Dağıtık mobil robotlar için yeni bir otonom yol planlama ve engel tespit sisteminin tasarımı
Design of a new path planning and obstacle detection system for distributed mobile robots
Yazar: GÖKHAN ATALI
Danışman: PROF. DR. SİNAN SERDAR ÖZKAN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Hareketli robotlar = Mobile robots

Özet:
Endüstride mobil robotlar genellikle çalışma sahası içerisindeki iş istasyonları arasında yük taşıma amacıyla kullanılmaktadır. Bu yüklerin geleneksel metodlar kullanılarak forkliftler ile taşınması durumunda operatöre bağlı hata ve kazalar oluşabilmektedir. Ayrıca forkliftlerin hareket kısıtlılıkları da yüklerin transferleri sırasında sınırlı çalışma alanı oluşturmaktadır. Otonom mobil robotların endüstriyel sahalarda yer alması bu hata ve kazaların azalması konusunda önem arz etmektedir. Mobil robotların yaygın kullanım alanlarından birisi de stoklama hizmetinin verildiği depolardır. Genellikle robot filoları şeklinde kullanılan bu robotlar için ticari gelişmelerle beraber birçok akademik çalışmalarda gerçekleştirilmektedir. Bu çalışmalardan lokalizasyon ve pozisyonlama problemlerinin çözülmesi önemli bir yer almaktadır. Robotların belirlenen görevleri yerine getirirken en az güç tüketimi ile rota boyunca güvenli bir biçimde ilerlemesi, akademik ve ticari çalışmaların temelini oluşturmaktadır.
Bu tez çalışmasında, dağıtık hareket kabiliyetine sahip mobil robotların yol planlaması üzerine olasılıksal parçacık filtre tabanlı algoritmalara dayanan bir çalışma yürütülmüştür. Çalışmada Eş Zamanlı Konum Belirleme ve Haritalama (SLAM) ile Doluluk Kafesi metotları kullanılarak mobil robotların bulunduğu sahanın 2 boyutlu haritası oluşturulmuştur. Bu methotlar kullanılarak çıkarılan harita içerisindeki mobil robotların belirlenen bir başlangıç noktasından hedef noktaya Adaptif Monte Carlo Lokalizasyon (AMCL) algoritması kullanarak ulaşması sağlanmıştır. Robotlar tarafından bilinen harita üzerinde hedef noktaya ulaşma aşamaları ve navigasyon parametreleri gerçek zamanlı olarak bir sunucu istasyon üzerinden kontrol edilmektedir. Bu işlemler oluşturulan bir kablosuz ağ üzerinden SSH (Secure Shell) protokolü ile gerçekleştirilmektedir. Harita üzerinde oluşturulan dinamik rota, robotlar tarafından takip edildiği esnada oluşabilecek hareketli engellerden robotların kaçınımı kinect kameradan alınan anlık görüntüler ile sağlanmaktadır. Gerçekleştirilen bu lokal yol planlaması için ise Dinamik Pencere Algoritmasından yararlanılmıştır. Tez çalışmasında, modern algoritma ve donanımları kullanarak haritalama, pozisyonlama ve konumlama gibi birçok fonksiyonu yerine getirebilen bir sistem tasarımı ve prototipi gerçekleştirilmiştir. Bu yönüyle çalışma, Endüstri 4.0 uygulamalarının arttığı günümüzde birçok sektörde ihtiyaç hissedilen farklı yapı ve özellikteki mobil robotların ARGE çalışmaları için faydalı olabilecek niteliktedir.

Anahtar kelimeler: Otonom robot, Adaptif Monte Carlo Lokalizasyonu, yol planlama, engel algılama, robot işletim sistemi.

Abstract:
In industry, mobile robots are generally used for load transportation between workstations in the factory. If these loads are carried by forklifts using conventional methods, errors and accidents may occur due to the operator. Furthermore, the movement limitations of the forklifts also create a limited working area during the transfer of loads. The use of autonomous mobile robots in industrial areas is important in reducing these errors and accidents. One of the common uses of mobile robots that are sensitive to environmental factors and can work autonomously is the warehouses where the stocking service is provided. For these robots, which are usually used as robot fleets is carried out in many academic studies along with commercial developments. Solving localization and positioning problems is an important part of these studies. The fact that robots move safely along the route with minimal power consumption while performing the specified tasks constitutes the basis of academic and commercial studies.
In this thesis, a study based on probabilistic particle filter algorithms has been carried out on the path planning of mobile robots with distributed mobility. In the study, firstly, 2D map of the field where robots are located have been mapping by SLAM and Occupancy Grid Mapping methods. Using these methods, the multiple mobile robots within the map were accessed from a designated starting point to the destination using the Adaptive Monte Carlo Localization algorithm. The steps to reach the destination on the map known by the robots and the navigation parameter are controlled in real time via a master station. These processes are performed via SSH protocol over a wireless network. The dynamic obstacle avoidance of the robots is provided by realtime images taken from the kinect camera while route on the map. For this local path planning, Dynamic Window Algorithm was used. In the thesis, a system design and prototype which can perform many functions such as mapping, positioning and localization using modern algorithms and equipments have been achieved. In this respect, the thesis will contribute for R & D studies of mobile robots of different structures and features which are needed in many sectors those Industry 4.0 applications.

Keywords: Autonomous robot, Adaptive Monte Carlo Localization, path planning, obstacle avoidance, robot operating system