Menü Kapat

Otonom Robotlar Giriş

RobotikHafta2

Otonomluk ve Önceden Programlanmışlık nedir ?

Robotların bir kısmı çevreyle etkileşim halinde olabilir. Çevreden çeşitli nitelikteki bilgileri sensörler (duyarga) ile toplayıp mikrodenetleyicisinde anlamlandırdıktan sonra harekete geçen robotlara “otonom robotlar” denir. Otonom robotlar, üzerlerindeki yazılım sayesinde ses, ışık, görüntü, sıcaklık gibi faktörlere tepki verebilecek şekilde tasarlanır. (bkz: Çizgi İzleyen Robotlar,Sumo Robotlar…​)

Önceden programlanmış robotlar çevreden herhangi bir sinyal almaya ihtiyaç duymadan, daha önceden yazılımlarında belirtildiği üzere çalışan mekanik cihazlardır.(bkz: Endüstriyel Robot Kollar)

Peki Robot Nasıl Otonom Olma Özelliği Kazanabilir?

Bir robotun otonom robot olma özelliği kazanabilmesi için 3 temel işlevi yapması gerekmektedir.

  • Görmek : İnsan çevresindeki nesneleri gözleri ve ya diğer uzuvları yardımıyla tespit edip daha sonra bu nesnelerle ilgili fikir üretebilmektedir. Örneğin bir insanın kalabalık içinde yürüdüğünü düşünelim. Karşısına çıkan engelleri gözleri yardımıyla tespit edebilmekte ve diğer insanlara çarpmadan yoluna devam edebilmektedir. Robotlar ise çevresindeki nesneleri sensörler yardımıyla tespit etmekte ve gelen bilgiler doğrusunda ne yapması gerektiğine karar vermektedir. Sensörleri olmayan bir robotun mantıklı hareket edebilmesi imkansızdır.
  • Düşünmek : Tekrardan robotun yol planlaması yaptığını düşünelim. Sensörden veri alarak karşısında engel olduğunu tespit ettiğini varsayalım. Bu durumda robotun ne yöne ve nasıl hareket edeceğini düşünmesi gerekmektedir.
  • Harekete geçmek : En son aşama olarak robot görüp düşündükten sonra harekete geçmelidir. Tekerlekleri ve ya entegre parçaları sayesinde robot düşündüğü işi eyleme dönüştürmektedir.

Robotun Otonom Döngüsü

döngü
Figure 1. Robotun Otonom Döngüsü

Motion Control(Hareket Kontrolü)

Hareket kontrolü sayesinde robot tutarlı hareket edebilmektedir. Robotun belirlenen bir yöne gitmesi için pozisyon bilgisine ihtiyacı ve gideceği yöne ihtiyacı vardır. Lineer Cebir hesaplamalarıyla hareket kontrolü yapılabilmektedir. Mobil robotlar tekerlekleri sayesinde hareket edebilmektedirler. Robotun çalıştığı ortama bağlı olarak birbirinden farklı tekerlek tipleri kullanılabilikmektedir.

hrktkntrl
Figure 2. Robotun Otonom Döngüsü

Perception(Algılama)

Robotik ve otomasyonda en çok ihtiyaç duyduğumuz elemanlardan birisi sensörlerdir. Robotik sistemlerin dış ortamla bağlantı kurabilmesi için mutlaka sensör kullanmamız gerekmektedir. Diğer bir deyişle sensörler Robotik sistemlerin duyu organlarıdır. Algılanması gereken değişkenler farklı olduğu için kullanılan sensör çeşitleride farklı olmak zorundadır. Piyasada aynı iş için kullanılan değişik firmaların yaptığı bir çok sensör bulunmaktadır. Tasarladığımız sistemin verimli çalışması için sensör konusunda doğru tercihler yapmalıyız. Bu tercih kriterleri ise:

  1. Doğruluk
  2. Sensör Ölçüm Aralığı
  3. Kalibrasyon
  4. Çözünürlük
  5. Tekrarlanabilirlik
  6. Maliyet
    • Mesafe Algılama Sensörleri

Robot hareketindeki en önemli kısımlardan biri robotun etrafındaki nesneleri görmesidir. Nesneleri göremeyen robot dış dünyasından bağımsız bir şekilde bir hareket eder ve gerçekçi sonuçlar alamayız. Çevre algılaması için kullanılan sensörlere mesafe algılama sensörleri denilmektedir. Engel algılama sensörlerinin mesafe algılama sensörlerinden mantıksal olarak bir farkı yoktur. Çalışma mantığı yansımalı sensörlerle aynıdır. Sinyalin kaynaktan çıkıp dönme süresi arasındaki farka göre mesafe tahmini yapılmaktadır. Sensörün markası ve modeline göre farklı sinyal tipleri kullanılabilmektedir.

  • LIDAR

Lidar mesafe algılama için üretilmiş 3D lazer tarama tekniğiyle çalışan bir sistemdir. Başlarda havadan deniz altıların tespiti için geliştirilmiştir. Daha sonra arkeolojiden savunma sanayine kadar her alana girmiştir. Havadan tarama yapan lidar sistemlerinde Lidar sensörü, IMU ve dahili bilgisayarlardan oluşurken karadan tarama yapan lidar sistemlerinde IMU bulunmaz. Periyodik olarak yayılan lazer ışınlarının kaynaktan çıkma ve dönme zamanları arasındaki fark mesafeyi belirlemektedir. Hareketli nesnelerin sinyali yolladığındaki tam yerini belirlemek için GPS kullanılan sistemlerde mevcuttur. Uygulama menzillerinin uzunluğu lidarı farklı 61 kılan diğer önemli özelliklerinden biridir. Pahalı bir sistemdir ancak verim alınması bakımından oldukça gelişmiştir.

  • KIZIL ÖTESİ SENSÖR

Robotikte kullanılan kızıl ötesi sensörler engel tespiti ve mesafe algılama için kullanılabilinmektedirler. Üzerinde bulunan 2 gözden birincisi kızıl ötesi ışın yaymakta diğer göz ise dönen kızıl ötesi ışınları belli bir açı değeriyle almaktadır. Her ışının geri yansıması farklı bir noktaya düşmektedir ve bu mesafe için bize bilgi vermektedir. Robotik piyasasında maliyeti fazla lazer sistemleri kullanmak istemeyen geliştiriciler daha az maliyetli kızıl ötesi sensörlerle çalışmak isteyebilirler. Aynı verim alınmasa bile maliyet bakımından çok doğru bir seçim olabilirler.

  • ULTRASONİK SENSÖRLER

lazer ve kızıl ötesi ışınlarla mesafe ölçümü yapıldığından bahsedildi. Ultrasonik sensörlerin çalışma mantığıda hemen hemen lidar ve kızıl ötesi sensörler ile aynıdır. Ultrasonik sensörler ise ses dalgaları ile mesafe ölçümü yapmaktadırlar. Sensör 20 kHz ile 500 kHz frekans aralığında dalgalar üretir ve nesneye çarpıp geri dönme sinyaline göre mesafe ölçümü yapmaktadır. Basit bir matematikle anlatmak gerekirse sinyalin kaynaktan çıkıp kaynağa geri dönme zamanı arasındaki fark ikiye bölündükten sonra ses hızıyla çarpılarak mesafe ölçme işlemi yapılır. Uygulama menzilleri 30 metreye ulaşabilir. Uygulama menzillerinin fazlalığı sebebiyle bu sensörler deniz altı ortamlarda sıklıkla kullanılınmaktadırlar.

  • MICROSOFT KINECT

Kinect, Microsoft firmasının piyasaya 2010 yılında çıkardığı projedir. Proje X-BOX ürününe her hangi bir kontrolör olmadan müdahale edebilme problemiyle 62 yaratılmıştır. Ancak daha sonra Kinect sensörü alanının dışında kullanılmaya başlanılmıştır. Sensörün teknik özelliklerine gelinecek olunursa Kinect sensör üzerinde renk ve derinlik algılama lensleri, ses mikrofon düzeni, sensör ayarlaması için tilt motoru bulundurur. Yaydığı kızıl ötesi ışınlar sayesinde hareket algılama işlemi yapmaktadır. X-BOX için ise bu kızıl ötesi ışınlardan gelen verileri CMOS algılayıları sayesinde komuta çevirmektedir ve bu komutlar oyunda el hareketlerini algılamaktadır. Robotik piyasada ise Kinect mesafe ölçümü, robotun SLAM organizasyonu gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Derinlik algısına rahat bir şekilde ulaşılması diğer sensörlerden farkını ortaya koymaktadır. MATLAB ortamında Kinect’in görüntülerine ulaşılması tek satırda sonlanabilmektedir. Microsoft firmasının ürünü olduğu için “Kinect for Windows” anahtar kelimesi Kinect ile uğraşan herkesin karşısına çıkmaktadır.

algı
Figure 3. Algı

Localization(Lokalizasyon)

Robotlarda konum tahmini en temel problemlerden birisidir. Robotun otonom olarak çalışabilmesi için konumunu bilmelidir. Yine haritalama da olduğu gibi konumlama da tamamen olasılıksal olarak hesaplanmıştır. Kesin bir konum bilinemediği için gerçek konuma en yakın olasılık bulunmaya çalışılmıştır. Bu da robotun sensörlerinden ve odometriden gelen verileri kullanarak konumunu tahmin etmesiyle olmuştur. Konum tahmini yöntemleri kabaca robotun gezingesini tutan yöntemler ve global pozisyonunu tutan yöntemler adı altında ikiye ayrılmıştır. Gezinge üzerinden konum tahmini yöntemlerinde robotun başlangıç konumunun bilindiği varsayılmıştır. Bu yöntemlerde birkaç tane güçlü ve hızlı olanları olsa da genel olarak eksiklikleri vardır. Global pozisyon üzerinden konumlama yöntemi için kullanılan metotlarda başlangıç konumu bilinmeyen robotun konum tespiti yapılabilmektedir. Bu
yeti otonom bir robot için gerekli olan temel bir fonksiyondur. Gezinge izleme yöntemlerinde arama uzayları küçüktür ve konum tahmininde hata tespiti yoktur. Bu yüzden son araştırmalarda global yöntemler daha çok üzerinde durulan yöntemlerdir.

konumlama
Figure 4. Konumlama
  1. See: Sensör sorgular: Bir direğin yanında bulunuyorum.
  2. Act: Robot bir metre ileri taşınıyor.
    tekerlek enkoderi ile tahmini hareket – Belirsizliğin birikimi
  3. See: Sensör tekrar sorgular: Bir direğin yanında bulunuyorum(yeniden).
  4. İnanç güncelleme(Bilgi birleştirme)

Bu sorgularla birlikte olasılıksal hesaplamalarla robot kendi konumunu belirlemeye çalışır.

Yol Planlama

yolplanlama
Figure 5. Yol Planlama

Robotlarda yol planlama iki soruya cevap arar. “Nereye gidiyorum?” ve “oraya nasıl giderim?”. Robot harita ve konum bilgisine sahipken bulunduğu konumdan istenilen konuma ulaşmak için çıkarttığı graf tabanlı haritadan bir yok planlaması yapar. Bu yol planlamasına Global Path Planning adı verilir. Robot hedefe giderken engellerle karşılaşır ve bu engellerden sakınmak için yeni yol planlamaları yapar bu işleme de Local Path Planning adı verilir.

path planning
Figure 6. Yol Planlama 1

Bir yorum yazınız. Yorumlarınız bizim için değerlidir.