Değişken bir yörünge üzerinde hız ve konum kontrolü
Speed and position controls on a variable trajectory
Yazar: MAHİT GÜNEŞ
Danışman: DOÇ.DR. FEVZİ BABA
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2005
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
ÖZETDEĞ ŞKEN B R YÖRÜNGE ÜZER NDE HIZ VEKONUM KONTROLÜBu çalışmada, genelde bulanık mantık algoritmaları kullanılarak değişken biryörünge üzerinde hız ve konum kontrol yapabilen kendi kendine yeterli(Autonomous) bir mobil robot tasarlanmıştır. Mobil robotun hız kontrolü, hızlıçalışan, ortamın parlaklık değişimlerinden etkilenmeyen bulanık kenar çıkartma veçizgi çıkartma yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilmiş, konum kontrolü ise mobilrobot üzerindeki mikrodenetleyicide geliştirilen bulanık mantık kontrolör ilegerçekleştirilmiştir. MBR-01 isimli mobil robot tamamen üniversitemizin atölyeşartlarında dizayn edilmiştir. MBR-01, 433MHz ISM bandına sahip kablosuzhaberleşme birimleri ile bilgisayardan kontrol edilebilmekte, 2.4GHz frekansınasahip video-link cihazı ile de yol görüntüsünü kablosuz bilgisayara aktarmaktadır.CCD kamera ile alınan yol görüntüsü üzerinde bulanık kenar çıkartma işlemiuygulanarak kontrol edilecek bir yörüngenin ortalama eğimine göre referans bir hızüretilmektedir. Üretilen referans hız ile mobil robot üzerindeki yaklaşımalgılayıcılarından alınan devir sayısı ölçeklendikten sonra elde edilen gerçek hız,referans hızdan çıkartılarak hata ve hata değişimi olarak bulanık kontrolöreuygulanmaktadır. Mobil robotun konum kontrolü için izlenecek yörüngedensapmaları algılayacak optik algılayıcı devresi tasarlanmıştır. Optik algılayıcılardangelen konum bilgisi ile potansiyometreden alınan direksiyonun açısı karşılaştırılarakdireksiyonun hareketini sağlayan DC motoru kontrol eden bir bulanık kontrolörişlemci kartı tasarlanmıştır. Mobil robotun hareketi, istenildiği anda bilgisayarın yöntuşları kullanılarak elle (manuel), veya bilgisayar tarafından otomatik olarak kontroledilebilmektedir.Mobil robotun yörüngeden sapma ihtimali göz önünde bulundurularak konumkontrolünün hız kontrolünden bağımsız olarak mobil robot üzerindeki bulanıkkontrolör işlemciler tarafından yapılarak hızdan kazanç sağlanmıştır. Bilgisayarasadece gözlem açısından yörünge sapma bilgileri, kablosuz olarak aktarılmıştır.Hız kontrolü için mobil robot üzerinde bir adet DC motor kullanılmış ve bumotorun devrini harekete çevirecek dişli ve diferansiyel sistemi geliştirilmiştir.Konum kontrolü için ise bir adet DC motor kullanılmış olup sağa veya sola dönüşleriaçısal direksiyon sistemine dönüştüren mekanizma yerleştirilmiştir.Sistem bilgisayarda geliştirilen yazılım ile kontrol edilmekte olup otomatikkontrol ve manuel kontrol seçeneklerine sahiptir. Otomatik kontrol seçildiğinde, ilkolarak mobil robottan alınan görüntü video kartından ekrana aktarılır. Ekrandakigörüntü yakalanıp üzerinde işlem yapılabilecek bir kopyası alınır. Alınan bu görüntüüzerinde, bulanık kenar çıkartma işlemi uygulanarak izlenecek yörüngenin kenarbilgileri elde edilir. Bir sonraki aşamada ise izlenecek çizginin görüntüden alınıpoptimizasyonu yapılır ve yörüngenin ortalama eğimi hesaplanır. Hesaplanan eğimegöre referans hız belirlenir ve hız bilgisi LPT çıkışına bağlı olan RF modülatöreaktarılır. Özel bir haberleşme protokolüne göre seri bilgiye dönüştürülen bu hızbilgisi kablosuz olarak mobil robota gönderilir. Mobil robot üzerindeki RF alıcıbirim tarafından alınan bu hız bilgisi Darbe Genişlik Modülasyonu (PWM) yöntemiile hız motoruna aktarılır. Belirlenen referans hızda mobil robotun seyir etmesi içindevir ölçülür ve hız geri beslemesi olarak kablosuz tekrar bilgisayara aktarılır.Referans hız ile gerçek hız arasındaki hata bulanık kontrolöre girilir ve kontrolörçıkışı tekrar RF tekniği ile mobil robota aktarılır.Konum kontrolü için siyah zemin üzerindeki beyaz şeridi algılayan 7 adetoptik algılayıcı kullanılmıştır. Mobil robot, izlenecek şerit üzerinde iken yalnız biralgılayıcıdan bilgi gelmekte olup algılayıcı numarasına göre yörüngeden sapmauzaklığı ölçülür ve hafızaya alınır. Aynı anda direksiyonun açısı da hesaplanarakalgılayıcıya göre olması gereken direksiyon açısı belirlenip aradaki hata mobil robotüzerindeki bulanık kontrolör girişine verilerek direksiyon açısı olması gerekenpozisyona alınır.Geliştirilen mobil robotun kontrolü, Pentium IV işlemcili, 512 MB RAMbelleğe sahip bir bilgisayar tarafından gerçekleştirilmektedir. Bilgisayardaki tümyazılımlar C++ programlama dili ile geliştirilmiş olup gerektiği durumlardaassembler ve Windows API bileşenleri kullanılmıştır. Sistemde, 5 adedi mobil robottarafında olmak üzere toplam 8 adet işlemci kullanılmıştır.Mobil robot ile bilgisayar arasında kablosuz olarak görüntü aktarılabilmesi vekarşılıklı olarak RF tekniği ile bilgi iletişimi gerçekleştirebilmesi sayesinde mobilrobot görülmese dahi üzerindeki kameradan alınan görüntüye göre sistemyönlendirilebilmekte ve minimum 5 kilogram yük taşıyabilmektedir.Tasarlanan mobil robot ile, düz, kesikli, rasgele eğimli, yörüngeyi çaprazkesmeli, dairesel ve değişik renklerdeki yörünge düzeneklerinde, hız ve konumkontrolün test edilmesi için yapılan deneyler sonucunda mobil robotun hız ve konumkontrolü başarıyla gerçekleştirilmiştir.Geliştirilen 4 adet yazılım simülatörü ile görüntü işleme basamaklarınıngörüntülendiği, bulanık kenar çıkartma ve çizgi çıkartma işlemlerinin adım adımizlenebildiği, bulanık kontrolör sisteminin çalışma basamakları ve bazı birimlerindinamik olarak tasarlanabildiği uygulamalı bir eğitim seti olarak kullanılabilecektir.Temmuz, 2005 Mahit GÜNEŞ

Abstract:
ABSTRACTSPEED AND POSITION CONTROLS ON A VARIABLETRAJECTORYIn this study, an autonomous mobile robot is developed to implement speedand position controls on a variable trajectory using general fuzzy algorithms. Thespeed of the mobile robot is controlled by fuzzy controller utilizing of modern imageprocessing algorithms and the position of mobile robot is controlled by amicrocontroller-based fuzzy algorithm. Autonomous mobile robot called (MBR-01)is completely developed in the conditions of our university workshops andlaboratories. MBR-01 can communicate with the PC using a wireless communicationsystem (RF with a 433 MHz ISM band) and can transmit the road image dataknowledge to the PC by 2.4GHz wireless video-link transmitter. After the roadimage data is taken by a CCD camera to generate a proper reference value using afuzzy edge detection algorithm and the speed data is obtained from inductiveproximity sensor, which is converted to the rpm, then the difference (the error) isapplied to the fuzzy controller to generate a control signal, which is sent back to themobile robot. The trajectory deviation and the position data are detected by themobile robot equipped with a designed optical sensor circuit. After comparing thereference position and the steering angle data obtained from a potentiometerconnected to the steering mechanism of the mobile robot, the difference is applied tothe developed microcontroller-based fuzzy algorithm for proper positioning thesteering wheel driven by a DC motor. The cruise control of the mobile robot can beimplemented by manually by using arrow keys on keyboard or automatically usingthe PC.In the study, it is thought that the trajectory control must be quicklyimplemented apart from the speed control using a microcontroller on the mobilerobot side so that the mobile robot can not deviate from its trajectory position.The MBR-01 is equipped with a mechanical gear differential systemtransferring the rotating action from a driven DC motor to the wheel axis and amechanical steering system changing the robot?s position angle using a seconddriven DC motor.In order to communicate between computer and the mobile robot, it is used avideo graphic device connected with an image receiver located in the PC slot. Aninfrared (IR) modulator is designed for transmitting the reference speed data fromLPT1 to the mobile robot. Furthermore, it is designed and manufactured anelectronic circuit board transmitting the speed data and trajectory deviation data fromthe microcontroller on mobile robot side to the PC through the wirelesscommunication.The mobile robot system is manually or automatically controlled by thedeveloped PC-based software. When selecting automatic control, the road imagedata taken from the mobile robot is transmitted to the PC monitor through the videographic device. The image data on the monitor is copied into an image object forbeing processed as a pixel. Then, the fuzzy edge detection algorithm is applied onthis image. After the processing edge detection, the line detection algorithm has beenapplied to reveal the line knowledge. After revealing the line knowledge, line slopeof trajectory to be tracked is calculated. According to line slope, reference speed ofmobile robot is calculated and the speed data is send to RF modulator connected tothe PC?s parallel port. The microcontroller receives the speed data from parallel portthen converts it to serial infra red (IR) transmission protocol format. The data carriedby RF signal (modulation) is transmitted to the mobile robot. The speed control datareceived by the microcontroller on the mobile robot side is converted into a paralleldata format. Then, the microcontroller sends these control data to the DC motor?sdriver through the PWM technique.The line sensing unit uses 7 optical sensors for the position control. When themobile robot is on the trajectory, the microcontroller receives the position data fromonly one optical sensor and save the data into the working register. This position datais processed in the microcontroller implementing the fuzzy controller and theprocessed data is sent to the PC to observe trajectory deviation.All control implementations of the MBR-01 can be made by a Pentium IV PCwith 512 MB RAM which uses Window XP operating system. In this study allalgorithms processing on PC are developed using C++, assembler codes, andWindows API components. Mobile robot system totally uses three microcontrollerson the PC side and five microcontrollers on the mobile robot side.Tracking the trajectory from PC monitor, it is manually possible to direct themobile robot to any target without seeing it. Also, the mobile robot can transportapproximately 5 kg weight on the defined trajectory from one point to other inindustrial applications.In order to test of the mobile robot?s speed and position controllers, it isimplemented various experimental study on having to straight, intermittently,random slope, circular and different colors trajectories.Although it is focused on speed and position control of the mobile robot usingvarious algorithms, it is also aimed to develop an educational environment bydesigning a simulator- based development software, which teaches fuzzy edgedetection, line detection, and fuzzy controller design.July, 2005 Mahit GÜNEŞ