Ekskavatör kolunun gerçek zamanlı 3b konumunun gömülü sistemle izlenmesi
Monitoring 3d position of an excavator arm in real time with the embedded system
Yazar: EMRAH ŞAKA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ CANER GÜNEY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: GPS = Global Positioning System ; Hareket sensörleri = Motion sensors ; Kazıcılar = Excavators

Özet:
İnşaat uygulamarında yüksek maliyete sahip işlemlerden birisi kazı ve dolgu çalışmalarıdır. Kazı ve dolgu çalışmaları ekskavatörlerin orataya çıkmasına kadar, insan ve hayvan iş gücüne dayanmaktaydı. Raylı mekanizmalı ilk ekskavatörlerin ortaya çıkışıyla birlikte kazı ve dolgu çalışmaları yerini insan ve hayvan iş gücünden makinalara bırakmış oldu. 19. yy. ile birlikte bu raylı ekskavatörlerin yerini önce buharlı, daha sonra hidrolik ekskavatörler aldı. Gelişen teknolojide insan gücü ve performasının yerini alan bu makinalar iş süresinde çok ciddi fark yaratmıştır. 
Teknolojik gelişmeler ile maliyet ve performans açısından en iyi seviyeye gelmiş olan günümüzün modern ekskavatörleri kazı uygulamalarının istenilen hassasiyette yapılması amaçlandığında, işlem adımları gereğince ne yazık ki maliyet belirli seviyenin altına düşmemektedir. Her ne kadar kazı işlemleri yüksek teknolojideki ekskavatörler tarafından yapılıyorsa da hala insan gücüne ihtiyaç duyulmaktadır. Bir kazı işleminde bir operatör öncelikle iş makinesi ile kazıyı gerçekleştirmekte, daha sonrasında ise bir geomatik/harita mühendisi jeodezik ölçme tekniklerini kullanarak yapılan kazının projeye uygunluğunu üç boyutlu olarak kontrol etmekte ve kazı sürecini yönlendirmektedir. Dolayısıyla bir inşaat işinin kazı veya dolgu çalışması, kazı ve sonrasında yapılan kontrol ve doğruluk analizi işi ile iki aşamalı bir uygulama olarak gerçekleştirilmektedir. 
Sözü edilen iki aşamalı uygulamanın doğruluk analizi (ölçme) aşaması, güvenlik nedeniyle kazı işlemi bitikten sonra yapılmak zorunda olup, bu işlem çoğu zaman ilk defada yeterli doğruluğa ulaşılamayacağı için birçok kez tekrarlanmak zorunda kalınmaktadır. 
Kazı işlemelerinde, yukarıda sözünü ettiğimiz iş makinalarının kazı uygulamasının sona ermesini bekleme ve yapılan kazının doğruluk analizinin birden çok tekrar edilmesi zorunluluğu, planlanan işin süresini ve maliyetini ciddi bir biçimde arttırmaktadır. Bu durum ekskavatör takip sistemlerinin ortaya çıkmasına neden olmuştur. 
Bilindiği üzere, inşaat projelerinin maliyeti en yüksek işlemi kazı ve dolgu çalışmalarıdır. Bu maliyete bir de geomatik mühendislerinin yaptığı ölçüm ve kontrollerden kaynaklı süre de eklenince projenin süresi ve maliyeti artmaktadır. Ancak kazı ve sonrasında yapılan jeodezik ölçme işlerindeki zorluk yalnız zaman ve maliyet açısından değerlendirilmemelidir. Özellikle, görsel temasın olmadığı deniz tabanı gibi yerlerde veya sağlık açısından uygun olmayan, kanalizasyon ya da radyoaktivitenin insan sağlığını tehdit edecek boyutta olduğu yerler gibi doğal afet alanlarında yapılacak kazı işlemlerinde, projenin süresi ve maliyetin dışında, iş güvenliği üzerinde durulması gereken temel problemlerden biridir.  
Saha kazısı veya dolgusu işlemlerinde temel amaç, yapılan işlemin proje kotlarıyla sahada gözlemlenen verilerin arasındaki farkın kabul edilebilir oranda olmasıdır.  Ancak, yukarıda sözü edilen işin maliyeti, süresi ve güvenliği gibi temeller dikkate alınmanda, yüksek bir performans için ekskavatör takip sistemlerini kullanmak günümüzde bir zorunluluk haline gelmiştir.
Ekskavatör takip sistemlerinin temel çalışma prensibi, kazı operatörü makineyi kullandığı sırada, kazıyla eş zamanlı olarak doğru bilgiye ulaşma ve böylelikle kazının kabul edilebilir hata oranında yapılması için makina operatörünü yönlendirme üzerine kuruludur. İş gücü ve zamandan tasarrufu, dolayısıyla maliyetten tasarrufu da sağlayacak ve aynı zamanda iş güvenliği açısında da konfor alanı sunacak olan takip sistemi kullanılan kazı işlemlerinde, geomatik/harita mühedisinin yapması gereken kontroller, henüz kazı yapılırken operatör tarafından yapıldığı için hatalı kazıların da önüne geçilmesi amaçlanmaktadır. 
Çalışmanın giriş kısmında, tezin amacının ne olduğu ve tez kapsamında nasıl bir yöntem uyguladığı ifade edilmeye çalışılmıştır. 
Tezimin ikinci kısmı olan "Ekskavatörler ve Taihçesi" kısmında "Günümüzde Ekskavatör Modelleri" başlığı altında öncelikle bir kazı veya dolgu işleminde kullanılan ekskavatörlerin nasıl ortaya çıktığı ve gelişen teknolojilerle birlikte insan gücünden, buharlı, basit makinalara ve nihayet modern ekskavatöre doğru nasıl bir gelişim gösterdiği açıklanmıştır. Daha sonra, "Ekskavatör Konum Takip Sistemi" başlığı altında, uygulamada bulunan ekskavatör takip sistemi örneklerinin teknik özellikleri ve donanımsal konfigürasyonları incelenmiştir. "Teleoperasyonel Araçlar" başlığı altında ise uzaktan kontol edilebilen teleoperasyonel ekskavatörlerin teknik ve donanımsal özelliklerini incelemiş ve ekskavatör kinetik analizi ifade edilmiştir.
Çalışmamızın "Uygulama" kısmanda ise piyasada bulunan ticari ürünlerden farklı olarak çok cüzi maliyete, ekskavatör kolunun gerçek zamanla 3B konumunun gömülü sistemle izlenmesini gerçekleştirdik."Verilien Elde Edilmesi" başlığı altında mikro işlecilerin işlevlerini ve teknolojinin gelişimiyle kullanım alanlarının nasıl yaygınlaştığı üzerinde durduk. Ayrıca ataletsel seansörleri incelereyerek uygulamamızda kullandığımız IMU, radyo iletişim sensörleri ve arduino kartlarının teknik özelliklerini mercek altına aldık. 
Tezimin "Uygulama" başlığı altında ele aldığımız bir diğer konu ise, "Elektronik Donanım" konusudur. Kullandığımız teknik ekipmanın donanımsal özelliklerinin izahından sonra, IMU ve radyo iletişim sensörlerini arduino kartalara entegre ederek açı değerlerinin ölçümü ve bu değerlerin uzaktaki bilgisayarlara iletilmesine olanak sağlayan bir sistem kurduk. Sonrasında "Verilerin Analizi" başlığında, verilerin sağlıklı bir biçimde sersörlerden sağlanabilmesi için yaptığımız uygulamayı anlattık. Bu kısımda denavit-hartenberg parametlerin ekskavatörlere uygulanışını matlab ortamında analizini gerçekleştirdik. 
Çalışmanın son aşamasında gerçek bir ekskavatör üzerinde gerçekleştirilen denemeler hakkında bilgi verilmiştir. Ekskavatöre, silindirler etrafında dönen kepçe, kol ve bum aksamlarına hareketleri algılayan İnersiyal Ölçme Birimi (IMU) ve radyo alıcı-verici sensörleri yerleştirilerek, bu hareketlerin konumu Matlab yazılımı kullanılarak hesaplanmıştır. Ekskavatör kolunun gerçek zamanlı üç boyutlu (3B) izlenmesi için geliştirilen gömülü sistem ile elde edilen sonuçlar model bazında ± 5 mm düzeyinde olduğu gözlemlenmiş ve sistemin gerçek bir ekskavatörde de yeterli doğruluk ve hassasiyette işleyeceği öngörülmüştür. 
Tezin uygulama kısmında elde edilen sonuçlar göstermiştir ki bugün uygulamada kullanılan mevcut ticari ürünlere alternatif olabilecek ekonomik açıdan çok daha düşük maliyetli bir ekskavatör kolu konumu takip sisteminin geliştirilmesi ve ticarileştirilmesi mümkündür. Bu sayede kazı ve dolgu çalışmalarında daha yüksek doğruluk ve daha yüksek performans oluşacaktır. Ayrıca yüksek hassasiyetli ve yüksek hızlı çalışmaların sağlayacağı ekonomik katkılar diğer inşaat uygulamaları için de kullanılabilir ve böylece diğer alanlarda da performans arttırımı sağlanabilecektir.

Abstract:
Excavations and filling works are high cost processes in construction applications and excavators are the most suitable machines for these operations.Excavation and filling works was based on human and animal labor power until the first excavators invented. Human and animal labor power replaced by machines labor power at the time first excavators with rail mechanisms emerged. By 19 th century those excavators with rail mechanisms replaced by steam powered excavators and then hydraulic excavators. Thus machines created work performance improvements with technological developments compared to human power and performance. 
Today's modern excavators have evolved with technological developments which moved them to the optimum cost and performance. However, when the excavation applications are intended to be carrierd out with the desired precision , the cost does not fall below a certain level due to the processing steps. Although excavations are carried out by high technologic excavators, manpower is still needed. At the time of excavation, the operator performs the excavation with machine, and the geomatics engineers analyze the position of the excavation using surveying techniques in three dimensions. Therefore there are two aplication steps for excavation or filling work at construction. First of all excavation  or filling step and afterward position analyze of the excavation step.
The accuracy analysis (measurement) stage of the mentioned two-stage application has to be carried out after the excavation process is finished for security reasons and this process must be repeated many times since the accuracy cannot be reached for the first time.
This analysis is carried out after the completion of the operation of a machine for safety reasons and sometimes the process must be repeated. The application had to continue until the correct precised excavation was carried out and cost increased with each repeat of the applications, so that excavator tracking system emerged. The operator will be guided simultaneously with the correct information during excavation. By this way ,it is aimed to eliminate incorrect excavation operations and operator will perform the analyses of excavations which shall be done by geomatic engineers.
As it is known, the high cost process of construction projects is excavation and filling works. The cost and time of the project increases when the cost of the measurements and controls made by geomatic engineers is added to this calculations. However, the difficulty in excavation and subsequent measurement should not be evaluated only in terms of time and cost. It is one of the main problems that need to be emphasized in terms of work safety, in addition to the duration and cost of the project, especially in places where there is no visual contact, such as in the sea floor or in natural disaster areas, such as in areas that are unsuitable for health, where sewage or radioactivity threatens human health.
The main purpose of field excavation or backfilling is the acceptable level of the difference between the project elevations and the observed distance in the field. However, using the excavator tracking systems for a high performance, which we mentioned earlier, where work is in progress, can be safely and basically grounded, has become a necessity in your day.
The basic principle of excavator position monitoring systems is based on accessing the correct information simultaneously with the excavation while the excavation operator is using the machine, and thus guiding the machine operator to make the excavation at an acceptable error rate. It is aimed to prevent faulty excavations as the controls required by the geomatic engineer during the excavations, which will provide labor and time saving and thus cost savings and also provide comfort area in terms of occupational safety, are carried out by the operator while the excavation is being performed.
In the introductory part of the study, although the purpose of our thesis are set out, I tried to explain how we applied the method in our study and what our scope was. In the second part of the thesis, under the title of "Excavators and History" and "Modern Excavator Models" how the excavators used primarily in an excavation or filling process emerged and how they developed from manpower to steam, simple machines and finally to modern excavators are explained. Then, under the title of "Excavator Position Monitoring System", the technical specifications and hardware configurations of the excavator tracking system samples on the market are examined. Then with the title of "Teleoperational Vehicles", the technical and hardware features of teleoperational excavators that allow remote control and explained the excavator kinetic analysis are explained.
In the "Application" section of our study, unlike the commercial products available in the market, the 3D position of the excavator arm in real time with the embedded system at very low cost "Under the heading of "Obtaining Data" is explained, I focused on the functions of microprocessors and how their usage areas are grown up with the development of technology. In addition, by examining the inertial sensors, the technical features of accelorometer, gyroscope, IMU, INS, radio communication sensors and arduino cards are examined. After carefull observations, is has been decided to use IMU, radio sensors and arduion in the application.
Another topic we have discussed under the title of "Application" is "Electronic Hardware". After explaining the hardware features of the technical equipment we use, a system has installed that allows the measurement of angle values and the transmission of these values to remote computers by integrating IMU and radio communication sensors into arduino boards. Then, in the title of "Data Analysis", the application is explained how to ensure that the data can be obtained from sensors in a healthy way. In this section, the application of denavit-hartenberg parameters are applied to excavators in matlab environment.
At the integration step, IMU and radio communication sensors into arduino boards, pin cables and pin slots were used. After pin connections between arduino boards and sensors connected correctly. I proceed programming step. For programming step, arduino boards are connected with usb connections to computer and at arduino interface, we connect with arduino board through com port.After succesfull programming and data observation at remote computer. I proceed to tests at excavator.
In the final stage of the study tests were carried out on a real excavator. For this purpose  the movement of the excavator's components that rotates around the rollers boom, arm and bucket which enriched arduino based IMU sensors will be monitored by detecting simultaneously during excavation and the tip of the bucket's location was calculated in Matlab. The results of 3D position of the excavator arm in real time with the embedded system are observed to be ± 5 mm on a model basis, and the system is expected to function in a true excavator with satisfactory accuracy and precision.
Altought the test results are shown satisfactory, there were some time delay between excavator arm movements and the angle shown at remote computer. There were also radio comunication problems around 20-25 meters distance at office during tests at excavator model but there were not any problems at field with real excavator around 50 meters. Any sign of problem about magnetism were not observed because of metal components of excavator arm at the tests which performed with real excavator and therefor we didnt see any data corruptions.
The results obtained in the application part of our thesis showed that it is possible to create an economically cheaper excavator position tracking system which can be an alternative to existing commercial products. This results in higher accuracy and higher performance in excavation and filling operations. In addition, the economic contributions of high precision and high speed machining can be used for other construction applications, thus improving performance in all areas.
Remote controlable teleoperational enrichments are the future of construction machines.Altought excavator position monitoring systems are not very common yet, but the improvements of their effect in construction sides are remarkable because of their performance and economic effects.Excavator position monitoring system will be key actors for intelligent construction sites. Moreover, with their contrubitions project management will be able to control full process of contruction and they will able to finish control steps during construction steps.