İç mekanlarda otonom bir şekilde hareket edebilen bir mobil robotun tasarım, imalat ve kontrolü
Design and control of an indoor autonomous mobile robot
Yazar: SUAT KARAKAYA
Danışman: PROF. DR. HASAN OCAK
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Bilgisayar destekli benzetim = Computer aided simulation ; Hareketli robotlar = Mobile robots ; Otonom ve kontrol = Autonomous  and controlled ; Sezgisel algoritmalar = Heuristic algorithms

Özet:
İnsan gücünü daha ekonomik kullanma eğilimi askeri, endüstriyel ve kişisel kullanım alanlarında mobil robotların yaygınlaşmasını sağlamıştır. Birbirinden bağımsız pek çok sektörde uygulama alanı bulan mobil robotlar yük taşıma, temizlik, reklam-tanıtım, arazi tarama ve arama-kurtarma gibi çeşitli amaçlarla kullanılmaktadır. Herhangi bir operatöre ihtiyaç duymayan tam-otonom mobil robotlar ve insan müdahalesine açık yarı-otonom sistemler mevcuttur. Karar verme aşamasında öncelikli olarak uzaktan kontrol akışını kabul eden ancak otonom moda alınarak görevi sürdürebilen sistemler yarı otonom sınıfında yer almaktadır. Çalışma ortamına bağlı olarak sürekli değişken engel yapısına sahip, yüksek riskli alanlar içeren ve robot görüş alanı dışında öngörülemez durumlar oluşabilecek ortamlarda sistemin acil müdahaleye izin vermesi istenebilir. Bunun yanı sıra robotun çalışma ortamının statik ve önceden bilinmesi ya da dinamik ve bilinmeyen durumda olması robotun yörünge planlama karakteristiğinde karar verici parametrelerdir. Belirli bir çalışma alanında robota tahsis edilen sabit bir yörünge olması ve bu yörüngenin herhangi bir engelle kesilmemesi durumlarında statik yörünge planlayıcılar; harita bilgisinin olmaması ve/veya sürekli değişen engel yapısına sahip ortamlar için dinamik yörünge planlayıcılar önerilmektedir. Planlanan yörüngenin takibi ve robotun kontrolü için temel bileşenlerden bir diğeri de konumlandırma sistemidir. Dış mekânlarda konumlandırıcı olarak genellikle Global Positioning System (GPS) tabanlı sistemler kullanılmakta olup iç mekânlar için bu yaklaşım uygulanabilir değildir. İç-mekânlarda artan konumlandırma hassasiyetine bağlı olarak yöntemlerin karmaşıklığı ve geliştirme - kurulum maliyetleri artma eğilimindedir. Bu gereksinimler gözetilerek, tez kapsamında, görüntü işleme tabanlı bir iç-mekân konumlandırma sistemi ve dinamik bir yörünge planlayıcı önerilmiştir. Deney platformu olarak üç tekerlekli diferansiyel sürüş mekanizmalı tekerlekli bir mobil robot platformu geliştirilmiştir. MATLAB ortamında çalışan üç boyutlu bir benzetim arayüzü de ortaya koyulmuştur. Robot üzerinde yapılacak testler öncesinde bu arayüz üzerinde sanal testler yapılarak olası durumlar önceden kestirilebilmektedir. Kullanıcı tanımlı robot kinematiği ve yörünge planlayıcıları da destekleyen benzetim aracı, gerçek zamanlı deneylerle oldukça yakın sonuçlar vermekte, bu da gerçek zamanlı çalışmalar öncesinde enerji sarfiyatı ve iş yükünden tasarruf sağlamaktadır. Tüm bunlara ek olarak mobil robot platformu uzak bir kontrol birimi tarafından kontrol edilebilmekte, görev süreçleri ve anlık konumu uzak kontrol arayüzünden gerçek zamanlı olarak izlenebilmektedir. Gerektiğinde otonom görev kesilerek manuel moda alınabilmekte veya bağımsız uzaktan kumanda ile de kumanda edilebilmektedir.

Abstract:
The tendency to use human power more economically has made mobile robots widespread in military, industrial and personal areas. Mobile robots, which find applications in many independent sectors, are used for various purposes. Mobile robots are used in key areas such as cargo handling, cleaning, advertisement-promotion, field survey and search-and-rescue. In addition to mobile robots controlled by remote control devices, full-autonomous mobile robots that do not require any operator, and semi-autonomous systems with autonomous mobility that are open to human intervention are available. In the decision-making phase, the systems, which accept the remote control flow but continue to work in the autonomous form, are in the semi-autonomous class. Depending on the working environment, it may be considered within this scope that the system permits immediate intervention in environments where sudden risks may occur outside the field of view of the robot. Similarly, the static and predictive behavior of the working environment or its dynamic and unknown state affects the trajectory planning characteristic. Static trajectory planners, where there is a constant trajectory to which a robot is assigned in a particular trajectory and where this trajectory is not blocked; Dynamic trajectory planners are proposed for the absence of map information and/or environments with ever-changing obstacles. One of the basic components for tracking the planned trajectory and controlling the robot is the localization system. Global Positioning System (GPS)-based systems are generally used as localization system in the outdoors, and this approach is low performance and even intermittent for indoor use. As positioning precision increases, costs also increase in interior spaces. By combining all these components, an image processing based indoor localization system and a dynamic trajectory planner have been proposed. As a test platform, a three-wheel mobile robot platform with differential drive mechanism was developed. Within the scope of the thesis, a three-dimensional simulator working in MATLAB environment has been presented. Possible situations can be predicted by performing virtual tests on this interface before the tests to be performed on the robot. Supporting user defined robot kinematics and trajectory planners, the simulator gives very similar results to real-time experiments, which saves energy and workload before real-time work. In addition to this, the mobile robot platform can be controlled by a remote control unit, processes and instant position can be monitored in real time from the remote control interface. If necessary, the autonomous task can be switched to manual mode and the robot can also be controlled by remote control.