölümde LQR tabanlı durum değişkeni geri beslemeli denetleyici tasarımı ve denetleyicinin performansı benzetim ortamında ölçülmektedir. VI. Bölümde ise sonuç ve gelecek çalışmalar yer almaktadır. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara sabitlenmiş ve çözüm sonuçları birbirlerine 2. YAPISAL TASARIM Sistem tasarımına başlarken, Uçan Robotlar Laboratuarında mevcut olan Himax 2025-4200 yaklaşana kadar ağ boyutları küçültülüp benzetim tekrarlanmış olup gösterilmiştir (Şekil 1). 6.6:1 dişli oranına sahip fırçasız motorlar, E-Max 30 elektronik hız kontrol üniteleri ve 12x4.5 Draganfly pervaneleri temel alınmıştır. İlk olarak Drive Calculator istatiksel benzetim programı kullanılarak üretilebilecek var olan motor maksimum üniteleri itme için kuvvetleri hesaplanmıştır. Alınan toplam kuvvetin %60’ı sistemin ağırlığı ve yük kapasitesi için ayrılmıştır. Şekil 1. Solidworks® Frekans Analiz Sonucu Geriye kalan %40’lık kısım sistemin yönelim denetimi ve stabilizasyonu için kullanılmıştır. Buna göre sistemin toplam ağırlığı ortalama olarak 2kg civarında olması beklenmiştir. Sistem, havada asılı olduğu durumdaki motorların dönüş hızları 193.73rad/s ile 644rad/s arasında olduğu hesaplanmıştır. Tablo 1 de, Solidworks® Tasarım aşamasında bazı kısıtlamalar dikkate alınmıştır [4]. Ağırlık kısıtlamaları, uzunluk kısıtlamaları(Maksimum çap=1m, rotorlar arası uzaklık=60cm), malzeme seçimi, titreşim azaltıcı programında yapılan analizin sonuçları verilmiştir. Buradaki maksimum görülen frekans, motorların dönüş frekansından yeterli ölçüde uzak olduğu görülmektedir. çalışmalar ve sistemin yapısal güvenilirliği bunlardan bazılarıdır. Bu sınırlamalar göz önünde Tablo 1. Frekans Analiz Sonuçları bulundurularak, sistem tasarımı yapılan analizler sonucunda iyileştirilmiştir. 2.1 Titreşim Analizi Titreşim analizlerinde, sistemin sahip olduğu rezonans frekans aralığının, uçan sistemin havada asılı kalması sırasında motorlardan gelen titreşim aralığından olabildiğince uzağında olması Mod Rezonans Rezonans Numarası frekansı(rad/sec) frekansı(Hz) 1 922.49 146.82 2 1403.41 223.36 3 1416.41 225.43 4 1437.46 228.78 5 1602.02 254.97 gerekmektedir. Bu sebeple sistem, motorların olduğu bölgelerden benzetim programında 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara 2.2 Statik Analiz Sistemin uçuş ve test aşamalarında, motorlar tarafından üretilen itme kuvvetine karşı sistemin yapısal bütünlüğünü koruyup korumadığının gözlemlenmesi ve sistemin esneme miktarlarının tespit edilmesi gerekmektedir. Bu sebepten ötürü, Şekil 3. Sistemin 3 Boyutlu Katı Modeli ve motor tutuculardan, motorların teorik olarak Fiziksel Hali üretebileceği maksimum kuvvet uygulanarak sistemin statik analizi yapılmıştır (Şekil 2). 3. MANİPÜLATOR TASARIMLARI Bu bölümde Delta Robot ve 2 serbestlik derecesine sahip bulunmaktadır. robot Buradaki kol tasarımları amaç, tasarlanan manipülatörlerin uçan sisteme bütünleştirilmesi göz önünde bulundurularak sıra dışı bir sistem elde etmektir. Alışılagelmişin dışında olan bu sistemin kullanılma nedenleri şunlardır: Şekil 2. Solidworks® Statik Analiz Sonucu *Sistemin çalışma esnasında, ağırlık merkezinin yerinin manipülatör yardımıyla değiştirilerek, uçan platformun yönlendirilmesi, Statik analiz simülasyonu üzerindeki maksimum maksimum kaydırım sonucu basınç 1.4mm sistem 13.8MPa, bulunmuştur. Yapılan analizler sonucunda, sistem üzerinde *Entegre edilen sistemin hızlı tepkiler vermesiyle oluşan etkilerin, uçan sistemin stabilizasyonuna yardımcı olması, meydana gelen basınçlara ve yüzey gerilimlerine *Sistemin kontrolcüsünü test etmek amacıyla, dayanabilen dışarıdan malzeme olarak Aliminyum manipülatör sayesinde sisteme seçilmiştir. Tüm analizler sonucunda, sistemin bildiğimiz bir rahatsızlık vermek, yapısal *Sistemin eğilip yerdeki bir objeyi dürtmek, tutup tasarımı iyileştirilmiş olup üretime başlanmıştır. Şekil 3 de sistemin 3 boyutlu katı çekmek model ve fiziksel model gösterilmiştir. kullanmak. ve taşımak için bir manipülatör 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara 3.1 Delta Robot Delta Robot 3 eksende hareket kabiliyeti olan 30 paralel manipülatördür. Bu sistemin en önemli avantajı çok hızlı çalışması ve tepki vermesidir. Bu yüzden manipülatör uçan sistemimize olduğundan uygun , (1) √ , √ 0, √ , (2) bir modellenip 3 tasarlanmıştır. Delta Robotun ters kinematik modeli Şekil 4 baz alınarak çıkarılmıştır. 0, √ ,0 (4) √ (5) √ J 0, yJ , zJ tan Şekil 4. Delta Robotun Eklem Yerleri [5] Şekil 6 da, (6) 1 bulunduktan sonra, sistemi XY düzleminde Z eksenine dik olarak 120 derece saat Ters kinematikte, verilen x,y,z koordinatlarına yönünün tersinden döndürülmesiyle göre motorların gideceği açılar hesaplanmıştır. hesaplanmıştır. 2 ve Şekil 5 de geometrik ilişkiler kullanılmıştır. Şekil 5. Delta Robotun Geometrik Pozisyonu [5] Şekil 6. Deltanın XY Düzlemindeki Hareketi [5] 3 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Kinematik denklemler sonucunda katı modelleme programı kullanılarak Delta robotun simülasyonu yapılmıştır. Sistem üretilip, servo motorlarla cos Ѳ cos Ѳ Ѳ (7) sin Ѳ sin Ѳ Ѳ (8) sürülerek laboratuarımızda test edilip doğruluğu Şekil 10 da, tasarlanan 2 serbestlik derecesine görülmüştür. Şekil 7 de, robotun katı modeli ve sahip robot gösterilmiştir. fiziksel hali, Şekil 8 de, uçan sisteme entegre edilmiş hali gösterilmiştir. Şekil 10. Robot Kolun Fiziksel Hali Şekil 7. Delta Robotun Katı modeli ve gerçek hali 4. DİNAMİK MODELLEME Sistem modellenmesinde gerekli basitleştirmeleri yapabilmek için bazı varsayımlara gidilmesi öngörülmüştür. Bunlar; *Sistemin fiziksel karakteristiğinin katı kabul edilmesi, Şekil 8. Delta Robotun Uçan Sisteme Entegresi *Sistemin tamamen simetrik olması sonucu eylemsizlik matrisinin köşegen kabul edilmesi, 3.2 Robot Kol *Döner kanatların ürettiği kuvvetlerin, kanatların dönüş hızlarının karesiyle doğru orantılı kabul Şekil 9 da, 2 serbestlik derecesine sahip robot edilmesi sonucu yapılan yaklaşımın aerodinamik kolun ileri kinematik denklemleri çıkarılmıştır. davranışa yakın olması, *Havada asılı kalma durumu Şekil 11 deki serbest cisim diagramında, sistemin genel durumu görülebilir, “b” gövde için “e” ise yerin referans kullanılmıştır [6]. Şekil 9. Robot Kolun XY Eksenindeki Durumu eksenlerini belirtmek için 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Şekil 11. Genel Durum Şekil 12. İtme Kuvveti ile Çalışma Rejimi İlişkisi Sistemin yönelim dinamiği için kullanılacak F1=(36.04*rejim1-1104 /1000)*9.81 (17) genel durum vektörü; F2=(35.48*rejim2-1055 /1000)*9.81 (18) F3=(34.67*rejim3-1044 /1000)*9.81 (19) F4=(32.44*rejim4-961.4 /1000)*9.81 (20) Mx=(F3-F1)*L/2 (21) My=(F4-F2)*L/2 (22) Mz=(M2+M4)-(M1+M3) (23) (9) Bunların zamana göre değişimlerini veren denklemler; (10) (11) 1 0 0 . cos . . L=0.3m 4.1 Denklemlerin Doğrusallaştırılması Dinamik denklemler sistemin havada asılı kalma (12) . durumu baz alınarak, jacobianlar kullanılarak doğrusallaştırılma yöntemi izlenmiştir [6]. (13) (14) (15) I= 0.05146 0 0 0 0.05146 0 0 0 0.09420 itki testinden elde edilen motor modelleri ile (24) Verilen n genel durum denklemi, y= f(x), ve n genel durum değişkeni x1,…,xn, kullanılarak Jacobian (16) Sistem üzerinde oluşan kuvvetler ve momentler bulunmuştur (Şekil 12). 000000 matrisi aşağıda gösterildiği gibi hesaplanır; 1 1 1 2 2 2 1 2 … … (25) 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Girdi matrisi, B, dört motorun çalışma rejimlerinden oluşan girdi vektörü , u, ve jacobian = Ax + Bu (28) y= Cx +Du (29) x(0)=x0 (30) metodu kullanılarak doğrusallaştırıldı. (26) x=Sistemin durum değişkeni, u=Sisteme uygulanan girdi(Çalışma rejimi(%)), GX-2 ataletsel ölçüm algılayıcısı kullanılarak sistemin üç eksenindeki açılar ve açılar hızları ölçülebilmekte olduğu için C matrisi 6x6 özdeşlik A=Sistem matrisi, B=Girdi matrisi, C=Çıktı matrisi, D=Doğrudan geçiş matrisi. matrisi haline gelir. Düz geçiş matrisi D ise, LQR sistemin girdi ve çıktıları arasında doğrudan bir arttırmak ve ideal bir kontrol sağlamak için bağlantı olmadığı için sıfır alınır. Böylece çıkış minimizasyon fonksiyonu hesaplar. matrisi kontrolcüsü sistemin performansını J= (31) Bu optimizasyon problemini çözerek K kazancını (27) hesaplar. Bu problemi çözerken iki kriter arasında denge sağlamaya çalışır. Bunlar, regülasyonun hızının ve kontrolcü girişinin (dolayısıyla harcanan enerjinin) önemini belirleyen Q ve R kriterleridir, 5. DENETLEYİCİ TASARIMI Dört rotorlu uçan sistemlerin kontrolü için kontrolcüyü Q Sistemin kontrolü için değişken geri beslemeli değişkenlerinin Doğrusal matriste Düzenleyici tasarımı kişi tarafından ayarlanır. literatürde bir çok alternatif vardır [6, 7, 8]. Karesel tasarlayan matrisi sistemin sahip olduğu karakteristiğini durum durum belirler. değişkenlerinin Bu önceliği yapılmıştır. Bu kontrolcünün kullanılma nedeni, belirlenir. Eğer Q matrisi değerleri artarsa sistem sisteme uygulanması kolay ve ideal sonuçlar daha çabuk tepki verir. verebilmesidir. Ayrıca birden fazla girişi ve çıkışı R olan sistemlerde dirençli bir düzenleyicidir. performans matrisidir. Eğer bu değerler artarsa Sistem zamanla değişmeyen bir sistem olarak göz kontrolcü sinyalinin önemi azalır, böylece sistem önüne alındığında, durum değişkeni şu şekilde daha az enerji harcar fakat kontrol hızı düşmüş olur; olur. matrisi sistemin kontrolcü girdilerinin 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Şekil 13 de, Matlab/Simulink ortamında gerçek zamanlı denetleyici tasarımı verilmiştir. Şekil 15. Yuvarlanma Açısının Kontrolü Şekil 13. Gerçek Zamanlı Denetleyici Tasarımı Şekil 16. Yunuslama Açışının Kontrolü Sistemin denetleyici kontrolü altında genel çalışma prensibi Şekil 14 deki gibidir. 6. SONUÇ VE GELECEK ÇALIŞMALAR Bu bildiride dört rotorlu insansız hava aracının tasarımı, dinamik modellenmesi, kontrolü ve manipülatör tasarımı ile ilgili yapılan çalışmalar anlatılmıştır. Sistemin dinamik modeli NewtonEuler yöntemiyle elde edilmiş olup denetleyici tasarımı yapılıp, Matlab/Simulink Şekil 14. Sistemin Genel Çalışma Prensibi benzetim yazılımında test çalışmaları edilmiştir. Gerçek Zamanlı Windows Hedefi kullanılarak, LQR tabanlı denetleyicinin sistemin pozisyon referanslarını başarılı bir şekilde yakaladığı test o Sistem yuvarlanma açısında -5 , yunuslama o edilmiştir. Tasarlanan ve üretilen manipülatörler açısında +5 başlangıç koşuluna sahip olduğu sistem üzerine entegre edilmeden önce tek andaki kontrolcü simülasyon çıktıları Şekil 15 ve başlarına Şekil 16 da gösterilmiştir. çalışmalarda başarıyla üretilen sürülmüştür. Delta Gelecek Robotun uçan 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara sistemle bütünleşmesi hedeflenmiş olup, sıra dışı [3] W.Beyer, E., (2009), “ Design, Testing, and hale gelen yeni sistemin dinamik modellenmesi Performance of a Hybrid Micro Vehicle- ve The Hopping Rotochute” denetleyici tasarımı yapılacak ve gözlenecektir. Ayrıca uçan sisteme bir CMUcam2 http://smartech.gatech.edu/jspui/bitstream/18 kamerası takılıp yerde seyir halinde olan bir kara 53/29661/1/beyer_eric_w_200908_phd.pdf aracını takip etmesi hedeflenmiştir. (Erişim: 13.12.2011) [4] Pounds,P., (2011), “5.Case Study: Large TEŞEKKÜRLER Quadrotor MAV Design” Bu araştıma, MECE 407-408 Lisans Araştırma http://www.eng.yale.edu/pep5/nasa_ct_space Projeleri kapsamında _grant_workshop/5_Special_topic__Large_q Üniversitesi uadrotor_MAV_design.pdf I-II dersleri gerçekleştirilmiş ve Atılım tarafından desteklenmiştir (Proje No: LAP-A111201). Derslerin yürütülmesine ve proje (Erişim: 17.11.2011) [5] Zavatsky, M., (2009) “Delta Robot çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı Yrd. Kinematics”, Doç. Dr. Zuhal Erden’e, Ahmed Aksal’a, Anıl http://forums.trossenrobotics.com/tutorials/int Güçlü’ye, Mehmet Çakmak'a, Mehmet Aday’a roduction-129/delta-robot-kinematics-3276/ ve Meral Aday’a teşekkür ederiz. (Erişim: 16.12.2011) [6] Kıvrak, Ö., A., (2006), ControlSystems for “ Design of a Quadrotor Flight KAYNAKÇA Vehilce Equipped with inertial sensors”, Y. [1] Mellinger, D., Shomin, M. ve Kumar,V., Lisans Tezi, Atılım Üniversitesi, Mekatronik (2010), “Control of Quadrotors for Robust Perching and Landing”, International Mühendisliği Bölümü (Erişim: 23.02.2010) [7] Domingues, J. M. B., (2009),"Quadrotor Powered Lift Conference, October 5-7, 2010, Prototype", Philadelphia, PA (Erişim: 12.11.2011) https://dspace.ist.utl.pt/bitstream/2295/5740 [2] Keemink, A., (2011), “Conceptual Investigations on a Manipulator System for Inspection UAVs” https://www.ce.utwente.nl/aigaion/publicatio ns/show/2008 (Erişim: 13.11.2011) 42/1/Tese_de_Mestrado.pdf (Erişim: 25.11.2011) [8] Bouabdallah, S., (2010), "Design And Control Of Quadrotors With Application To Autonomous Flying", http://biblion.epfl.ch/EPFL/theses/2007/37 2 /EPFL_TH3727.pdf (Erişim: 10.11.2011) 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara MEKATRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ LABORATUVARLARI İÇİN BEKÇİ/REHBER ROBOT TASARIMI Gizem ÇELİK, celik.gizem@atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Emre ERDEM, erdem.emre@atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Kutay KÖK, kok.kutay@atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Derya OSKAY, oskay.derya@atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Cenk SEVİMLİ, sevimli.cenk@atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Zühal ERDEN, zuhal@atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara ÖZET ABSTRACT Gelişen teknoloji birçok gereksinimi beraberinde Developments in technology bring many needs. getirmektedir. As a result of this, there are remarkable increases günlük Bunların in humanoid robot research for helping people in hayatlarını kolaylaştırmak amacıyla geliştirilen daily life applications and making life easier for insansı robot çalışmalarında gözle görülür bir them. In this research which performed in Atılım görülmektedir. yardımcı insanlara ve artış hayatlarında sonucunda Atılım olmak Üniversitesi University Mechatronics Engineering Mekatronik Mühendisliği Bölümünde yürütülen Department, there is a robot design which is bu çalışmada, laboratuvarlarda gündüz rehber, guide in day time and security in night time at the gece ise güvenlik görevi üstlenebilecek bir robot Mechatronics laboratories. In the 2011-2012 tasarımı yapılmaktadır. 2011-2012 Akademik academic year, the work done in this paper yılında yürütülen ve bu bildiride anlatılan introduces that the mechanical and electronic çalışmalarda laboratuvar koridorlarında sabit design, manufacturing and testing a robot which engellere çarpmadan dolaşabilen bir robotun locomated without crashing static obstacles in mekanik ve elektronik tasarımı, üretimi ve testleri laboratory holes. yapılmıştır. KEYWORDS ANAHTAR KELİMELER: İnsansı robot, Rehber robot, Güvenlik robotu, Robot tasarımı Humanoid robot, Guide robot, Security robot, Robot design 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara 1. GİRİŞ 2. KAYNAK TARAMASI Günlük yaşantımızın vazgeçilmez birer parçası olmaya başlayan robotlar bankalardan müzelere, hastanelerden evlerimize kadar birçok farklı alanda insanlara hizmet vermektedirler. Bu projenin genel amacı Mekatronik Mühendisliği Bölümü laboratuvarlarında gündüz insanları karşılayıp rehberlik yapacak, gece ise herhangi bir tehdide karşı laboratuvarları koruyacak bir robot tasarlanması ve üretilmesidir. Projenin bu seneki amacı ise robotun laboratuvarlarda sabit engellere çarpmadan hareket etmesini sağlanmaktır. Bu amaç doğrultusunda birçok çalışma yürütülmekle beraber yapılan ilk ve en önemli çalışma geniş bir kaynak taramasıdır. Kaynak taraması yapılacak tasarıma ve üretime yön vermesi bakımından çok önemlidir. Bu kapsamda yaklaşık elli adet makale okunmuş ve bu makaleler sınıflandırma çizelgesi yardımıyla gruplandırılmışlardır. Daha kapsamlı bilgi bir sonraki bölümde verilmektedir. Kaynak taraması yapıldıktan sonra tasarım aşamasına geçilmiştir. Tasarım aşaması mekanik tasarım ve elektronik tasarım olarak iki bölümden oluşmaktadır. Mekanik tasarım bölümünde robotun iskeleti ve yürüme mekanizmasıyla ilgili ayrıntılı bilgilere yer verilmiştir. Elektronik tasarım bölümünde ise robotun elektriksel donanımı, malzeme listesi ve çalışma prensipleri kapsamlı olarak anlatılmıştır. Bu çalışmada tasarıma başlanmadan önce detaylı bir kaynak taraması yapılmıştır. Bu araştırma kapsamında yaklaşık elli adet makale okunmuş ve daha önce yapılan çalışmalarla ilgili detaylı bir araştırma çalışması yürütülmüştür. Bu araştırma çalışmalarında öne çıkan başlıklar robot öğrenmesi, yol planlaması, insan-robot etkileşimi, engelden kaçınma, yüz tanıma, dil algısı, zekâ, uzaktan kontrol ve insansı robotlardır. Bu araştırmalarla kullanılan yöntemler fiziksel modelleme, matematiksel modelleme, benzetim, deneysel çalışmalar ve algoritma geliştirilmesidir. Araştırmalarda ki uygulamalar arasından en çok göze çarpanlar, kamuya açık alanlarda rehber olarak kullanılan robotlardır [1 - 3]. Çünkü proje kapsamında tasarlanan robot bu sınıflandırmaya uymaktadır. Ek olarak bu kaynaklarda rehber robotun temel özellikleri sağlanmıştır. Kaynak araştırmalında daha çok üniversitelerin yaptığı robotlar göz önünde bulundurulmuştur. Makaleler incelenirken, rehber robot için gereken özellikler değerlendirilmiştir ve faydalı görülen özelliklere sahip olan makaleler sınıflandırma çizelgesi yerleştirilmiştir. Rehber robot gün içinde mekatronik laboratuvarlarına gelen misafirlere yön göstermek ve bilgi vermek için tasarlanmaktadır. Robotun bu donanıma sahip olabilmesi için bazı özellikler temel alınmıştır, bunların başında hareket [4], engelden kaçma[5] ve yol tanımlama[6] özellikleri yer alır. Hareket robotun uzaktan kontrol edilmeden kendiliğinden 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara hareket etmesidir. Rehber robotun hareket Son durum olarak rehber robot mekatronik tanımlamaları işlemcisine yerleştirilen sensör laboratuvarlarında bilgileriyle sağlamaktadır. tamamen kendi yol bilgisini otonom olarak hareketini oluşturmasıyla sağlanır [4]. Hareket donanımı genel olarak engelden kaçma ve yol tanımlama özellikleriyle desteklenmiştir [5][6]. Ek olarak sensör bilgileri yol tanımlama özelliğini destekler, rehber robot üzerinde kullanılmak üzere seçilen sensör bilgileri[7] aynı zamanda yol tanımlamak içinde kullanılmıştır. Rehber robot üniversitenin mesai saatleri dışında da görev yapmaktadır. Bu saatlerde güvenlik komutuna geçer. Güvenlik robotun özellikleri rehber robotun üzerine eklenmiştir robot gün saatlerini işlemcisinde zamanlar ve otonom olarak durum GÜVENLİK/REHBER 3. ROBOTUN TASARIMI Bu bölümde Güvenlik/Rehber robotun tasarımı ile ilgili bilgilere yer verilecektir. Gerekli kaynak taramasını gerçekleştirdikten sonra, eski çalışmalar ışığında Rehber/Güvenlik robotun tasarımı yapılmıştır. Rehber/Güvenlik robot mekatronik bir tasarım olduğu için bu çalışmayı mekanik tasarım ve elektronik tasarım olarak ikiye ayırmak mümkündür. Aynı zamanda yazılımsal bilgilere de yer verilmiştir. değiştirir. Güvenlik özellikleri[8] robotun gece mekatronik laboratuvarlarına giren yabancı kişileri üniversitenin güvenlik birimlerine haber etmesini sağlar aynı zamanda mesai saatleri dışında laboratuvarda oluşabilecek yangın veya gaz kaçağı gibi olaylarda güvenlik görevlilerine haber verir. sensörlerden Güvenlik gelen bilgi robot ultrasonik ile mekatronik laboratuvarlarında yön tanımlamasını yapar, aynı zamanda mesai saatlerine yaklaşan vakitlerde robot kendi laboratuvarının önünde konumlanır ve rehber Rehber/Güvenlik robot robot komutuna işlemcisinden geçer. aldığı komutlarla her gün belirli görevleri yapar. Bu görevler Fuzzy Logic [9] algoritması ile robota hareket sağlar. Fuzzy logic ile genel bilgileri kaynaklardan sağladığımız bilgilerle geliştirdik. 3.1 Mekanik Tasarım Rehber/Güvenlik robotun mekanik tasarımını yürüme mekanizması ve gövde olarak iki bölüme ayırmak mümkündür. Yürüme mekanizması bölümünde robotun hareket etmesini sağlayan bileşenler, çalışma prensipleri ve hesaplamalar yer almaktadır. Gövde bölümünde ise kullanılan malzemeler ile sebep sonuç ilişkileri ve Yürüme Mekanizması: Yürüme mekanizması hareket eden mühendislik tasarımları için hayati derecede önem taşır. Hem robotun dengeli hareket etmesi için hem de üzerine binen gövde kuvvetini kaldırabilmesi yürüme mekanizmasının çok iyi tasarlanması gerekmektedir. Şekil 1 de Güvenlik/Rehber robotun yürüme mekanizması görülmektedir. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Fsürtünme = 29.9 N M x g = Fsürtünme (3) M x 9.81 = 29.9 N M = 3.04 kg Bu hesaplamaya göre her bir motorun taşıyabileceği yük miktarı 3.04 kg’dır. Bu da tasarım için yeterli bir miktardır. Tablo 1. yürüme mekanizmasında Şekil 1. Yürüme Mekanizması kullanılan göstermektedir. Yürüme mekanizması tasarımı iki aşamalı olarak Tablo 1. Yürüme Mekanizması Parçaları gerçekleştirilebilir. İlk aşama yeterli kuvveti kaldırabilecek torka sahip motorların seçimi ve Parça Adet tekerlek seçimi ikinci aşama ise kullanılacak kasanın malzemesinin ve biçiminin 4 Vex Robotics Tekerlek tasarlanmasıdır. Güvenlik/Rehber robotta VEX Robotics’in tekerlek ve motor parçaları 4 setleri kullanılmıştır. Aşağıdaki hesaplama her bir Vex 3 kablolu Motor motorun Alüminyum L bar 4 Destek Panelleri 2 taşıyabileceği yük miktarını kg cinsinden vermektedir. Bu hesaplamada Fsürtünme tekerlek ile zemin arasındaki sürtünme kuvvetini, d tekerlek çapını, r tekerlek yarıçapını, T torku, M bir tekerleğin üzerine düşen yük miktarını, g yer çekimi kuvvetini temsil eder. Fsürtünme x r =T Yürüme mekanizması tasarımının ikinci aşaması (1) kasanın tasarlanmasıdır. Buna göre 4 adet d = 4 in alüminyum L bar birbirlerine cıvata ve somun d= 10.2 cm yardımıyla birleştirilmiş ve 2 adet alüminyum r=d/2 (2) destek paneli yardımıyla kuvvetlendirilmiştir. L r=10.2 cm /2 barın ölçüleri 51cm x 4 cm, alüminyum destek r= 5.1 cm paneli 41cm x 5 cm’dir. Alüminyum parçaların 5.1cm=0.051 m bu T = 1.525 N.m mekatronik Fsürtünme =( 1.525 x 2 x 100)/(10.2) dolaşmasını sağlamaktır. Tasarımda alüminyum ölçülerde tasarlanmasının laboratuvarlarında nedeni ise rahatlıkla 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara malzeme kullanımının sebebi kolay işlenebilirliği Fakat ve hafif olmasıdır. Bu parçaların çizimleri SOLID kısıtlaması nedeniyle bu amaca ulaşılamamış WORKS yazılımı yardımıyla yapılmıştır. bunun yerine tasarımda tekrar bir değişikliğe Gövde: Güvenlik/Rehber robot projesi üretimdeki imkânsızlıklar ve zaman gidilmek zorunda kalınmıştır. Yeni tasarıma göre bünyesinde yapılan çalışmalarda yapılan ilk yürüme tasarımda yürüme mekanizması 2 tane tekerlek ve alüminyum pleksi glassdan oluşan bir kasadan oluşmaktaydı. çubukların uzunlukları 98 cm’dir. Şekil 3 de Gövde tasarımı ise dikdörtgen şeklinde pleksi robotun en yeni tasarımı gösterilmektedir. glass malzemeden oluşan mekanizması çubuk üzerine monte 4 adet düz edilmiştir. Bu parçalardan oluşmaktaydı. Fakat aşırı yük sebebiyle yürüme mekanizmasında oluşan hatalar tasarımın başarılı bir tasarım olmadığını göstermiştir. Bunun sonucunda tasarımda değişikliğe gidilip yürüme mekanizması ve gövde değiştirilmiştir. Yapılan yeni tasarıma göre gövde 4 adet alüminyum çubuktan oluşmaktaydı ve bu çubuklar gövdenin iskeleti niteliği taşımaktaydı. Bu 4 çubuk üzerine dekota malzeme kaplanarak bir gövde oluşturulması planlanmış, bu gövde önünde dokunmatik ekran ve üzerinde bir kafa yardımıyla desteklenmiştir. Şekil 2 de planlanan tasarımın resmi görülmektedir. Şekil 3. Bekçi/Rehber Robot (Mekanik Yapı) Son olarak çubukların dışına pleksi glass malzemeden bir kaplama yapılacak ve robotun bu sene ki son haline ulaşılacaktır. 3.2 Elektronik Tasarım Güvenlik/Rehber robotun elektronik tasarımı mekanik tasarımla beraber eş zamanlı olarak yapılmıştır. Bu tasarıma göre kullanılacak elektriksel malzemeler seçilmiş ve gerekli devre Şekil 2.Tasarım Modeli şeması bilgisayar destekli programlar (ARESISIS) sayesinde oluşturulmuş ve yazılımsal 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara veriler kullanılarak simülasyonu yapılmıştır. Ayrıca bu bölümde yazılımla ilgili bilgilere de kullanım kolaylığı tercih sebebidir. Şekil 5’te Pololu MD01D motor sürücü görülmektedir. yer verilmiştir. Aşağıda elektriksel malzemeler ve açıklamaları verilmiştir: Arduino Güvenlik/Rehber Uno: robotun elektronik tasarımında işlemci olarak Arduino Uno kullanılmıştır. Arduino Uno’nun tercih edilmesinin sebepleri kolay programlanabilir olması, kullanım kolaylığı ve ARES 232 Şekil 5. Pololu MD01D çeviriciye sahip olması ve bu sayede de bir ara yüzle bilgisayar ortamından sensör değerlerinin rahatça okunabilmesidir. Arduino Uno için kullanılan yazılım C tabanlı Arduino dilidir. Şekil 4’te Arduino Uno işlemcinin şekli görülmektedir. 7809 düzenleyici: Motorların veri sayfasından elde edilen bilgilere göre motorun maksimum besleme voltajı 9.1 Volttur. Bu nedenle Li-po pilin çıkış voltajı olan 11.1 voltun 9.1 volta düşürülmesi gerekmektedir. Bu sebepten dolayı 7809 düzenleyiciye ihtiyaç duyulmuştur. Böylece motorlardan yüksek performans elde edilmiştir. 7805 düzenleyici: Motor sürücülerin veri sayfasında giriş voltajı olarak 5 volt verilmiştir. Şekil 4. Arduino Uno Bu nedenle Li-Po pilin çıkış voltajı olan 11.1 voltun 5 volta indirgenmesi gerekmektedir. 7805 Pololu MD01D: Devre tasarımında 4 adet 2 kablolu VEX motor kullanıldığı için motor sürücülere ihtiyaç duyulmuştur. Devrede 2 tane Pololu MD01B motor sürücü kullanılmıştır. Bu motor sürücülerin bulunmaktadır ve her birinde 2 çıkış her iki motor için kullanılmıştır. Bunun faydası ise sağda ki iki motora veya soldaki iki motora aynı anda hareket verilebiliyor olabilmesidir. Aynı zamanda yüksek performansta yani yüksek voltaj ve yüksek akımda iyi çalışan bir motor sürücü olması ve düzenleyicinin kullanılma sebebi budur. Bu düzenleyiciden elde edilen voltaj sayesinde motor sürücüler çalışır hale getirilmiştir. Ultrasonik sensör: Güvenlik/Rehber robotta 5 adet ultrasonik sensör kullanılmıştır. Bu tip sensörün kullanılma sebebi mesafeyi inc cinsinden gösterebilmesidir. Arduino Uno’da bulunan seri port sayesinde okunabilmekte ve gerekli yapılabilmedir. Sağda ve bu solda değerler ayarlamalar kullanılan sensörlerin sebebi robotun kendini ortalamasını 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara sağlamaktır. Öndeki ve arkadaki sensörlerin Li-Po Pil: Sistemde 11.1 volt ve 3050 mAh kullanım sebebi engelden kaçmaktır. Son olarak özelliklere ortada kullanılan sensörün sebebi ise robotun Oluşturulan sistem ağır olduğu için motorlardan durmasını sağlamaktır. Şekil 6’da devrenin baskı çekilen akım da fazladır. Bu sebepten dolayı bu devre özelliklere sahip Li-Po pil seçilmiştir. şeması devre elemanlarıyla birlikte verilmiştir. sahip bir pil kullanılmıştır. Yazılımsal Bilgiler ve Akış Şeması: Daha önceden de belirtildiği gibi yazılım dili olarak C tabanlı Arduino dili kullanılmıştır. Bu kod robotun engellerden kaçması ve dar bir ortamda yolu ortalayarak hareket etmesi için tasarlanmıştır. Toplamda kullanılan 5 ultrasonik sensör sırası ile Arduino mikroişlemci kartının üzerinde bulunan analog pinlere bağlandı. Bilgisayar ortamında kullanılan Arduino’nun ara yüz programındaki “analogRead” ve “Serial.print” komutları kullanılarak sensörlerden gelen veriler seri monitöre bastırıldı. Bu değerlere göre gerekli komutlar kullanılarak robotun bu sensörlerden gelen verilere göre motor sürücüler Şekil 6. Baskı Devre Şeması ve bunlara bağlı olan motorlar yardımı ile hareketi sağlandı. Şekil 7 deki Akış şemasında Yukarıdaki devre şemasında “Arduino Pins” robotun yazılı olan yere Arduino’nun bacakları devre davranacağı detaylı olarak verilmiştir. üzerindeki ilgili pin numaralarına bağlanmıştır. “Pololu Motor Driver Pins” yazılı olan yere yine Pololu motor sürücülerin ilgili pinleri bağlanmıştır. 7809 ve 7805 düzenleyicilerinin bacak numaraları baskı devre şemasında gösterilmiştir. Ayrıca Li-Po pil ve sensör bağlantıları artı yukarıdaki baskı görülmektedir. eksi bacakları devre ile şeması birlikte üzerinde mekatronik laboratuvarlarında nasıl 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara 4. SONUÇLAR VE PLANLANAN ÇALIŞMALAR Lisans Araştırma Projeleri dersi (MECE 407-408) kapsamında alınan “Rehber Güvenlik Robotun Otonom olarak Mekatronik Laboratuvarlarında Hareketinin Sağlanması” projesinin üzerinde titizlikle çalışılmıştır. 2011-2012 akademik yılının güz döneminden başlanmak üzere, robotun mekanik ve elektronik tasarımı verimli kaynak taramalarının ışığında gerçekleştirilmiştir. Yapılan denemeler sonucunda, başarıyla çalışmalar ve 2011-2012 akademik dönemindeki başarı kıstasına ulaşmıştır. Bu Şekil 7. Akış Şeması başarı kıstası daha önceden de belirtildiği gibi Bekçi/Rehber Robota güç verildikten sonra ilk önce önünde herhangi bir engel olup olmadığına bakıyor. Eğer herhangi bir engel yoksa robot yoluna devam ediyor. Eğer bir engel varsa engelin solunda mı sağında mı yoksa tam önünde mi olduğunu algılıyor. Eğer engel solunda ise robot sol motorlar çalışırken sağ motorları durduruyor. Bu şekilde robot sağa dönerek engelden kaçıp yoluna devam ediyor. Aynı şekilde engel robotun sağında ise bu sefer robot sağ motorlar çalışırken sol motorları durduruyor. Bu şekilde robot sola dönerek engelden kaçıp yoluna devam ediyor. Eğer engel tam önündeyse robot tüm motorları durduruyor. Önündeki engelden zaman yoluna devam ediyor. kurtulduğu robotun mekatronik laboratuvarlarında otonom olarak hareketinin sağlanmasıdır. Bu sene ki başarılı çalışmalar projenin gelecek senelerde erişeceği başarılara yol açar nitelikte olmaktadır. Öte yandan projenin gelecek senelerde planlanan çalışmaları da belirlenmiştir. Bu plana göre Bekçi/Rehber robot son haline ulaştığında kullanılan kamera ve yazılım sayesinde yüz tanıma özelliklerine sahip, tanıdığı ve tanımadığı kişileri ayırt edebilecek zekâya sahip olacaktır. Ayrıca tanıdığı ve tanımadığı kişilere göre ses komutu verebilecek ve ses komutlarını algılayabilecek bir yapı Bekçi/Rehber robotun planlanan çalışmaları arasındadır. Düşünülen senaryoya göre çalışma saatleri içerisinde rehber robot Atılım üniversitesi mekatronik mühendisliği laboratuvarlarında gelen misafirleri karşılayacak yüz tanıma özelliği 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara sayesinde insanları ayırt edebilecek buna göre sesli komut verebilecek yönlendirebilecektir. ekran sayesinde yönlendirilmeye ve Üzerindeki insanları dokunmatik yönlendirilebilecek göre insanları ve bu mekatronik laboratuvarlarında gezdirecek ve sesli komutlarla laboratuvarlarda yapılan çalışmalar hakkında insanları bilgilendirecektir. Diğer yandan mesai saatlerinin dışında güvenlik robot biçiminde insanlara hizmet etmesi düşünülmüştür. Bu kapsamda dumana duyarlı yangın alarmı sayesinde üniversite görevlileri ile iletişime geçebilmesi düşünülmüştür. Bunlara ek olarak yabancı birilerine karşı vereceği alarm tekrardan üniversite yetkililerini bilgilendirecektir. Sonuç olarak, MECE 407-408 Lisans Araştırma Projeleri I-II dersleri kapsamında yürütülen Güvenlik/Rehber Robot projesi gerek Atılım Üniversitesinde gerek diğer üniversitelerde örnek alınması gereken bir proje olarak geleceğe iz bırakacaktır. KAYNAKÇA [1] Kazuhisa S., Yoshinori K., Michie K., Keiichi Y ,(2007), “Museum Guide Robot with Effective Head Gestures”, IEEE-International Conference on Control, Automation and Systems [2] Gunhee Kim, Woojin Chung, Kyung- Rock Kim, Munsang Kim, Sangmok Han, Richard H. Shinn ,(2004), “ The Autonomous TourGuide Robot Jinny” , IEEE- Internationel Conference Intelligent Robots and Systems [3] Byung-Ok Han, Young-Ho Kim, Kyusung Cho, and Hyun S. Yang , (2010), “Museum Tour Guide Robot With Augmented Reality” ,Korea Advanced Institute of Science of Technology [4] Yutaka K., Amir N., Charles A. L, (1988), “A Locomotion Control Method for Autonomous Vehicles”, IEEE [5] Guanghua Zong, Luhua Deng, Wei Wang, (2006), TEŞEKKÜR “A Method for Robustness Improvement of Robot Obstacle Avoidance Bu araştırma, MECE 407-408 Lisans Araştırma Projeleri on dersleri I-II gerçekleştirilmiş [6] Dhananjay B., Nitin A., Nguyen T. T , (2008), tarafından desteklenmiştir (Proje No: LAP-A- “Path Planning for a Mobile Robot in a Proje Atılım on Robotics and Biomimetics Üniversitesi 111201). ve kapsamında Algorithm”, IEEE International Conference çalışmalarımıza verdikleri Dynamic Environment” , IEEE-International katkılardan dolayı Emre GÜNER ve Cahit Conference on Robotics and Biomimetics GÜREL’ e teşekkür ederiz. Ayrıca Mekatronik [7] Guanghua Zong, Luhua Deng, Wei Wang, laboratuvar sorumluları Meral ADAY ve Handan (2006), “A Method for Robustness KARA’ ya sonsuz şükranlarımızı sunarız. Improvement of Robot Obstacle Avoidance 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Algorithm” , IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics [8] C.H. Kuo, C.C. Chen, W.C. Wang, Y.C. Hung, E.C. Lin, (2006), “Remote Control Based Hybrid-Structure Robot Design for Home Security Applications”, International Conference on Intelligent Robots and Systems [9] Homayoun Seraji, Fellow, and Ayanna Howard, (2002), “Behavior -Based Robot Navigation on Challenging Terrain: A Fuzzy Logic Approach”, IEEE Transactions On Robotics and Automation 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara SÜRÜ ROBOTLARIN LİDER ROBOT EŞLİĞİNDE HAREKET ETMESİNİ SAĞLAMAK Halid ÇAVDAR, cavdar.halid@student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Ertuğrul KAYABAŞI, kayabasi.ertugrul@student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Fevzi ŞAHİN sahin.fevzi@student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Fuad ALİEW, faliew@atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara ÖZET ABSTRACT Sürü robotlar, donanım olarak fazla karmaşık Swarm robotics is a new approach to the olmayan robotların, çok sayıda ve davranışları coordination of large numbers of relatively birbirine bağımlı olan yeni bir yaklaşımdır. simple and coordinated robots. It is inspected Doğada özellikle form natural life, especially bugs. There are three böceklerden ilham alınır. Sürü robotlarda istenen desired features for swarm robots. These are üç özellik vardır. Bunlar sağlamlık, esneklik ve robustness, flexibility and scalability [1]. Most of ölçeklenebilirliktir. Sürü robotlarda bugüne kadar the researches are sensor based and radio yapılan araştırmaların algılayıcı tabanlı olduğu, frequency, infrared light is the most popular radyo ışıkların research sensors for swarm robots. We have kullanıldığı anlaşıldı fakat kızıl ötesi ışıkların examined that radio frequency is more common sürü robotlarda yeterli olarak kullanılmadığı than infrared technology. In this paper, we kanısına varılmıştır. Bu bildiride, sürü robotlar interpreted hakkında robotics. Explanation of applied technology on yaşayan dalgalarının daha yorumlanması, canlılardan, ve kızıl ötesi önce yapılan araştırmaların sürü robotlarda existed literature about swarm kullanılan the swarm robotics was done. Hardware and teknolojinin incelenmesi, sürü robotlar hakkında software of the system and used material was okunan makalelerin yorumlanması, fiziksel olarak explained. yapım aşaması, kullanılan malzemelerden bahsedildi. ANAHTAR KELİMELER KEYWORDS Sürü, Kızılötesi, Algılayıcı Swarm robot, Infrared, Sensor 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara sürü içerisindeki bu hareketleri gözlemlenerek 1. GİRİŞ Bu araştırmanın genel amacı mekatronik mühendisliği kapsamı içinde lider araç eşliğinde toplu olarak lider robotun istediklerini yapmak sürü halinde hareket etmeleri beklenmektedir. Bu amaç doğrultusunda birçok çalışma yürütülmekle beraber yapılan ilk ve en önemli çalışma geniş bir kaynak taraması yapılmasıdır. Kaynak taraması yapılacak tasarıma ve üretime yön vermesi bakımından çok önemlidir. Bu kapsamda yaklaşık elli adet makale okunmuş ve bu makaleler sınıflandırma çizelgesi yardımıyla gruplandırılmışlardır. Daha kapsamlı bilgi bir sonraki bölümde verilmektedir. Kaynak taraması yapıldıktan sonra tasarım aşamasına geçilmiştir. Tasarım aşaması mekanik tasarım ve elektronik sürü zekâsı tabanlı en uygun şekle sokma algoritmaları geliştirilmiştir [3]. Sürü robotların dünya üzerinde uygulandığı pek çok alan var. Sistem kuramı açısından bakıldığında sürü sistemler daha sağlam, daha esnek ve daha etkili ve ucuz olduğu söylenebilir. Mesela bir karınca kolonisini ele alalım. Karıncalardan birinin veya birkaçının kaybedilmesi sistemin işleyişini bozmamaktadır (sağlamlık), karıncalar bazen bir şekilde organize olup bir iş yapabildikleri gibi başka bir zamanda farklı bir iş için farklı şekilde organize olabilmektedirler (esneklik) [1]. Bunun yanı sıra, birkaç karınca bir araya gelerek normalde her birinin kapasitesinden çok daha üstünde iş yapabilmektedirler (etkililik) [1]. Ayrıca, her bir karıncanın maliyeti (yetiştirilmesi tasarım olarak iki bölümden oluşmaktadır. vs.) çok düşüktür (diğer canlılara, mesela 2. KAYNAK ARAŞTIRMASI memelilere nazaran) ve bu sebepten dolayı Bazen tek başlarına hiçbir iş yapamayan varlıklar, karıncaların kısa süre de çok sayıda üremeleri toplu hareket ettiklerinde çok zekice davranışlar mümkün (ucuzluk) [1]. Teknolojideki gelişmeler [2]. yapay sürü sistemlerinin veya bir başka değişle sergileyebilmektedir Bir topluluğa ait bireyler, en iyi bireyin davranışından ya da diğer robot bireylerin kendi kılmaktadır. Fakat böyle dağınık sistemlerin deneyimlerinden yararlanarak yorum yapmakta işlevsel kılınması için yeni etkili koordinasyon ve mekanizmalarına ihtiyaç vardır. Bu koordinasyon bu davranışlarından bilgileri ileride ve karşılaşacakları sürülerinin üretilmesini mümkün problemlerin çözümleri için bir araç olarak mekanizmaları kullanmaktadırlar. Örneğin, bir canlı sürüsünü birbirinden çok farklı sistemler değildir. Bu oluşturan bireylerden birisi bir tehlike sezdiğinde koordinasyonu sağlamak için kullanılan teknoloji bu tehlikeye karşı tepki verir ve bu tepki sürü genel olarak Radyo Dalgası ve Kızıl Ötesi Işık içinde ilerleyip tüm bireylerin tehlikeye karşı teknolojisidir. Mevcut çalışmalarda modelleme ortak bir davranış sergilemesini sağlar. Canlıların çeşidine göre sürü robotlar isimlendirilmiştir. mevcut olan sistemlerde 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Algılayıcı tabanlı sürü robotlar, çevrelerini yapmak istediğimiz kızılötesi ışık ile nasıl bu algılamak için algılayıcılar kullanırlar. Bu tarz robotları modelleme en eski ve en yaygın modelleme aramaya başladık. Grup arkadaşlarımızla bu konu çeşididir. Mikroskobik modelleme, matematik hakkında birçok pozitif tartışma yaşadık. Örneğin tabanlı bir modellemedir. Bu modellemede her kullanacağımız kızılötesi ışığının frekans aralığı etkileşimin basit bir matematiksel modellemesi ne olmalı, seçeceğimiz motorlarımızın torku ne yapılmaktadır. Bir kadar diğer matematik tabanlı haberleştiririz olmalı gibi sorusunun konuşmalar cevabını yaptık. Bu modelleme çeşidi mikroskobik modellemedir. konuşmalar neticesinde bizim önce birbirlerini Mikroskobik modellemede sistemin davranışını takip edecek olan 3 adet 20 x 30 cm ebatlarındaki belli bir zamanda belli bir yerde fark denklemleri robot diye adlandırılan denklemlerin sistemi sürekli Bilindiği gibi kızılötesi ışıklar ile veri alışverişi kontrol modelleme sağlamak istiyorduk bunu yapmanın tek yolu iste şeklidir. Son olarak bulunan modelleme CA( kızılötesi alıcı ve verici devreleri kurmaktı. Bu Cellular Auto mata)dır [5]. Bu modelleme en robot arabalarımız birbirlerini takip edebilmesi basit matematiksel modeller arasında yer alıyor. için gerekli olan kızılötesi ışıkları bulmaya İsminden de anlaşılacağı gibi hücrelerden oluşan yarayan kızılötesi bulucu kullanmak zorundaydık. bir sistemdir ve sadece belli özelliklerde sistemler Ve sadece 1 adet kızılötesi bulucu kullanmak bir araya gelir. Şu ana kadar incelenen sistemler bizim robot araçlarımız sadece düz bir şekilde arasında, bizim sistemimize en çok benzerlik ileriye götürmeye yarayacaktı. Oysaki biz bu 3 gösteren sistem algılayıcı tabanlı olan sistemdir. robot araba içinde lider (komutan) olarak Çünkü bizim sistemimiz çevresini algılayıcı ile seçtiğimiz ilk robot arabamız nereye giderse sağa, algılayacak. Bu algılayıcının teknolojisi Kızılötesi sola ve ileri olmak koşulu ile geride kalan diğer Işık iki robot aracımızda lider robotumuzu takip etmesi ile teknolojisidir. modellenen Daha önceki mevcut arabalarımızı etmesini Bizim sistem gereken yani lider robotumuzun sağa ve sola kullanılmasının en büyük nedenlerinden biri diğer dönüşünü tespit etmek için 2 numaralı ve 3 radyo dalgalı sistemlere göre daha az karmaşık numaralı robotlarımıza en üç adet kızılötesi ışık daha az enerji üreten bir sistem olmasıdır. bulucu monte etmemiz gerektiğini fark ettik. kızıl ötesi 3. TASARIM SÜRECİ Yapmış olduğumuz yayın taramasında sürü robotların farklı metotlar ile nasıl birbirleri ile veri alışverişinde bulunduklarını inceledik ve Bunun için gerekliydi. sistemlerin çoğu Radyo Dalgalı sistemlerdir [6]. sistemimizde istiyorduk. tasarlamamız yapmamız Lider robotumuz en önde gideceği için lider robotumuza kızılötesi bulucu monte etmemize gerek yoktu. Ona sadece kızılötesi ışık kaynağını monte etmemiz yeterliydi. Bu takip 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara algoritmamıza göre lider robotumuzu 2 numaralı robot, 2numnaralı robotumuzu da 3 numaralı robotumuz takip edecek böylelikle tüm robot arabalarımız lider robotumuz nereye giderse oraya gitmiş yani takip etmiş olacaklardı. Bunu sağlamak için lider robotumuza kızılötesi ışık kaynağı, 2 numaralı robotumuzun önün kısmına kızılötesi bulucu 3 adet arka kısmına ise kızılötesi ışık kaynağı, 3 numaralı arabamıza ise ön kısmına sadece 3 adet kızılötesi bulucu monte etmemiz bizim için yeterli oluyordu. Grup arkadaşlarımla kızılötesi bulucu ve kızılötesi ışık kaynaklarının kolayca monte edileceği aynı zamanda göze hitap eden estetik robot arabalarımız tasarlamalıydık. Şekil 1. Motor [7] Yani; Motor frekansımız 200 Hz ile çalışmasını istiyoruz dolayısı ile açısal hızımız W=2*pi*200= 1256 rad/sn Motor voltajımızı 12 v seçtik çektiği akım 0,3 A. Bu tasarımdan bir adım önce motorlarımıza karar vermemiz gerekliydi çünkü tasarımızda P= 12*0,3= 3,6 N motorların ebatları da önemliydi. Tork, motordan P=T*w => 3,6 = T *1256 hareket parçalarına tekerlek, dişli, palet... vb. T=2.86 cm/kg iletilen itme kuvveti ya da dönme momentidir. Yandaki şekilde gösterildiği gibi bir motorun Frekans Hesabı: şaftına bağlı bir tekerleğin bulunduğu bir F=1/T düzenekte tork, kuvvetin motor şaftına olan F=38.6khz=38600hz uzunluk ile çarpımına eşittir. ( T = F x d ). Torkun birimi Newton metredir (Nm). Bir motorun gücü T=? 1/38600=2.59*10^-9 o motorun torkunun açısal hızı ile çarpımına Yani bize T süresinde bu frekansı üretmeli eşittir. ( P = T x w ) Motor gücü (P), motora yapacağımız kızıl ötesi kaynağı. uygulanan voltaj ile motorun çektiği akımın çarpımına eşittir. ( P = V x I ) Açısal hız ise motorun frekansının ( motorun bir saniyede tamamladığı tur sayısının) pi sayısı ile çarpımının Basit bir şekilde tork hesabımızı yaptıktan sonra iki katıdır. ( w = 2 x pi x f ) [7] şekil 1. de seçtiğimiz motorların ebatlarını ölçtükten sonra CATIA çizim programı ile 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara robotlarımız tasarlamaya başladık ve şekil 2. deki Bunun için ise yandaki devreyi kullanarak 38khz tasarımı ortaya çıkardık. kızılötesi ışık kaynağını ürettik. Artık robotumuz yavaş yavaş şekillenmeye başlıyordu. Yapmış olduğumuz kızılötesi ışık kaynaklarını lider robot ve 2 numaralı robotun arka kısmını ortalayacak şekilde monte ettikten sonra sıra 2 ve 3 numaralı araçlarımızın kızılötesi ışık bulucuları monte etmeye ve hangi bulucunun o an aktif olduğunu anlamak için Arduino [9] denilen küçük işlemci takımını kullanmaya karar verdik. Sırası ile 3 Şekil 2. Tasarımı bitmiş robot şasesi Artık robotumuzun üretim aşamasına geldik ve robotumuzu pleksigalss denilen sert şeffaf malzemeden lazer aracılığı ile ürettik ardından da montajlama safhasına çektik. Daha önceden 3 adet kızılötesi bulucular yerleştireceğimizi söylemiştik fakat bunlar bir hesap yapmamıştık çünkü aynı markadaki tüm kızılötesi bulucular aynı ebattadır. bulabileceğimiz Piyasa 38khzlik standart frekans olarak bulucular kullanmaya karar verdik. Bunun için aynı zamanda 38khzlik kızılötesi ışık kaynağı üretmemiz gerekliydi. kızılötesi bulucuyu araçlarımızın orta, sağ ve sol olmak üzere 3 farklı konuma monte edip, bulucularımızın çalışması için gereken voltajını ve hangi bulucunun aktif olduğunu anlamamız için gerekli olan elektronik bağlantıları yaptık. Donanım olarak sadece motorlarımızı bağlamamıştık. Motorları en sona bıraktık çünkü motorlarımızı Arduino ile çalıştırabilmemiz için motor sürücü dediğimiz ardumoto [10] adlı kiti kullanamaya karar verdikten sonra ardumoto [10], arduino ve motorlarımız arasındaki gerekli olan veri ve enerji alışverişini sağlayacak olan kablo bağlantıları sistemimizin sağladıktan donanımsal sonra yapılacak bir artık işi kalmadı. Arduino kitinin kendine özgü olan kullanarak programlama dilini yazılımımızı yazmaya adım başladık. adım Öncelikle kızılötesi bulucularımızın çalışıp çalışmadığını anlamak için yazdığımız kod ile bulucuları test ettik. Fakat burada bir sorunla karşılaştık çünkü test Şekil 3. 38khz kızılötesi ışık kaynağı [8] etmek için kızılötesi ışık kaynağını çalıştırdığımızda alıcıların hepsi aynı anda aktif 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara olduğunu anladık bunun nedeni ise kızılötesi ışık gelebilmesi için kullanılan malzemeler aşağıdaki kaynağının yaymış olduğu kızılötesi ışıklar gibidir. parabolik bir şekilde yaydığı için bizim Tablo 1. Kullanılan Malzemeler bulucularımız aynı anda hepsi aktif oluyordu. 3 adet Arduino UNO kit 3 adet Ardumoto motor sürücü 6 adet 12 v dc adaptör 9 adet Tsop 1138 kızılötesi bulucu 2 adet 38khz kızılötesi kaynağı tahtalar ile dikdörtgen biçiminde kapatarak 30 adet Cıvata ve somun bulucumuzun almasını 6 adet 6mm çapında tekerler sağladık. Çünkü metal ve tahta kızıl ötesi 3 adet Robot araba ışıklarının iletimini sağlamadığı için kaplama 5 metre 2mm zil teli işlemlerinde bu iki maddeyi kullandık. Bu sorun 2 adet 2m x 2cm x 5 mm Bunun çözümü olarak kızılötesi ışık kaynağının etrafını metal silindir ile kaplayarak kızılötesi ışığın düz Ardından bir şekilde kızılötesi iletilmesi sağladık. bulucularımızın sadece önden ışık etrafını da çözüldükten sonra artık yazılım kısmına kaldığımız yerden devam ettik. Tekrar bulucuları test ettiğimizde artık istediğimiz gibi çalıştığını gördük. Ve Ardumoto ve motorları denemeye başladık. arduino arasındaki iletişimi sağladıktan sonra motorlarımızda düzgün bir şekilde çalıştığını gördük. Son olarak iki yazılımı kombine ederek tekrar düzenledik yani sağ bulucu gördüğünde sağa sol bulucu gördüğünde ise sola dönmesi için gereken yazılımı tamamladıktan sonra artık sistemimiz sorunsuz bir şekilde çalıştığını gördük ve denemelere başladık. Bu test sürüşleri sırasında gördük ki bu robot arabalarımız arasındaki iletişimde bir sorun yoktu ve sistemimiz tasarladığımız gibi çalışıyordu. Bu tasarım esnasında lazer kesimi ile ürettiğimiz araçlarımızı birbirlerine monte etmek ve robot arabalarımızın ilk andan çalışır konuma 4.SONUÇ VE GELECEK ÇALIŞMALAR Seri robotlar adı altında kızıl ötesi ışınlarıyla birbirini izleyen üç adet araba test edildi. Test edilen araçların birbirini her zaman takip etmediği görüldü. Bunun sebepleri arasında araçların ağırlıklarının farklı olmasından kaynaklanan sürtünme kuvvetinin her araç için farklı değerde olmasıdır. Diğer bir sebep ise araçların güç kaynağı olan bataryaların tükenme sürelerinin homojen olmayışıdır. Bu eşit olamayan homojen, motorlara birim sürede farklı miktarlarda akım oluşturduğu için motorların performansları ve dolayısı ile hızları eşit olmamaktadır. Bir başka etken ise sağ ve sol tekere bağlı olan motorların eşit miktarda tork üretememesinden araçların istenilen rota üzerinde 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara hareket edememesidir. Tüm bu sebeplerden TEŞEKKÜR dolayı gerek hareket doğrultusunda gerekse hareket yönüne dik olan yatay ekseni üzerinde araçlar arasındaki mesafe korunamamıştır. Bu mesafenin korunamamasından dolayı kızıl ötesi sensorlar etkin kapsama alanından uzaklaşmıştır. Bu uzaklaşma kızıl ötesi alıcılarda ve vericilerde sinyal zayıflamasını ve buna bağlı olarak takip mesafesinin korunamaması sonucunu doğurmuştur. Tüm bu aksaklıkların giderilmesi araştırma, Bu MECE 407-408 Lisans Araştırma Projeleri I-II dersleri kapsamında gerçekleştirilmiş ve Atılım Üniversitesi tarafından desteklenmiştir (Proje No: LAP-A111201). Derslerin yürütülmesine ve proje çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı Öğr. Göv. Aylin KONEZ EROĞLU, Yrd. Doç. Dr. Zühal ERDEN, Aras. Gr. Emre Güner ve emeği geçen herkese teşekkür ederiz. araçların önüne bağlanacak olan ve takip ettiği araç ile doğrusal mesafeyi sabit tutacak olan mesafe ölçer (sharp) sensörlerin kullanılması ile mümkün olacaktır. Daha aşamalarda araçların zaman tekrar sinyaller yardımıyla birbirini bulup hareketlerine devam etmeleri sağlanabilir. Buna ilaveten araçların toplu ve ayrı olarak kodlu verilen görevleri yapıp tekrar başlangıç noktalarına dönmeleri sağlanabilir. Örneğin; geliştirilen yazılım desteğiyle sinyaller halinde gönderilen görevin belirtilen matematiksel konuma ulaşarak (fotoğraf çekimi, ses kaydı vb.) istenilen bilgileri uydu takibi aracığıyla belirli [1] E. Bahceci, O. Soysal, E. Sahin, “A Review: Pattern Formation and Adaptation in Multi-Robot sonraki birbirinden bağımsız hareket ederek istenildiği sinyallerle KAYNAKLAR bir merkeze ulaştırması sağlanabilir. Hazırlanan bu rapor doğrultusunda kızılötesi ile sürü robotların yapımına katkı sağlamak gelecek nesillere bu konunun daha ilerisine taşımalarına yardımcı olmak bu raporun yegâne amacı olmalıdır. Systems”, 2003. [2] Çelik, M., Karaboğa, D., Köylü, F., Artificial Bee Colony Innovations Data in Miner Intelligent (ABC-Miner), Systems and Applications (INISTA), 96-100, 2011. [3] Karaboğa, D., Yapay Zekâ Optimizasyon Algoritmaları, Nobel Yayın Dağıtım, 2011. [4] Krishnanand, K.N., Ghose, D. Detection of Multiple Source Locations Using a Glowworm Metaphor withApplications to Collective Robotics, IEEE Swarm Intelligence Symposium, 84-91, 2005. [5] Banharnsakun, A., Achalakul, T., Sirinaovakul, B.,Artificial Bee Colony Algorithm on Distributed Environments, Second World Congress on Nature and Biologically Inspired Computing, 13-18, 2010. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara [6] Technical Report CMU-RI-TR-03-43. Carnegie Mellon Univ, Pittsburgh, PA, USA, October 2003.M. Dorigo, E. Şahin, “Swarm Robotics - Special Issue”, Autonomous Robots, vol. 17, pp. 111-113, 2004. [7]Kapıcı,F.,(2008), “motor tork hesabı ”, http://depositericrobotic.blogspot.com/2012/03/m otor-tork-hesab-nasl-yaplr.html [8] Cook,D.,(2006), “38 khz infrared transmitter withcmos555”, http://www.robotroom.com/index.html [9]Bazzı,M.,Cuartielles,D.,Igue,T.,Martıno,G.,Me llis,David.(2007) http://arduino.cc/en/Guide/HomePage [10] Spark fun Electronics http://www.sparkfun.com/products/9213 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara KANALLI PERVANE VE DENETİM YÜZEYLERİ KULLANAN UÇAN ROBOTLAR Halil İbrahim ASA, asa.hibrahim@student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Kutluk Bilge ARIKAN, kbarikan@.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi,06836,Ankara kanallı pervane, pil ve elektronik hız kontrol ÖZET Bu makalede, sıra dışı robotlar bölümünde hayata geçirilen iki kanallı pervane projesi sunulmaktadır. İki kanallı pervane projesi dikey olarak iniş ve kalkış yapabilen ve kontrolcü yüzeyine sahip bir sistemdir. Bu sistem uçan robotlar laboratuarında gerçekleştirilmiş. Bu projede iki tane kanallı pervane kullanılmıştır. Bu pervaneler aynı yönde döndüklerinden dolayı birim’ine yer verilmiştir. Sistemin tasarımı sırasında CATİA ® kullanılmıştır. Son bölümde ise yapılan çalışmalar sırasında bulunan bulgular verilmiş olup, gelecekte kullanılabilecek olan yerler verilmiştir. Anahtar Kelimeler: Kanallı pervane, Sıra dışı uçan robot, Uçan robotlar laboratuarı ABSTRACT sapma açısında meydana gelen hareketi kontrol etmek için yaptığımız çalışmalara yer verilmiştir. In this paper we explain the ducted fan Project in Kontrolcü yüzeyi sayesinde hareket etme işlevine the novel flying systems. Ducted fan Project can sahiptir, ayrıca sapma, yuvarlama ve eğilim vertical takeoff and landing (VTOL) and has the açısını kontrol altında tutabilmektedir bu sayede flap controller unit. This system is to make in the sistemin havada rahat bir şekilde hareket edilmesi flying robots laboratory (FRL). Two ducted fan sağlanmaktadır. unit is used in this project. These ducted fans turn Makalenin giriş bölümünde bilgi same way so system can move yaw angle for this verilecektir. İkinci bölümde ise projenin amacı reason we design the controller for the yaw angle. hakkında geniş bölümde ise yapılan araştırmalar hakkında genel verilecektir. Üçüncü For the flap controller part systems can move and araştırması sırasında we control the yaw, pitch and roll angle for this bulunan bulgular detaylı olarak açıklanacaktır. reason system can easily move in the air. Açıklanma esnasında sonraki çalışmalara ışık Beginning of the paper basic definitions and tutacak bilgilere yer verilmiştir. Daha sonraki general information are given about the research. bölümde ise bugüne kadar yapılan çalışmalar ve Second part of the project aim of the project is bilgi literatür going to be explaining clearly. In chapter three 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara literature survey theoretical review information are and some basic explain clearly, sıra havada asılı kalma görevlerini de başarıyla yapabilmektedir. Fakat havada asılı kalma theoretical information helps to understand the hareketinde iken aynı yönde dönen kanallı future working principle. Next chapter is given pervanelerden dolayı meydana gelen sapma the more information up to now and ducted fan açısındaki denetim yüzeylerindeki kontrolcüler unit, Battery and electronic speed control (ESC) ile denge altında tutulmaktadır. Bu kontrolcüler are given. System is designing in the CATIA ®. hava akışının tam altında bulunmaktadır. Bu Final part is explain the finding information and sayede sistemin manevra kabiliyeti kontrol altına future works alınmıştır. Yüzeydeki kontrolcüler sistemin ana gövdesine bağlanan servo motorlar tarafından Keywords: Ducted fan, Novel flying system, hareket ettirilmektedir. Sıra dışı sistemlerin flying robot laboratory araştırılması ve imalatı için kurulmuş olan uçan robotlar laboratuarında ilk defa bu konu üzerinde 1. GİRİŞ çalışılmıştır. Bu sistemler dünyada birçok türevini Sivil ve askeri uygulamaların değişen ihtiyacı barındırmaktadır. doğrultusunda tasarlanan uçan robotik sistemler teknoloji [1] tarafından geliştirilen insansız hava giderek daha fazla önem kazanmaktadır. Askeri aracı üzerinde pozisyon kontrolü ve kontrol uygulamalarda sınır güvenliği, gözlem sivil mekanizması üzerinde çalışılmıştır ve sapma uygulamalarda ise deprem, sel gibi alanlarda açısını kontrol edebilmek için kapalı döngü kullanılmaktadır. Uçan robotik sistemlerin bir kontrolcüsü tasarlanmıştır. Sistemin pozisyon diğer özelliği ise otonom olarak çalışmasıdır. değerlerini ölçmek için atalet ölçme ünitesi Gelişen ihtiyaçların artmasıyla insansız hava kullanılmıştır (IMU) kullanılmıştır. Bu projenin araçları popüler bir araştırma konusu haline amacı zor koşullar altında havada kalabilme gelmiştir. İnsansız hava araçların faaliyet alanları dikey olarak kalkış ve iniş yapabilme ve havada ise müdahale ve koruma ya da zor koşullarda asılı kalma yeteneğine sahip olan otonom bir uçan yüksek manevra kabiliyetinin yanı sıra gözlem robotik sistemdir. Bu ihtiyaçlar doğrultusunda yapma görevlerini üstlenmeye başlamışlardır. yapılan projelerin hızlı bir şekilde tamamlanması Uzun menzilli uçaklar, füzeler ve helikopterler bu ve ihtiyaç duyulan alanlarda yeni tasarımlar görevi yaparak ihtiyacı karşılamak için uçan robotlar üstlenen araçlarıdır. en Kanallı belirgin insansız pervane ve hava denetim yüzeylerine sahip olan insansız hava araçları dikey olarak iniş ve kalkış yapabilmelerinin yanı Örnek olarak ise Berlin laboratuvar çalışmalarına devam etmektedir. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara 2. DÖNER ÖZELLİKLERİ KANATLI VE SİSTEMLERİN LİTERATÜRDEKİ ÇALIŞMALAR Döner kanatlı 2.1 Literatür Araştırması Kanallı pervane ve denetim yüzeyleri için yapılan literatüre araştırması sırasında bulunan bulgular sistemler genel olarak açıklanacaktır. İlk olarak servo motor kontrolü incelendiğinde üç ile altı palli olan döner kanatın kullanılarak yapılan kanallı pervane ve denetim fırçasız motor ile bağlanıp, etrafının da hava yüzeyleri incelenecektir [3] . Bu sistem askeri ve geçirmez malzemeyle kaplanıp itme gücünü sivil alanlarda kullanılacaktır. Bu yüzden sisteme arttıran sistemlerdir. Hava akışının olduğu yere kamera entegre edilmiş olup sınır güvenliği ve denetim yüzeyleri bağlanan sistemlerin havadaki arama kurtarma çalışmaları sırasında gereken bir hareketleri kontrol edilmiş olacaktır. Bu sayede işlev görecektir. Kontrolcü tasarımı sırasında dikey olarak iniş kalkış yapabilmenin yanı sıra kapalı döngü kontrol sistemi tasarımı yapılmıştır. havada asılı kalma becerisini elde edecektir. Pozisyonu ölmek için ise atalet ölçme ünitesi Fakat literatürdeki çalışmalar iki tane birbirine zıt kullanılmıştır (IMU) . Bu sistemdeki ana problem yönlü dönen döner kanallı pervanelere ve ya bir ise hız bilgisi ile pozisyon bilgisini küresel tane fırçasız motor kullanılarak yapılan projelere konumlama (GPS) sisteminden bulamamasıdır. sahiptir. Tek motorlu çalışmalarda ise fırçasız motora dönen kanat ekleyip etrafında hava geçirmez malzemeyle kapadıktan sonra ise servo kontrollü denetim yüzeyleri kullanılmıştır. Bu yüzden havada hareketi sırasında döner kanallı pervanelerden dolayı sapma açısı oluşmaz. Kullanılan dört tane denetim yüzeyleri sadece pozisyon değişimi için kullanılır. Dört tane denetim yüzeyi kullanmasındaki sebep ise sistemin sapma, yuvarlama, eğilim açısını kontrol altında tutabilmek için kullanılmıştır [2] . Fakat tek döner kanalı olan sistemlerde ise sistemin çalışması esnasında sapma açısı meydana gelmektedir. Bu değeri kontrol etmek için denetim yüzeyleri sayısı ise sistemin karakteristik özeliklerine göre değişim göstermektedir. Diğer bir çalışma ise özel görevler için tasarlanmış kanal pervanedir [4] .Bu sistemin oldukça küçük operasyonlarda olmasının alan sebebi araştırması askeri yapması gerekliliğidir. Sisteme ayrıca kamera monte edilmiştir böylece kurtarma görevleri sırasında daha detaylı bir araştırma yapma imkânı sağlamaktadır. Boylamsal ve yatay hız bilgilerini doğru tanımlamasının yanında eğim ve yuvarlanma açısından gelen açı değerlerini doğru olarak almaktadır. Fakat sistemindeki ana problem ise zorlu koşullar altında dengesiz bir aerodinamik yapı göstermesidir. Diğer bir çalışma ise zorlu koşullar altında çalışmasının yanında düşman takibi yapmak için üretilen kanallı pervanedir [5] .Bu sistemde dört 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara adet denetim yüzeyi bulunmaktadır. Ayrıca bir ise kontrol etmek için kontrolcü tasarlanacaktır. tane fırçasız motor kullanılmaktadır. Sistemin ana Şekil 1 ise kullanılacak olan kanallı pervaneleri problemi ise pozisyon bilgisinin doğru şekilde göstermektedir. tespit edememesidir. Diğer bir çalışma ise boylamsal ve yatay hız bilgilerinin kontrol edilmesinin yanında sapma açısından gelen hareketi kontrol edilmesi amaçlanmıştır [6,7] .Kanallı pervane sistemi tamamen otonom olarak çalışmaktadır. Sistemin amacı ise daha çok sivil uygulamalarda kullanılmak amacı ile yapılmış olmasıdır. Bu uygulamalar ise orman yangınlar sel ve deprem gibi doğal afetler. Diğerlerinden boyut olarak Şekil 1. Kanallı Pervane daha büyüktür ve monte edilmiş kamerası Bu kanalı pervaneler altı palli döner kanadın bulunmaktadır. Son olarak ise sürekli otonom bir fırçasız motora bağlanıp hava geçirmez bir yapıda hareket etme kabiliyetinin yanında zorlu yüzeye sahiptir. Böylece itme kuvvetini daha koşullar tasarlanmıştır. fazla elde edebiliriz. Hava akımının altına Bu Sistemin ana problemi ise yükseklik bilgisini tam kanallı pervaneler aynı yöne döndüğünden dolayı olarak eşleyememesidir. sistemde sapma açısı meydana getirmektedir. görev yapması için Şekil 2 de ise kanallı pervanenin dönüş yönünü 3. YAPILAN ÇALIŞMALAR Bu başlık altında çalışmaların yanı bu göstermektedir, Ayrıca sistemin pallerinin dönme ana sıra kadar yapılan esnasında itme kuvvetinin yönü de gösterilmiştir. projenin amacı Bu sebepten dolayı sistemin kendi etrafında açıklanmıştır. dönmeye başlamaktadır. Sistemin havalandıktan 3.1 Projenin Amacı ve Yapısı sonra sapma açısından dolayı dengesiz bir durum Projenin amacı ise iki tane kanallı pervane kullanarak dikey olarak iniş ve kalkış yapabilen bir sistemin yanında, havada sabit olarak durma hareketi yapacaktır. Ayrıca sistemin motorlarının aynı yönde dönmesinden dolayı meydana gelen sapma açısındaki hareketi kontrol etmek ve yatay olarak hareket esnasında meydana gelen hareketi almaktadır. Bu yüzden dolayı denetim yüzeyi çok önemli bir etken olmaktadır. Denetim sistemi dört adet denetim yüzeyine sahiptir. Bu denetim sistemleri gövdeye servo ile bağlanmaktadır. Koyulan denetim yüzeyi sayesinde sapma açısı kontrol altına alınmaya çalışılmıştır. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Yüzeyleri [4] Kanallı pervanelerin birbirine cıvata yarımıyla birleştirdikten sonra etrafını pleksiglas ile çevirdikten sonra hava geçirmez bir yapıya sahip olacaktır. Şekil 4 ise kanallı pervanenin catia çizimini gösterilmektedir. Şekil 2. Kanallı Pervana Çalışma Prensibi [4] Şekil 3 ise sistemin sahip olduğu dört tane denetim yüzeylerini göstermektedir [8]. Bu denetim yüzeyleri gövdeye servolar ile bağlanmış olup sistemi sapma, yunuslama ve sapma açısından meydana gelecek olan hareketi kontrol etmek için kullanılacaktır. Ayrıca Şekil 4. Kanallı Pervanenin CATIA ® çizimi denetim yüzeyleri beraber çalışarak sistemi yatay yolda hareket etmesini sağlamaktadır. Motorun dönme yönüne ters yönde hareket ederek motorun dönmesinden oluşan sapma hareketine ters yönde bir kuvvet oluşturarak sistemin havada asılı Kanallı pervane kullanarak dikey olarak Sistemin enerji ihtiyacını karşılayabilmek için 3050 mAH, 25 C değerinde 11,1 volt değerinde bir tane lipo pilini alınmıştır. Şekil 3 ise göstermektedir. kalmasına sağlamaktadır. Şekil 5.Li-Po Pili Şekil 3. Kanallı Pervanenin Denetim lipo pilini 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Bu değerlerde sistemin havada uçuş süresi bir . motor için 9.028 dakika iki motor için ise 4.514 dakika olarak hesaplanmıştır. İlerki çalışmalarda sistemin uçuş süresini artırmak için sistemin pilini değiştirebiliriz. Elektronik hız kontrolü (ESC) için ise 30 amperlik iki tane elektronik hız kontrolcüsü alınmıştır. Şekil 4 ise Elektronik hız kontrolcüsünü göstermektedir. Bu özelliklerdeki elektronik hız kontrolcüsü fırçasız motor Şekil 6 Sistemin Prototipi tarafından önerilmektedir. Bu elektronik hız kontrolcüden iki tane alınmıştır. 4. SONUÇLAR Sonuç olarak proje hakkında literatüre araştırması yapılmış olup kanalı pervane ve denetim yüzeyleri kullanan robotlar hakkında bilgi verilmiş ve teknik özelliklerine değinilmiştir. Ayrıca seçilen malzemeler hakkında bilgi verilmiştir. Proje teknik olarak catiada çizilip montajı yapılmıştır. Ayrıca açı değerleri kontrolü hakkında kullanılan yöntemler ve yapılması gerekli işlemler belirtilmiştir ayrıca servo motor kontrolü Şekil 5 Elektronik Hız Kontrolcüsü (ESC) Sistemin ilk örneğinde Kanallı pervaneler yan yana birbirine bağlanmış olup etrafı plekssiglas ile çevrilmiştir. Şekil 6 ise bunu detaylı bir şekilde göstermektedir. Bu kanallı pervanelerin altına her birine iki tane servo motor yerleştirilecek olup sistemin kontrolcü tasarımına geçilecektir. denetim yüzeyi hakkında bilgi verilmiş olup ayrıca bu sistemlere örnekler belirtilmiştir. Sistemin yapılması için gerekli malzemeler temin edilmiştir. Önceden temin edilmiş olan kanalı pervane hakkında detaylı bilgi verilmiştir. Fakat sistemin kendisinin üretimi yapılamadığı yapılamamıştır. için Bu sitemin yüzden montajı kontrolcü tasarımına tam olarak geçilememiştir. Ayrıca sistemin entegre edilmesi yapılmamıştır. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara sayısı arttırılarak her eksende daha etkili bir 5.GELECEKTEKİ ÇALIŞMALAR Sistemin fiziksel üretimi yapılamadığından dolayı sistemin montajı ve sistemin kontrolcü tasarımı tam olarak yapılamamıştır. Fakat gelecekte sistemin fiziksel üretimi yapılacak olup ve alınan malzemelerin montajı yapıldıktan sonra motorların çalışma rejimi ile itme kuvveti arasındaki ilişki iki motor içinde yapılacaktır, ayrıca ataletsel testi yapılacaktır. Bu testlerin ardından sistemin montajı ve gerekli olan testler bitmiş olup sistemin kontrolcüsü ile detaylı çalışılacaktır. kontrol sağlana bilir. 6.TEŞEKKÜR Bu araştırma, MECE 407-408 Lisans Araştırma Projeleri I-II dersleri kapsamında gerçekleştirilmiş ve Atılım Üniversitesi tarafından desteklenmiştir.(Proje No: LAPA-111201) Derslerin yürütülmesine ve proje çalışmalarımıza verdikleri katkılarından dolayı Zuhal Erden, Cahit Gürel, Emre Günel, Doğanç Küçük ve Meral Aday’a teşekkür ederiz. Böylece sistemin pozisyon bilgisi yani sapma açısınınsa ve yunuslama açısında meydana gelen hareket için kontrolcü tasarlanacaktır. 7.KAYNAKÇA [1] Pflimlin M J , Soueres P, ve Hamel T. (2004), kalma “Hovering flight stabilization in wind gusts esnasında meydana gelen hareketi kontrol for ducted fan UAV”,43rd IEEE Conference edilecektir. Bu sayede sistem havada asılı on Decision and Control Böylelikle sistem havada asılı kalacaktır ayrıca sistemin dikey olarak iniş [2] Chriette A , “An analysis of the zero- ve kalkış görevini başarıyla tamamlayacaktır. dynamics for visiual servo control of a ducted Ayrıca tasarlanan kontrolcü sayesinde sistem fan kalkış hareketinin sonra yatay olarak hareket Conference on Robotics and Automation etme kabiliyetini sağlayacaktır. UAV”(2006),IEEE International Uzak [3] Bras L F, Mahony R,Hamel T ve Binetti P, gelecekte ise ağırlık merkezi ile yönelim (2006),“Adaptive filtering and image based konusu incelenecek ve sisteme uyarlanmaya visual servo control of a ducted fan flying çalışılacaktır. Bu sayede sistem yunuslama robot ve yuvarlanma eksenlerindeki hareketleri Congerence on Decision & Control , ” Proceedins of the 45thIEEE kontrol edile bilecektir. Ayrıca, şu anda [4] Changhong W, Yuanwei L, Boqi X ve tasarlanan kanallı pervane sistemi iki adet Guoxing Y (2010), “Modeling Control and döner kanat parçası kullanmaktadır ancak Flight testing for a Sauncer Ducted Fan bahsedilen bu döner kanatların UAV”,IEEE Conference on Decision and gelecekte, Control 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara [5] Naldi R, Marconi L ve Sala A (2008) BarCohen, Y, “Modeling and Control of a Miniature Ducted-Fan in Fast Forward Flight”, American Control Conference (Erişim: 13-06-2008) [6] Marconi L.ve Naldi R.(2006) “ Nonlinear Robust Control of a Reduced –Complexity Ducted MAV for Trajectory Tracking” Procedings of the 45th IEEE Conference On Decision and Control [7] Pflimlin M , Binetti P Soureres P Hamel T Trouchet D (2010) “ Modeling and alttitude control analysis of a ducted-fan micro aerial vehicle” http://www.elsevler.com/locate/conengrac (Erişim:27.10.2009) [8] Pflimlin M, J, Hamel T, Soueres P, Mahony, R (2006) , “ A Hierarchical Control Strategy for the Autonomous Navigation of a Ducted Fan Flying Robot” ,Proceedings of the IEEE Internation conference 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara BÜYÜK DÖRT ROTORLU İNSANSIZ HAVA ARACI TASARIMI Ahmed AKSAL, aksal.ahmed@student.atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Kutluk Bilge ARIKAN, kbarikan@ atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara ÖZET ABSTRACT Bu makalede, dört adet döner kanatları ile dikey This paper presents a quad rotor robotic system olarak havalanabilen, yönelim ve seyir denetimini with a high mass and inertia which could sağlayabilecek eyleyicilere sahip yüksek kütleli vertically hover, and has actuators for providing ve ataletli bir robotik sistem sunulmaktadır. orientation and navigation control. The aim of the Sistemin taşıyabilecek design is developing a flying platform which has kapasitede olan uçan robotik bir platform load carrying capacity. Four rotor helicopter geliştirmektir. Dört rotorlu helikopter olarak platform as known as quad-rotor consists of a pair bilinen bu alışılmış platform, bir çift ters yönlere of a counter rotating propellers, body is dönen pervanelerden oluşur, ağırlık merkezine symmetrical according to center of gravity of the göre simetriktir ve ağırlık merkezi sistemin system ant it is coincident with the body referans eksenlerine çakışıktır. Sistemin mekanik reference frame. Mechanical design of the system tasarımı detaylı şekilde anlatılmıştır. Sistemin is described in detail. By neglecting the aerodinamik özellikleri ihmal edilip, onun yerine aerodynamic properties, instead a linear equation hız kontrol ünitelerinin çalışma rejimleri ile itki is fitted by using the relationship between duty kuvveti denklem ratio and thrust force. Mathematical model of the oluşturulmuştur. Sistemin matematiksel modeli system is stated by using Newton-Euler dynamic Newton-Euler equations of motion. tasarım amacı arasında dinamik yük doğrusal hareket denklemleri kullanılarak belirtilmiştir. ANAHTAR KELİMELER: Uçan Robot, Dikey KEYWORDS: Flying Robot, Vertical Take Off Landing, Newton-Euler, Attitude Control Kalkış ve İniş, Newton-Euler, Yönelim Denetimi 1. GİRİŞ Günümüzde dört rotorlu döner kanatlı dikey iniş kalkış yapabilen platformlar üzerine yoğun 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara çalışmalar yapılmaktadır. Günümüzde, bu tip sistemler “sıradan sistemler” olarak adlandırılır ve genellikle algılayıcı platformlar olarak, arama, tarama ve tanımlama amacıyla kullanılır. *Elemanların yerleşim düzeni *Titreşim azaltıcı çalışmalar *Sistemin yapısal güvenilirliği Araştırmanın amacı ise bu platformları yük *Malzeme seçimi ve bunun laboratuar ve atölye taşıma araçları haline getirebilmektir. Örnek imkânları doğrultusunda üretilebilirliği verilirse sıradan sistemler 400 gr yük taşıma Ön planda tutularak sistem tasarımı, mühendislik kapasitesine sahiptir. Halbuki tasarlanan bu çizim, benzetim ve sonlu eleman yöntemi platform 1 kg yük taşıma kapasitesine sahiptir. programları kullanılarak sistem iyileştirildi. Ayrıca sistem dışarıda, rüzgar ve benzeri rahatsız edicilerden etkilenmeyecek şekilde tasarlanmıştır. İleriki bölümlerde mekanik tasarımdan detaylı 2.1 Frekans Analizi şekilde bahsedilmiş ve matematiksel model Sistemin ana elemanları, motorlar ve koruma belirtilmiştir. Sistemin, enerjisini verimli şekilde elemanları yerleştirildikten sonra sistemin ana kullanabilmesi ve dış etkilerden korunabilmesi boyutları üzerinden tasarıma başlandı. Şekil 1’de için optimal denetimci yöntemleri kullanılmalıdır. Solidworks®’un frekans analiz raporundan elde Bu sayede yük taşırken oluşacak atalet ve kütle edilen bir resim verilmiştir. değişimleriyle daha az enerji harcayarak başa çıkılabilir. 2. YAPISAL TASARIM Sistem tasarımına laboratuarda bulunan Hacker A50-14s fırçasız motorlar ve Thunderbird 54 elektrik fırçasız motor kontrol üniteleri temel alınarak başlandı. İlk olarak motorlardan alınabilecek maksimum kuvvetler DriveCalc® istatistiksel simülasyon programı kullanılarak tahmin edildi ve sistem için (15x8) pervaneler seçildi. Buna göre sistemin ağırlığı belirlendi. Tasarım kısıtlamaları olarak: *Ağırlık kısıtlamaları Şekil 1.Solidworks® Frekans Analiz Ekranından Görüntü 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Frekans analizinde dikkat edilmesi gereken husus, sistemin yapısal tınlaşım frekanslarının, Tablo 2. Frekans Analiz Sonuçları Mod Numarası Rezonans frekansı(rad/s) Rezonans frekansı (Hz) olabildiğince 1 134.46 21.4 uzaklaştırılmasıdır [1,2]. Bu sebeple sistem, 2 134.47 21.401 motorların 3 140.51 22.363 4 150.89 24.015 5 163.75 26.062 robotun havada asılı kalması sırasında oluşan motor titreşimlerinden olduğu bölgelerden benzetim programında sabitlenmiş ve çözüm sonuçları birbirlerine yaklaşana kadar ağ boyutları küçültülüp benzetim tekrarlanmıştır [3,4]. Sistemin analizi yapılırken kullanılan çözücü özellikleri ve ağ sayıları Tablo 1’de belirtilmiştir. Maksimum görülen frekans motorların dönüş frekansından yeterli ölçüde uzak olduğu görülmektedir. Tablo 1. Sonlu Eleman Çözücü Özellikleri Kullanılan Ağ Standard Ağ Jacobian Noktaları 4 Eleman Boyutu 10.2568mm Tolerans 0.512838mm Ağ kalitesi Yüksek Toplam boğum 46566 2.2 Statik Analiz Sistemin matematiksel modeli kurulurken katı model varsayımı yapılabilmesi için, sistemin motorları tarafından üretilen kuvvetlere dayanabilmesi yanı sıra esneme miktarının da tespit edilmesi gerekmektedir. Bu sebepten ötürü, motor tutuculardan, motorların teorik olarak Sistem, havada asılı kalırken gereken kuvvetleri üretebileceği maksimum kuvvet uygulanarak üretirken motorların dönüş hızları ve motorların sistem analizi yapıldı. Bu analiz sonucu, sistemin ulaşabileceği ağırlığı, maksimum dönüş hızları güvenilirlikten ödün vermeden belirlenmiştir. Motorların dönüş hızları 523.6 azaltılmaya çalışıldı. Tablo 3’te bu analiz sonucu rad/s elde edilen sonuçlar belirtilmiştir. ile 1256.64 rad/s arasında olduğu DriveCalc® programı kullanılarak belirlendi. Solidworks® programında yapılan sonuçları Tablo 2’de belirtilmiştir. analizin 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara üretildi. Sistemin tamamlanmış prototipi ve Tablo 3. Statik Analiz Sonuçları İsim Tip En az En çok Basınç Von 0.23N/m2 3.2*107 Mises Kaydırım yerleşim düzeni Şekil 2’de görülebilir. N/m2 Bileşke 0 3.32 mm Kaydırım Yukarıdaki analizler sonucu, uygulanan kuvvetler sonucu meydana gelen basınçlara dayanabilen malzemeler miktarının seçilmelidir. milimetre Ayrıca mertebesinde kayma olması Şekil 2. Üretilen Prototip nedeniyle katı model varsayımının geçerli olduğu görülmektedir. Seçilen malzemeler Tablo 4’te belirtilmiştir. 3.MODELLEME Projenin tasarım kısmında, ilerideki kontrol Tablo 4. Ana Gövde İçin Seçilen Malzemeler aşamalarına dikkat edilip buna göre yol alınmıştır. Kontrol edilebilir bir sistem tasarımı İsim Malzeme Amaç Boyut Gövde 6063-T5 Ana 100x100x gerekli basitleştirmeleri yapabilmek için bazı 30 cm varsayımlara gidilmesi öngörülmüştür. Bunlar; alüminyum elemanları tutmak Motor 6082-T6 Motor ve 102.11x40 Tutucu alüminyum gövdeyi birbirine bağlamak hedeflenmiştir x13 mm Seçilen bu malzemeler ile sistemin ana gövde ve motor tutucularının tasarımı tamamlandı ve ve sistem modellenmesinde Sistemin fiziksel karakteristiğinin katı kabul edilmesi Sistemin tamamen simetrik olması sonucu eylemsizlik matrisinin köşegen kabul edilmesi Döner kanatların ürettiği kuvvetlerin, kanatların dönüş hızlarının karesiyle doğru orantılı kabul edilmesi sonucu yapılan yaklaşımın aerodinamik davranışa yakın olması Havada asılı kalma durumu 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Şekil 3’te sistemin genel durumu görülebilir, “b” gövde için “e” ise yerin referans eksenlerini belirtmek için kullanılmıştır. (10) Sistemin genel durum vektörü ise aşağıdaki gibidir. (11) Sistemin itki kuvvetleri ise motorların itki kuvvetleri ve hız kontrol ünitelerinin PWM sinyallerinin çalışma rejimleri arasında cebirsel denklem tanımlanarak elde edilmiştir. Şekil 4’te motor kontrol ünitelerine verilen çalışma rejimleri ile itki kuverleri arasındaki ilişki gösterilmiştir. Şekil 3. Genel Durum[5] Gövde hareket algılayıcıları referans eksenine yerleştirileceği için alınan veriler yerin referans ekseniyle bağıntılı olmalıdır. Bu sebeple sistem uygun dönüş matrisleriyle çarpılmalıdır [5]. (1) (2) (3) Sonuç olarak çeviri matrisi Eşitlik 4’teki gibi yazılır. R=RxRyRz Şekil 4. İtki Kuvvetleri ve Hız Denetim Üniteleri Arasındaki İlişki (4) Sistem ekseni üzerindeki çizgisel hız oranı bileşenlerine ayrılmış ve Eşitlik 5’te verilmiştir. Bu değerler kullanılarak Matlab® birinci Curve dereceden Fitting Tool denklemlere dönüştürülmüştür. Kuvvetleri birimi Newton’dur. (7) (8) (9) F1=2.382*rejim-83.49 (12) F2=2.323*rejim-80.76 (13) F3=2.339*rejim-80.34 (14) 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara F4=2.024*rejim-67.7 (15) Dolayısıyla, toplam itki kuvveti şu şekilde ifade edilir: (16) (21) Ve moment kuvvetleri aşağıdaki denklemlerle Girdi belirlenir: (17) matrisi B, dört motorun rejimlerinden oluşan girdi vektörü u, ve Jacobian metodu kullanılarak doğrusallaştırıldı. (18) (19) çalışma ( 22) Ve, Burada L, motorlar ile sistemin ağırlık merkezi (23) arasındaki uzaklık olarak belirlenmiştir ve bu uzaklık 0.4 metredir. Bir sabit sayı olan “c” ise GX-2 ataletsel ölçüm algılayıcısı kullanılarak itki kuvvetleri ve gövdenin dikey ekseni etrafında sistemin oluşan momentle ilgili bir kat sayıdır. ölçülebilmekte olduğu için C matrisi 6x6 özdeşlik Böylece doğrusal olmayan dinamik denklemler belirlenmiştir. üç eksenindeki açılar ve açılar matrisi haline gelir. Düz geçiş matrisi D ise, sistemin girdi ve çıktıları arasında doğrudan bir bağlantı olmadığı için sıfır alınır. Böylece çıkış matrisi aşağıdaki gibidir. 3.1Dinamik Denklemlerin Doğrusallaştırılması Dinamik denklemler sistemin havada asılı kalma durumu baz alınarak, jacobianlar kullanılarak doğrusallaştırılma yöntemi izlenmiştir. (20) Verilen n genel durum denklemi, y=f(x), ve n genel durum değişkeni x1,…,xn, kullanılarak jacobian hesaplanır; matrisi aşağıda gösterildiği gibi (24) p: yunuslama açısal hızı, q:yuvarlanma açısal hızı, r: rota açısal hızı, yunuslama açısı, : yuvarlanma açısı, rota açısıdır. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Handan Kara, Mehmet Çakmak ve Mehmet 4.SONUÇLAR Bu makalede dört adet döner kanatlı, dikey olarak Aday’a teşekkür ederim. havalanabilen, yönelim ve seyir denetimini sağlayabilecek eyleyicilere sahip yüksek ataletli robotik sistem tasarımı ve detayları ile ilgili yapılan çalışmalar anlatılmıştır. Sistemin fiziksel ve matematiksel modeli tamamlanmış, sistem parametreleri ölçülüp denetimci üzerine çalışmalar yapılacaktır. ataletsel değişimlere dirençli olan denetimci yöntemleri uygulanmak daha isabetli bir yöntem olur [6]. Bu yöntemlerden bazıları “Gürbüz Denetimci” ve “H∞ Denetimci” algoritmalarıdır Tasarlanan [1] Kelly, Graham S., (2012), “Mechanical Vibrations Theory and Applications”, 200 First Stamford Place, Stamford, CT06902, Cengage Learning [2] Krodkiewski, J., M.,(2008), “Mechanical Sistem yük taşıma amaçlı olarak tasarlandığı için [7]. KAYNAKÇA MATLAB http://www.mech.eng.unimelb.edu.au/dynam ics/14lec.pdf (Erişim: 16.11.2011) ve [3] Budynas, Richard G.,Nisbet,Keith J,(2008), Simulink yazılımları ile benzetim çalışmaları “Shigley’s Mechanical Engineering Design”, yapılacaktır. Tasarlanan denetleyici ve benzetim New Yory, NY10020 , McGraw - Hill ortamındaki uyum test edilecek, bu doğrultuda Compaines,Inc. denetleyicide denetimciler Vibration”, düzenlemelere gidilecektir. Denetleyici tasarımı ve ilgili uçuş testleri, bundan çalışmanın sonraki aşamalarını oluşturacaktır. [4] Roylance, D., (2001), “Finite Element Analysis”, http://ocw.mit.edu/courses/materials-scienceand-engineering/3-11-mechanics-ofmaterials-fall-1999/modules/fea.pdf (Erişim:16.11.2011) TEŞEKKÜR Bu araştırma, [5] Kıvrak, Arda Ö., (2006), “Design of Control MECE 407-408 Lisans Araştırma Projeleri I-II dersleri kapsamında gerçekleştirilmiş ve Atılım Üniversitesi tarafından desteklenmiştir (Proje No: LAP-A111201). Derslerin yürütülmesine ve proje çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı Anıl Güçlü, Mete Aydemir, Cahit Gürel, Meral Aday, Systems For A Quadrotor Flight Vehicle Equipped With Inertial Sensors”, acikarsiv.atilim.edu.tr/browse/156/168.pdf (Erişim: 10.03.2012) [6] Kirk, Donald E. , (1998) , ” Optimal Control Theory: An Introduction”,Dover Publications 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara [7] Pounds P., Mahony R. ve Corke P., (2010), “Modelling and Control of a Large Quadrotor Robot”, Control Engineering Practice,Vol. 18, pp. 691-699, Elsevier. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara YUSUFCUK BÖCEĞİNİN KANAT HAREKETLERİNİ TAKLİT EDEN ROBOT TASARIMI VE ÜRETİMİ Alper TÜRKER, turker.alper@hotmail.com Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Mustafa Said AKSAL, mustafasaidaksal@hotmail.com Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara Abdulkadir ERDEN, aerden@hotmail.com Atılım Üniversitesi, 06836, Ankara imitates the wing locomotion of the dragonfly. Also this project was done under the MECE 407 ÖZET and MECE 408 under graduate research project Bu bildiri MECE 407 ve MECE 408 mezuniyet öncesi araştırma projesi dersleri kapsamında yusufçuk böceğinin kanat hareketlerini taklit etmek için tasarlanan ve üretilen çeşitli prototiplerle ilgili bilgi içermektedir. Ayrıca, bildiride yusufçuk böceğinin kanatlarının açı değişimleri ve kanat kinematiği de bildiride bulunmaktadır. Bundan başka, geliştirilen servo motorlu, kızaklı krank mekanizmalı ve İskoç mekanizmalı prototipler arasındaki farkları ve benzerlikleri, avantaj ve dezavantajları da bildiriye eklenmiştir. Dahası, Seçilen proje kapsamında bio-benzetim ile kavramsal tasarım courses. Moreover, paper includes the wing kinematic and the angle changes while stroking. Furthermore, similarities and differences and also advantages and disadvantages of developed prototypes, which were made from servo motors, slider crank mechanism and scotch yoke mechanism, were also discussed. Additionally, Literature survey about selected project and description of project were done by using bioinspired conceptual design process (BICD). KEYWORDS (BBKT) metodu kullanılarak literatür taraması Dragonfly like robot, wing kinematic, slider hazırlanmıştır. crank mechanism, scotch yoke mechanism, BICD ANAHTAR KELİMELER: Yusufçuk benzeri robot, kanat kinematiği, kızaklı krank mekanizması, İskoç mekanizması, BBKT 1. GİRİŞ 2011 ve 2012 yıllarında MECE 407 ve MECE 408 mezuniyet öncesi araştırma projesi dersleri kapsamında yusufçuk böceğinin kanat ABSTRACT hareketlerini taklit eden bir robot’un yapılması This paper includes information about designing planlanmıştır. and manufacturing a dragonfly like robot which nedeni, böceğin dünyadaki diğer bütün uçan Yusufçuk böceğinin seçilme 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara böceklerden daha güçlü olması ve bu sayede çok hareketi sağlayacak olan mekanizmalar üzerine üstün manevra kabiliyetine sahip olmasıdır. yapılmıştır. Öyle ki, yusufçuk böceği bu üstün gücü nedeniyle avlarına havada angaje olabilir, havada 180 derecelik çok keskin dönüşler yapabilir ve hatta bazı türleri saatte 90 kilometre hızlara ulaşabilir [1]. Yusufçuk böceğinin bu bahsedilen üstün hareket ve kaldırma kuvvetleri Mece 407 ve Mece 408 dersleri kapsamında proje olarak seçilmesinin temel nedenleridir. Dahası proje esnasında bio-benzetim (bio-esinlenme) kavramsal tasarımı kullanılarak projenin tanımı hazırlanmıştır. Ayrıca proje esnasında yusufçuk böceğinin kanat hareketlerini taklit edebilecek çeşitli tipte çözümler üretilmiş ve denemmiş ve sonuç olarak içlerinden en iyisi seçilmiştir. Buna ek olarak projede yalnızca yusufçuk böceğinin kanat hareketlerine ve kanatlarının şekil ve boyutlarına odaklanılmıştır. Bu yüzden yusufçuk 2. ARAŞTIRMA PROJESİNİN HEDEFLERİ VE MOTİVASYONU Bilindiği üzere insansız hava araçları günümüzün nerdeyse en popüler mekatronik ürünlerindendir. Bu kadar popüler olmalarının nedeni, ucuz ve kullanımlarının göreceli olarak kolay olmasıdır. Ayrıca insansız hava araçlarını kullanacak olan personelin eğitim masrafları da insanlı uçaklara göre daha azdır. Bu özellikleri nedeniyle insansız hava araçları kendilerine sivil ve askeri birçok uygulamada yer bulmuşlardır. Özellikle askeri uygulamalarda personel kaybı riskini yüksek olduğu operasyonlarda keşif, gözlem, istihbarat ve düşman kuvvetlere müdahale görevlerini etkili şekilde yerine getirmektedir. böceğinin aerodinamik veya uçuşunu etkileyen Operasyonel özelliklerinden dolayı insansız hava başka özellikleri incelenmemiştir. araçları özellikle askeri kullanımlarda kullanıcıya Proje kapsamında geliştirilen prototipin uçması planlanmamış sadece yusufçuk böceğinin kanat hareketlerini taklit edecek bir masa üstü model olması planlanmıştır ve çalışmalar bu doğrultuda yapılmıştır. Bütün bunlara ek olarak MECE 407 ve MECE 408 dersleri kapsamında bio-esinlenme laboratuarında daha önce benzeri bir çalışma olmadığından ötürü çok detaylı bir literatür taraması yapılmıştır ve bu tarama önceden de bahsedildiği gibi sadece kanat kinematiği ve birçok avantaj sunmaktadır ve görevleri yerine getirmekte genellikle iki farklı tip insansız hava aracı kullanılmaktadır. Bunlar sabit kanatlı ve döner kanatlı olmak üzere iki tipe ayrılmaktadır. Birçok avantajının yanı sıra bu tip platformların askeri kullanımlarda önemli bir dezavantajı da vardır. Bu da radara yakalanmamalarına rağmen özellikle gün ışında düşman tarafından kolaylıkla çıplak gözle tespit edilmeleri ve pahalı olmayan sistemler aracılığı ile etkisiz hale getirilmeleridir. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Bunun nedeni insansız hava araçlarının ne kadar yıllarını küçük de olsa göze yapay görünmeleri ve bu kanıtlanmış, Akira Azuma’nın çalışmalarından yüzden kolaylıkla tespit edilmelerine neden faydalanılmıştır. olmaktadır insansız fakat hava araçları konvansiyonel hava araçları gibi değil de bir böcek gibi kanat çırparak havada kalabilseler tespit edilmeleri güçleşecektir. harcamış olan ve güvenirliliği Yusufçuk böceğinin kanat hareketleri genel olarak iki tip açı değişimi ihtiva etmektedir. Bunlar kanadın hücum açısının değişimi ve çırpınma esnasında kanadın gövde ile yaptığı açı Bu sebeple projenin amacı ve motivasyonu, değişimi olan çırpınma açısıdır. insansız hava araçlarına bir biyolojik canlı görünümü vererek onlara havada dahi olsalar kamuflaj sağlamak ve aracın tespit edilmeden düşman bölgesi üzerinde operasyonuna devam etmesini sağlamaktır. 3. LİTERATÜR TARAMASI Önceden de belirtildiği gibi yusufçuk böceğinin kanat hareketlerini taklit edecek olan robot masa üstü bir model olarak tasarlanmış ve uçmaması planlanmıştır ve literatür taraması da bu doğrultuda sınırlandırılmıştır. Literatür taraması Şekil 3.1. Yusufçuk böceğinin kanatlarının genel olarak üç kısımdan oluşmaktadır bunlar hücum ve çırpınma açısı değişimleri [3] kanatların çırpınma esnasındaki açı değişimleri, kanatların şekli ve boyutları ve ayrıca kanat açılarını taklit edecek olan mekanizmadır. Bu bağlamda öncelikle kanatlardaki açı değişimleri incelenmiştir. Şekil 3.1 de görüldüğü üzere yusufçuk böceği kanatlarını aşağı doğru çırparken kanatların hücum açısı nerdeyse yüzeye paralel olacak şekilde döndürmekte ve bu sayede kanatların İklim koşulları nedeni ile laboratuarımızda havayla temas eden yüzey alanını artırarak bulunan yüksek hızlı kamera yusufçuk böceğini maksimum kaldırma kuvveti elde etmektedir. doğada bulamadığımızdan, dolayı kullanılamamış Ayrıca yukarı çırpınma esnasında ise kanat açı literatürden hücum açılarını artırarak kanatların havayla temas sağlanmıştır. Bu bağlam da literatürde bu konuda eden yüzey alanını azaltmakta ve bu sayede değişimleri direk olarak 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara kanatlara etki eden hava sürtünmesini düşürmektedir. değişimleri çalışmalarında verdiği grafiklerden elle cetvel ve pergel kullanılarak çıkarılmıştır. Bahsedilen bu hücum açısı değişimi böceğin uçmasını sağlamaktadır aksi taktirde böcek aşağı ve yukarı çırpınma esnasında birbirine zıt üreterek kuvvetler gelecektir. uçması Literatürde imkansız kanatların Tablo 3.1. Hareket periyotuna göre hücum açısı değişimleri hale Ön çırpınma Arka Periyot kanat(derece) kanat(derece) 0 -46,35 26,27 T/16 7,73 18,85 T/8 15,45 24,41 yusufçuk böceği ön ve arka kanatlarını faklı 3T/16 16,1 33,9 fazlarda çırpabilmekte ve bu durum böceğin T/4 20,1 52,53 istenilen açıya dönmesini sağlamaktadır. Ancak, 5T/16 30,9 23,17 yusufçuk böceği ön ve arka kanatlarını aynı fazda 3T/8 49,5 7,42 çırparak 7T/16 71,7 6,18 T/2 61,5 -15,45 9T/16 22,25 -26,88 5T/16 9,27 -34,3 1,5 -49,44 3T/4 -9,25 -47,82 13T/16 -24,72 -15,75 -50,9 1,55 -74,16 6,18 -46,35 26,27 esnasında esnemesi tarafından de incelenmiş birçok araştırmacı fakat konunun karışıklığından dolayı projeye dahil edilmemiştir. Ayrıca literatürden maksimum edinilen kaldırma bilgilere kuvveti göre elde etmektedir [4]. Bu bağlamda üretilen maksimum kuvvetin etkilerini de gözlemlemek ve farklı fazlardaki çırpınmanın getirdiği karışıklardan sakınmak için 11T/16 üretilecek olan prototipin ön ve arka kanatları aynı fazda çırpınacaktır. Literatürden edinilen 7T/16 bilgilere göre yusufçuk böceği ani dönüşler için dört kanadından birini dönüş esnasında 15T/16 T çırpınmadan sabit şekilde tutabilmektedir [5]. Ancak prototipteki mekanizma kompleksliğini azaltmak için bu konu projeye dahil edilmemiştir. Tablo 3.1 de görülen açı değişimi Excel programı Önceden de bahsedildiği gibi açı değişimleri hem kullanılarak grafik haline getirilmiştir ve aynı hücum açısı hem de çırpınma açısı direkt olarak işlem Akira Azumanın çalışmalarından elde edilmiştir. uygulanmıştır. Görüldüğü üzere hücum açısı Fakat Azuma açık bir şekilde hücum ve çırpınma değişimleri düzgün bir sinüzoidal dalga değildir. açı değişimlerini paylaşmadığından dolayı, açı çırpınma açısı değişimleri içinde 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara ve bu uygulamada mekanizma tipine bağlı olarak Tablo 3.2. Hareket periyotuna göre çırpınma problemler çıkabilmektedir. açısı değişimleri Ön Periyot Arka kanat(derece) kanat(derece) 0 -44,8 -8 T/16 -41,5 12,8 T/8 -33,6 25,6 3T/16 -20,8 38,4 T/4 -3,2 48 5T/16 16 47 3T/8 30,4 40 7T/16 38,4 27,2 T/2 40 9,2 9T/16 36,8 -6,4 5T/8 28,8 -22,4 11T/16 14,4 -36 3T/4 -3,2 -43,2 13T/16 -20,8 -41,8 7T/16 -32,8 -36,8 15T/16 -43,2 -22,4 -44,8 -8 Şekil 3.2. Ön kanat hücum açısı değişimi grafiği T Tablo 3.2 de ise ön ve arka kanat için çırpınma açısı değişimleri verilmiştir. Buradan da anlaşılacağı gibi çırpınma açısı değişimleri Şekil 3.3. Arka kanat hücum açısı değişimi hücum açısı değişimlerine nazaran çok düzgün ve grafiği prototip tarafından taklit edilmesi göreceli olarak Şekil 3.2, Şekil 3.3, Şekil 3.4 ve Şekil 3.5 deki açı daha kolaydır. Her ne kadar hem hücum açısı değişimleri değişimlerinde mekanizma tipine göre çeşitli bilgisayar yazılımları kullanılarak düzeltilmiştir. hem de çırpınma açısı değişimlerinde ön ve arka kanat arasında faz farkı olsa da masa üstü platformunda mekanizmaya 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara bağlı olarak açılar aynı fazda uygulanacak veya gerçek kanat boyutunun nerdeyse beş katı farklı fazlar taklit edilecektir. Burada belirleyici kullanılmıştır. Kanatlar önceden de bahsedildiği unsur mekanizmanın tipi ve eyleyicilerin bu faz gibi ön kanat ve arka kanat olarak ikiye farkını taklit edip edemeyeceği ile alakalıdır. ayrılmıştır ve ön ile arka kanatların şekli ve boyutları farklıdır. (Şekil 3.6. ve Şekil 3.7) Şekil 3.6. Yusufçuk böceği ön kanadı [6] Şekil 3.4. Ön kanat çırpınma açısı değişimi grafiği Şekil 3.7. Yusufçuk böceği arka kanadı [6] Bu kanat şekilleri ve boyutları yusufçuk Şekil 3.5. Arka kanat çırpınma açısı değişimi böceklerinin türlerine ve yaşadıkları ortama göre grafiği hem boyut hem de şekil açısından farklılık Kanat boyutları ve şekli direkt olarak literatürden göstermektedir. Fakat prototip kapsamında açı alınmıştır ve bazı prototiplerde bir’e bir ölçü değerlerinin de alındığı sıkça bulunan bir tür olan kullanılırken bazı modellerde yaklaşık olarak Sympetrum vulgatum’un kanatları kullanılmıştır. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Bunlara ek olarak açı değişimlerini taklit edecek Bütün bunlara ek olarak literatürde yusufçuk mekanizmayla taraması böceği tarzı robot üretimi ile ilgili yapılan yapılmıştır ve göreceli olarak yüksek frekanslı açı çalışmalarda malzeme olarak büyük ölçüde hafif değişimlerini taklit etmek için kızaklı krank ve dayanıklı malzemeler kullanılmıştır. Bu mekanizmasının malzemeler genellikle robot gövdesinde karbon da ilgili iyi bir literatür çözüm olduğu görülmüştür. fiber tüpler ve alüminyumdur. Bazı kısımlarda Çünkü doğada yusufçuk böcekleri kanatlarını 20 ila 90 hertz arasında çırpmaktadır ki bu çok yüksek bir frekans aralığıdır ve bu frekans değerlerine çıkmanın en etkili hızlı ve ucuz yöntemi kızaklı krank mekanizması kullanmaktır hızlı prototiplendirme makinesinde üretilen parçalar kullanılmıştır. Kanatlarda is genellikle termal yazıcılarda işlenen polyester filimler kullanılmaktadır. Literatürden elde edilen açı değişimleri, mekanizma yapısı ve kullanılan malzemeler ve kanat şekli ve boyu hakkındaki [7]. bilgiler kullanılarak çeşitli uçmayan, masaüstü ve yusufçuk böceğinin yalnızca kanat hareketlerini taklit eden farklı mekanizmalara sahip prototipler Şekil 3.8 deki yapı ve Denklem 3.1 ve Denklem 3.2 kullanılarak geliştirilmiştir. 4. YAPILAN ÇALIŞMALAR 4.1 Kanat tasarımı Daha öncede belirtildiği gibi kanatların boyutları ve şekilleri direkt olarak literatürden alınmıştır. Bu bağlamda Şekil 4.1.1 ve Şekil 4.1.2 de görüldüğü gibi çeşitli prototipler için kanatlar CATIA programı kullanılarak çizilmiştir. Örneğin servo motor kullanan masa üstü platformu gerçek yusufçuk böceğinin beş katı büyüklüktedir bu Şekil 3.8. Kızaklı krank mekanizmasının şematik yüzden kanatlar da gerçeğinden beş kat büyüktür. çizimi [7] Ancak kızaklı krank mekanizması kullanan z = r * cos(q )+l * cos(sin^-1(r=l * sin(q ))) (3.1) sistemde ise kanatların bire bir ölçüleri kullanılmıştır. Aynı zamanda mühendislik çizimi f = tan^-1((h-b-z)=a) (3.2) yapılan bu kanatlar polyester film benzeri bir 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara malzemeden lazer kesim makinesi ile kesilerek olarak servo motorlar Arduino mikro kontrolcü üretilmiş ancak lazerin gücü kanat malzemesini ünitesi ile sürülmüştür ve açı değişimleriyle ilgili yakmaması için düşürülmüştür. bilgi sisteme buradan sağlanmıştır. Servo motorların seçilmesinin sebebi bu tip motorların mikro kontrolcülerle sürülmelerine olanak kolay bir şekilde sağlamalarıdır. Ayrıca birbirinden bağımsız sekiz servo ile ön ve arka kantlar arasındaki çırpınma ve hücum açısı değişimi farklı fazlarda da çalıştırıla bilmektedir. Bunlara ek olarak servo motorların literatür çalışmasından Şekil 4.1.1. Ön kanat CATIA çizimi elde edilen açı değerlerine ulaşması için bir yazılım yazılmış ve sisteme uygulanmıştır. Bunun dışında sistemin kanatları polyester film benzeri bir malzemeden yapılmış gövdesi ise kalınlığı yerine göre farklılık gösteren pleksiglas’tan yine lazer kesim cihazında kesilerek üretilmiştir. (Şekil 4.2.1) Şekil 4.1.1. Ön kanat CATIA çizimi 4.2 Servolu Prototip Adından da alışılacağı üzere bu prototip çırpınma ve hücum açısı değişimlerini taklit etmek için servo motorlar kullanmaktadır. Hücum açısı için birer adet ve çırpınma açısı içinde birer adet olmak üzere prototipte toplam olarak sekiz mikro servo kullanılmıştır. Ayrıca servoların boyutları Şekil 4.2.1. Servolu yusufçuk prototipi 4.3 Kızaklı krank mekanizmalı prototip nedeniyle prototipin büyüklüğü gerçek yusufçuk Bu prototip adından da anlaşılacağı gibi açı böceğinin yaklaşık beş katına çıkarılmıştır. Ek değerlerini taklit etmek için bir kızaklı krank 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara mekanizmasına sahiptir. Bilindiği üzere bu mekanizma dairesel hareketi etkin bir biçimde doğrusal harekete çevirmektedir. 4.4 İskoç mekanizmalı gelişmiş prototip Bu prototipteki mekanizmalı mekanizma prototip ile kızaklı ayni krank prensibi Ek olarak prototipin boyutları Denklem 3.1 ve 3.2 paylaşmaktadır ancak kızaklı krank mekanizması kullanılarak hesaplanmıştır. Bu sisteme güç, küçük prototip için fazla titreşim üretmektedir. harici bir güç kaynağından sağlanmaktadır. İskoç mekanizması ise hareket eden pistonun bir yatağının olmasından titreşimler oldukça geliştirilme aşamasındadır; deneyler ve dolayı istenmeyen azalmaktadır. gözlemler ancak sonucu Hala yapılan en uygun mekanizma olarak seçilmiştir. Bu sistemde kızaklı krank mekanizması gibi doğrudan harici güç kaynağı ile beslenmektedir. 5. SONUÇLAR VE GELECEKTEKİ ÇALIŞMALAR Geliştirilen prototipler ışığında, kanatlarla ilgili Şekil 4.3.1. Kızaklı krank mekanizmalı yusufçuk hem boyut hem de şekil olarak hiçbir problemle karşılaşılmamıştır. prototipi Servolu prototip ise geliştirilen protoipler arasında açıları en iyi şekilde taklit etmesiyle öne Şekil 4.3.1 de görülen sistem üzerinde kızaklı çıkmıştır. Ek olarak servolu prototip kanatların krank mekanizması test edilmiş ve daha küçük farklı olan bir prototipe uyarlanmıştır. sağlamaktadır. Fakat sistem ancak 0.5 ile 1 hertz Bu küçük prototipte uzaktan kumandalı fazlarda çalışmasına da olanak arsında çalışmaktadır ve öteki prototiplere göre helikopter parçaları kullanılmıştır fakat sitemin oldukça ağır ve büyüktür. Kızaklı krank titreşiminin fazla olmasından dolayı kızaklı krank mekanizmalı ve İskoç mekanizmalı prototipler ise mekanizması terk edilmiş ve yine aynı prensiple yüksek frekanslarda servolu siteme göre daha çalışan İskoç mekanizması kullanılmıştır ve yüksek performans sağlamıştır ve sistem 2-3 sistemdeki titreşimlerin azaldığı gözlemlenmiştir. hertz aralığında çalışmıştır. Ancak bu iki sistemde ön ve arka kanatlar aynı fazda çalışmaktadırlar. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Ek olarak az parça gereksinimi olduğundan bu sistemler servolu sisteme göre oldukça hafiftir. KAYNAKÇA [1] Bomphrey, R. J., 2004, “Dragonfly flight: Gelecekteki çalışmalar iki ana başlığa ayrılabilir. Free-flight and tethered flow visualizations Birincisi yakın gelecek ve ikincisi uzak gelecek. reveal a diverse array of unsteady lift- Yakın gelecekte İskoç bitirilecek ve testler mekanizmalı sistem generating mechanisms, controlled primarily detaylı şekilde via angle of attack,” Journal of Experimental gerçekleştirilecektir. Uzak gelecekte ise sistemin bütün iskeleti hızlı prototiplendirme makinesinde Biology, vol. 207, pp. 4299–4323. [2] Azuma, A., 1984, “Flight Mechanics of a tekrardan üretilmelidir. Çünkü güncel sistemde Dragonfly,” uzaktan Research, kumandalı helikopter parçaları kullanılmakta ve bunlar ihtiyacı karşılamaktan uzaktır. Ayrıca birçok gereksiz ağırlık ve parça içermektedir. Institute Faculty of of Interdisciplinary Engineering, The University of Tokyo, Japan, Tokyo. Azuma, [3] A., 1996, “Aerodynamic characteristics of the wings and body of a haricinde Belirtilenlerin İskoç mekanizması kanatları göreceli olarak yüksek frekanslarda öteki prototiplere göre daha stabil şekilde çalışmaktadır. Ek olarak detaylı bir çalışma ile dairesel parçaya farklı merkezli bağlantılar açılarak ön ve arka kanatlar arasında faz farkı dragonfly,” Journal of Experimental Biology, vol. 199, pp. 281–294. [4] Dickinson, M. H., Lehmann, F. O., and Sane, S. S., 1999, “Wing rotation and the aerodynamic basis of insect flight,” Science, vol. 284, no. 5422, pp. [5] Hu, Z., 2008, “Design and Experiments of a elde edilebilir. Dragonfly-Inspired Robot,” Department of TEŞEKKÜR Mechanical Bu araştırma, MECE 407-408 Lisans Araştırma Projeleri dersleri I-II gerçekleştirilmiş ve Atılım Derslerin yürütülmesine University of Delaware, Newark, DE – US. kapsamında [6] Appleton, F. M., 1974, "Dragonflies and Üniversitesi flight," Nature Canada, vol.3(3), pp. 25-29. tarafından desteklenmiştir (Proje No: LAP-A111201). Engineering, ve proje [7] Sun, M., 2005, “A computational study of the aerodynamics and forewing-hinwing çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı, interaction of a model dragonfly in forward Sayın hocalarımız Yrd. Doç. Dr. Zühal ERDEN, flight,” Journal of Experimental Biology, vol. Öğr. Gör. Aylin KONEZ EROĞLU ve Arş. Gör. 208, pp. 3785–3804. Cahit GÜLER’e teşekkürü bir borç biliriz. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara İNSAN YÜRÜMESİNİN KİNEMATİK ANALİZİ Dalyan KIRBAŞ, kirbas.dalyan@atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, Ankara Muhammed SATILMIŞ, satilmis.muhammed@ atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, Ankara Ruşen YILDIRIM, yildirim.rusen@atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, Ankara Süleyman Can SİVRİOĞLU, sivrioglu.scan@ atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, Ankara Abdulkadir ERDEN, aerden@atilim.edu.tr Atılım Üniversitesi, Ankara ÖZET Bu ABSTRACT çalışmada hareketinin In this study, kinematic analysis of human kinematik analizi biyo benzetim mühendislik walking motion was made by bio-engineering yöntemi sağlıklı simulation. Five subjects with healthy gait, yürüyüşü olan denek, yürüyüş bandı üzerinde walking on a treadmill, fast walking, running, yürüme, hareketleri walking speeds of movements taken from the literatürden alınan yürüme hızları ile işbu literature of this movement has been built with hareketler yaptırılarak hızlı kamera ile açı, hız, high speed camera angle, speed, time values were zaman değerleri alınarak analizler elde edilmiştir, obtained from analyzes based on this analysis, the işbu analizlerin ortalamaları alınarak fiziksel physical model is based on the average, were model çalışmalarına başlanmıştır. Yapılan fiziksel initiated. Movement of people walking in the model yürüyüş light of the analysis of the physical model at the hareketinin bire bir aynısını yapmakta aynı same time making the same shape and size of a zamanda şekil ve ebat olarak da beş deneğin one-to-five subjects as the average leg size. After ortalama bacak ebatlarındadır. İlk olarak PVC the first prototype to be successful than those materyalinden made of PVC material, prototype, plexi-glass ile insan yürüyüş yapılmıştır. hızlı Beş yürüme, analizler ön adet koşma ışığında üretim insan yapılmış daha sonrasında ön üretimin başarılı olması dolayısıyla plastik cam materyalinden gerçek model üretilmiştir. ANAHTAR KELİMELER: Biyo Benzetim, Kinematik Analiz, İnsan Yürüyüş Hareketi, Hızlı Kamera. material thus produced a real model. KEYWORDS: Bio-inspired, Kinematic Analysis, Walking Motion, High Speed Camera. Human 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara doğrultusunda; normal yürüme 4 km/saat hızında, 1.GİRİŞ Gerek mühendislik çalışmaları gerekse medikal çalışmalar olsun, insan yürüyüşü teknolojik ve bilimsel açılardan incelemeye alınmıştır. İnsan yürümesine ait çalışmalar genellikle bir kuvvet algılayıcısı yardımıyla incelemelerden incelenmiş bulunan bulgularla ve bu çeşitli yorumlara uygun veriler ortaya çıkmıştır. Bazı araştırmalarda, yürüme şekillerini sınıflandırmak için ve insanın diğer canlılardan ne derece farklı yürüdüğünü ortaya koymak için çalışmalar yapılmıştır. Diğer bir alanda ise insan benzeri robotlar ya da insan üzerine adapte edilebilecek yapay bacaklar yapmak üzere araştırmalar yapılmış ve çeşitli sonuçlara varılmıştır. Bu projede yürüme ve koşma hareketinin kinematik analizi yapılmış ve sonuçları ardından gelebilecek diğer araştırma projelerine kılavuz olarak elde edilmiştir. Bu çalışmada öncelikli olarak yürüme analizinin yapılacağı çalışma ortamı hazırlanmıştır. Bu hazırlıklarda yürüme bandı kurulmuş, yürüme bandını net bir şekilde kayıt altına almayı sağlayacak ışık ve kamera düzeni hazırlanmıştır. çalışabilen Kamera hızlı hazırlandıktan 2000 kameradır. sonra, daha fps hız ile Çekim ortamı önce yapılan çalışmalardan elde edilen veriler eşliğinde 18-55 yaş arası ve 55-110 kg olan insan yürüyüşünün hız değerleri elde edilmiş ve bu değerler doğrultusunda yürüme bandı ayarlanmış ve bu bantta yürüyecek denekler bulunmuştur. Denekler var olan çalışmalardan elde edilen veriler hızlı yürüme 6.5 km/saat hızla ve koşma 10 km/saat hızlarla çekimlere başlamıştır. Çekimlerden elde edilen veriler ışığında “Tema Motion” görüntü inceleme ve işleme programında gerekli analizler yapılmış ve elde edilen analizler sayesinde 3 boyutlu ön bir platform hazırlanmıştır. İşbu çalışmalar insan yürüyüşünün kinematik analizinin elde edilmesi için yapılmıştır. Çalışmanın amacı insan yürüyüşünü elde bulunan envanterler ile elde etmek ve bu analizler doğrultusunda fiziksel model yaparak biyo benzetim mühendislik yöntemi ile insan bacağının şekil ve davranış olarak bire bir özelliklerini taşıyan bir fiziksel model imal etmektir. Bu çalışmanın endüstriyel, medikal ve savunma sanayine yönelik tasarımlara ışık tutmasını ve kuvvet platformu edinilmesi durumu dahilinde işbu tasarımların oluşumunun ilk basamağı olması projenin amacıdır. Makalenin ikinci bölümünde bu projenin amacı, motivasyonu, faaliyet alanı ve yöntem biliminden bahsedilmiştir. Makalenin üçüncü bölümünde bu araştırmayla ilişkili daha önceki çalışmalar incelenmiş ve makalenin dördüncü bölümünde araştırma açıklanmıştır. sürecinde Sonuç yapılan bölümünde çalışmalar ise bu araştırmanın sonucunda elde ettiğimiz verilere, bu araştırmanın teknolojik gelişmelere katkısı ve bu araştırmanın mevcut teknoloji ile arasındaki benzerlikler ve farklara yer verilmiştir. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara 2.ARAŞTIRMANIN AMACI, MOTİVASYONU, FAALİYET ALANI VE YÖNTEM BİLİMİ kullanılmıştır. Biyo benzetim tasarım; biyolojik Bu projenin temel amacı, biyo benzetim yöntem yaratıcı ve yeni yapay ürünler geliştirmeye bilimini yönelik tüm faaliyetlerin kümesi (mühendislik ve kullanarak insan yürümesini etki uyandıran fikirler (yapılar, malzemeler, süreçler ve fonksiyonlar) ile mühendislik alanında ve koşmasını taklit etmektir. Ayrıca, bu projenin mühendislik olmayan) olarak tanımlanır.[2] ikincil amacı ise deneyler, toplanılan veriler ve Çalışmalar sonunda başarılı bir fiziksel model kinematik oluşturulması ve insan bacağının kinematik hesaplamalar yardımıyla bir simülasyon oluşturmaktır. Elde edilen simülasyon hareketlerinin ve veriler dahilinde oluşturulacak olan ön hedeflenmektedir. Bu yapılan fiziksel model çalışmanın, yürüme topladığımız veriler arasındaki bire bandı üzerinde bir sağlanması tıpkı insanın benzerliklerini ve farklılıklarını gözlemlemek yürüyüşünün insan yürüyüşünün taklit edilebilirliği hakkında çalışmanın başarılı olması sonucu endüstriyel, bilgi vermektedir. medikal ve savunma sanayinde kullanılacak İnsan yürüyüşü kinematik, statik ve dinamik tasarımlara ışık tutabilmesi projenin hedefidir. açıdan Bildirinin sonraki bölümünde daha önce yapılan incelenebilme özelliğine sahiptir. Kinematik, hareketi, sebep ve tesirlerini göz hareketlerini bir yapacaktır. Bu araştırmalar hakkında bilgi verilmiştir. önüne almadan inceleyen mekaniğin bir bölümü [1] ve aynı zamanda kinematik, hareketin ve 3.VAROLAN ÇALIŞMALAR ondan doğan hız ve ivmenin açılarıyla uyumunun Bilimsel yürüme analizi öncüsü 1680 yılında anlaşılmasıyla proje hayvan yürümesi üzerine çalışmalar yapan De kapsamında insan yürüyüşü kinematik olarak Motu Animalium Aristoteles idi[3]. 1890'larda, incelenmiştir. Ancak bu projeden elde edilen Alman anatomist Christian Wilhelm Braune ve verilerin kullanım alanı çok geniştir. Bu projede Otto Fischer yüklü ve yüksüz koşullar altında elde edilen veriler medikal sektörde, savunma insan yürüyüşün biyomekanik üzerine bir dizi sanayinde makale ve kavranabilir robotik ve sistemler bu içerisinde Fotoğrafçılık yayınlamıştır.[4] kullanılabilir. Bu proje esasında tüm yürüme sinematografinin mekanizmalarının temelidir ve yardımlarıyla yürüyüşü ile insan yürüyüşü arasındaki fark gözle yürümek için protezler, rehabilitasyon cihazları görülür ve robotik yürüme aygıtları geliştirilebilir. Muybridge ile Étienne-Jules Marey 1900'ların Veri toplama ve toplanılan veriyi işleme kısmında başlarında bu gelişmelere öncülük etti. Genellikle bilimsel yöntem olarak biyo benzetim tasarımı yürüme hale analizi gelişimiyle gelmeye birlikte ve başladı. sonuçlarına göre hayvan Eadweard ortopedik 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara cerrahi, tedavi içeren rejimlerin gelişmesi, 1980'li Literatürü özetlemek gerekirse insan yürüme yıllarda önemli ölçüde ilerledi. Birçok önde gelen analizi ortopedik hastaneler dünya çapında artık rutin gözlemlenmiş tedavi planları tasarlamak ve takip izlenmesi için zamanlarda teknolojinin gelişmesiyle birlikte kullanılır yürüyüş laboratuarları oluşturdu. pediatrik rahatsızlıkları düzeltmek amacı ile Serebral parsi ve Parkinson gibi hastalıklara sahip medikal ve biyomedikal alanda çalışmalara olan hastaların yürümesi incelenmeye başlandı. başlanmıştır. Diğer bir yandan savunma sanayi Modern sistemlerin çalışmaları da iki bacak üzerinde ilerleyebilen geliştirilmesi; araştırma laboratuarları, havacılık sistemler oluşturmak için çalışmalara başlamıştır. ve uzay sanayi ile işbirliği aracılığıyla bazı temel Ancak her iki çalışmanın da bu projeyle birkaç hastanede 1970'lerin sonunda ve 1980'lerin benzerlikleri ve farklılıkları vardır. En temel başında daha teknolojik boyutlara ulaştı.[5] benzerlik bu çalışmalar esnasında kullanılan Kronofotografi hareketi kayıt etmek için bilinen yüksek hızlı kameralar ve eklemlere yerleştirilen en yaygın ve kullanışlı yöntemdir. Seçici işaretleyicilerdir. En temek farklılık ise diğer aydınlatma ile tek bir fotoğraf görüntüleri yürüme çalışmalarda birden fazla kamera kullanılması ve analizi gerçek açıları elde edebilmek için kullanılan bilgisayar yardımcı tabanlı olmak için geçmişte genel olarak ve üzerine pediatrik açıdan çalışılmıştır. Son kullanılmıştır.[6]. Tek veya birden çok kameradan kuvvet platformlarıdır. görüntüleri kullanarak sine-film ya da video Bildirinin bir sonraki bölümünde proje esnasında kayıtları eklem açıları ve hızları ölçmek için yapılan çalışmalara yer verilmiştir. kullanılabilir. Bu yöntem, büyük ölçüde analiz işlemini kolaylaştırır ve analiz yazılımı 4. DENEY SETİ geliştirilmesi desteği ile üç boyutlu analiz için Çalışmanın ilk aşamasında kullanılan bilimsel olanak sağlar. Aynı anda, birden fazla kamera yöntemin çözüm bazlı biyo benzetim tasarımı (genellikle 5-12 kamera) kullanarak ve yansıtıcı olması nedeniyle deneyler yapılmaya başlandı. işaretleri Deneyler kapsamında 5 adet denek, 3 farklı fazda (pasif pişaretcileri) kullanarak, hale (4 km/saat yavaş yürüme, 6.5 km/saat hızlı yerleştirilen yürüme ve 10 km/saat koşma) yürütülmüş, hızlı belirleyiciler (markers) ve yansıma kaydetmek yürütülmüş ve koşturulmuştur. Platformun ve için filtreler ile eşleşen yüksek güçlü ışınları çekim (kızılötesi deneklerin bacak eklemlerine işaretler (markers) hareketleri çok getirebiliriz. Kameralar, veya hassas yakın kırmızı) kullanmaktadır.[7] ölçülebilir vücuda kızılötesi, genellikle ortamının hazırlanmasından sonra konularak video çekimleri hızlı kamera ile 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara yapılmıştır. Platformun konumlandırılması Şekil 4.1 de gösterilmiştir. Tablo 4.1 Deney fazlarına uygun kamera hızları DENEY FAZI KAMERA HIZI 4 km/saat 50 fps - 1:1 sec. 6.5 km/saat 125 fps - 1:1 sec. 10 km/saat 500 fps - 1:1 sec. 4.1. Sistem Analizi Hızlı kameranın yazılımı sayesinde eklem yerlerinin hareket esnasındaki açı, hız değerleri çıkartılmıştır. Bu değerler çıkartılırken her bir marker sırayla analiz programına işletilmiş, programın sürecinin çevre koşullarından etkilenmemesi için hızlı kameranın ve yürüyüş bantının yeri sabitlenmiş ve kameranın hızlı kamera ile uyumlu lensinin odaklanma mesafesi de deney esnasında sapma durumlarında kullanıcı olarak devreye girilmiştir. Bu değerlerin Şekil 4.1 Deney Düzeneği Deney analizden değiştirilmemiştir. Deneylerden elde ettiğimiz verilerin işlendiği yazılım programında yardım sağlaması amacıyla yürüme bandının üzerine belli bir ölçü konulmuş, iş bu sayede asıl amacı piksel ölçmek olan analiz zamanla olan ilişki grafikleri çıkartılarak hızzaman ve açı zaman değerleri analizler için hazırlanmıştır. İş bu çalışmalarda yürüyüşe sahip ve literatürdeki yaş ve kilo kriterlerine uyan denekler stabil bir şekilde yürüme, hızlı yürüme ve koşma hareketleri yaptırılarak çekimler yapılmıştır. Model üzerinde kullanılan hız-zaman ve açı grafiği Şekil 4.2 de gösterilmiştir. programına belirli ölçünün kaç piksel olduğu hesaplattırılmış ve analiz kolaylaştırılmıştır. Deney ortamının yetersiz ışık kaynağından ötürü ilave ışık kaynakları kullanılarak elde edilen verilerin analiz esnasında daha sağlıklı verimli kullanılabilir hale gelmesi sağlanmıştır. Gözlem methodu ile deneyin çekileceği 3 ayrı faz için 3 ayrı kamera ayarı tespit edilmiştir. Tablo 4.1 de iş bu ayarlarla ilgili veriler mevcuttur. Şekil 4.2 Hız-zaman ve açı grafiği 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara Beş adet denek ile üç farklı fazda çekim kinematik analizinin modellemesi yapılmıştır. yapılmasından dolayı elimizde kullanıma elverişli Şekil 4.3 de ön modelin bir görüntüsü vardır. 15 adet veri ve yaklaşık 75 adet döngümüz vardı. Bu döngülerden hangisinin en kararlı olduğunu anlamak için Matlab programında karşılaştırmalar yapılmış ve en kararlı olduğuna karar verilen döngü üzerinde çeşitli matematiksel yöntemlerle tam bir kararlı döngü haline getirilmiştir. Kararlı hale getirilen ve analiz programında elde edilen veriler eksi değerlere ve geniş açı değerlerine ulaştığı için ve aynı zamanda kullandığımız mikroişlemci katmanları bu değerleri kabul etmediği için, bu değerlerin düzenlenmesi gerekmektedir. düzenlemelerden sonra Gerekli mikroişlemcinin kullandığı yazılım dilinde kodları yazılmış ve açı değerleri bu kodlara eklenmiştir. 4.2. Prototip Üretimi Analizlerin yapılmasından sonra uygun malzeme ve motor araştırmalarına başlanmıştır. Bu seçim Şekil 4.3 Ön modellenmiş insan bacağı işlemi sonunda çift taraflı servo motor ve pleksi glas materyaline karar verilmiştir. Motorların proje ekibinin eline ulaşmasından sonra ilk prototip PVC materyalinden yapılmış, prototipin başarılı olmasından dolayı lazer kesim ile plastik camdan imal edilmiş ve motorlar yerleştirilmiştir. 3 boyutlu bir görüntü yakalamak ve dayanıklılığı sağlamak açısından çift taraflı robot servo 5.SONUÇ Bu proje çerçevesinde yapılan çalışmaların ve deneylerin sonuçları sıradaki gibi maddelendirilmiştir; a) İnsan yürümesinin ve koşmasının taklit edilebilir olduğu kanıtlanmıştır. motorları kullanılmıştır. Montaj işleminden sonra b) Gerekli tasarımlar dahilinde ilk model çift taraflı servo motorların analizler sonucu üretilmiş ve modelin, deneylerden elde edilen olması gereken açı ve hız değerleri işlemci analizlerle uyuştuğu gözlenmiştir. yardımıyla motorlara aktarılmış, insan bacağının 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara c) İnsan haricinde yürüyüşünün 2 eksenli kuvvet olarak platformu gözlenebileceği ispatlanmıştır. Ancak 3. Eksende yapılan açılar için tek kameranın uygun olmadığı; kuvvet platformuna ya da ikinci bir kameraya ihtiyaç olduğu anlaşılmıştır. gibi maddelendirilmiştir: a) Yapılan çalışma insan bacağının yürüme, hızlı yürüme ve koşma hareketlerinin biyo benzetim tasarım yoluyla yapılmasını protez sektörünü geliştirecektir. b) İnsan yürümesini üç mod da inceleyen a) İnsan yürüme hareketinin kinematik analizi yapılmasından sonra kuvvet platformu elde edildikten sonra dinamik analizinin yapılması mümkün olur. çalışma kinematik analizi ilk defa üç ayrı mod da incelenmesini sağlamıştır. Genelde var olan projelerde tek bir faz destek alınarak çalışılmıştır. Kuvvet platformunun alınmasından b) İnsan bacağından sonra insan ayağının da dinamik analizleri mümkün olacaktır. Bu iki analizinin birleştirilmesi durumunda protez olarak bir mekatronik tasarım yapılabilir. sonra dış kabuk ve yük taşımak ve daha hızlı hareket etmeyi sağlayan, genellikli endüstri ve savunma sanayinde kullanılan dış kabuk mekatronik cihazının yapılmasındaki en önemli çalışmalardan olacaktır. c) Dış kabuk (eksoskeleton) tasarımı; savunma sanayi, endüstri ve medikal alanda kullanılacak cihaz yapılabilir hale gelecektir. Bu mekatronik cihaz insan bacağından daha üstün fonksiyonları insana sağlar. hepsi için ilk basamaktır. Kuvvet platformu ile analizlerin c) Bu çalışmada amaçlanan denek yaş aralığı 18 – 55 olmasına rağmen mevcut şartlardan dolayı deneklerin mevcut özellikleri 20 – 25 yaş arası olduğu için yapılmış olan kinematikler bu doğrultularda yönlenmiştir. İnsan bacağının kinematik analizi bu çalışmaların yapılacak benzerlikleri aşağıdaki gibi maddelendirilmiştir; sağlayacaktır ve bu çalışmalar başta medikal Projenin teknolojik gelişmelere katkısı aşağıdaki kullanılabilinecek Projenin mevcut teknolojiler ile olan farkları ve insan yürüyüşünün kinematik analizleri ile birleşmesi sonucunda bu endüstriyel, savunmaya ve medikale yönelik çalışmalar geliştirilebilir hale gelecektir. d) Literatür araştırmalarında yapılan ve bu çalışmaya benzer özellikler taşıyan diğer projelerde kullanılan araç ve gereçlerin ( basınç sensörleri, profesyonel yürüyüş bantları, bez işaretleyiciler, özel salonlar vb.) bu projede yer alamaması nedeniyle, teknik analizlerde ve de araştırmanın video kaydı sırasında karşımıza teknik problemler olarak ortaya çıkmıştır. 3. Mekatronik Mühendisliği Öğrenci Kongresi (MeMÖK 2012) 8 Haziran 2012, Atılım Üniversitesi, Ankara [7] Robertson DG (2004), “Research Methods in TEŞEKKÜR Bu araştıma, MECE 407-408 Lisans Araştırma Projeleri I-II gerçekleştirilmiş dersleri ve Atılım kapsamında Üniversitesi tarafından desteklenmiştir (Proje No: LAP-A111201). Derslerin yürütülmesine ve proje çalışmalarımıza verdikleri katkılardan dolayı Yrd. Doç. Dr. Zuhal ERDEN, Öğr. Gör. Aylin KONEZ EROĞLU, Araş. Gör. Cahit GÜREL, Araş Gör. Emre GÜNER’e teşekkür ederiz. KAYNAKÇA [1] Chan & Rogers (1994), “Kinematic Analysis of Gait” , http://moon.ouhsc.edu/dthompso/gait/knmatics/gait.htm (Erişim: 08.05.2012) [2] Erden A, “Bio-mimetic/Bio-inspired Design” http://mechatronics.atilim.edu.tr /courses/mece401/mece401_Index.htm (Erişim: 03.03.2012) [3] Whittle, Michael (2007), “Gait Analysis: an Introduction (4 ed.)”. http://www.amazon.com /An-Introduction-Gait-Analysis-4e/dp/075068831/ (Erişim: 10.11.2011) [4] Fischer, Otto; Braune, Wilhelm (1895), “Der Gang des Menschen: Versuche am unbelasteten und belasteten Menschen” [5] DH Sutherland (2002), "The evolution of clinical gait analysis: Part II Kinematics" [6] RB Davis, S Õunpuu, D Tyburski, JR Gage (1991), "A gait analysis data collection and reduction technique". Biomechanics, Champaign IL:Human Kinetics”.