kuzeybengu@yahoo.com
2
Makina Mühendisli÷i Bölümü
østanbul Teknik Üniversitesi, Gümüúsuyu
enderyemenicioglu@gmail.com
3
Makina Mühendisli÷i Bölümü
Otomatik Kontrol Birimi
østanbul Teknik Üniversitesi, Gümüúsuyu
kuzucuah@itu.edu.tr
Özet
Bu çalıúmada, mini insansız hava araçlarında (øHA) gözlem ve hedef izleme iúlemlerini gerçekleútirmek üzere 2 eksenli yalpa çemberli bir kamera kontrol sisteminin tasarımı yapılmıútır. Mini øHA çalıúma koúullarına göre seçilen kamera için bir taúıyıcı mekanizma tasarlanmıú, hareket kontrol sistemi bir görüntü iúleme algoritması ile birlikte çalıúacak biçimde oluúturulmuútur. Sistemin en kötü çalıúma úartları belirlenmiú, bu koúullarda sistem benzetimi ve hata analizi yapılmıú, görüntü iúleme ile hedef takibi algoritması anlatılmıútır. Bir prototip imal edilmiú, özellikleri teorik tasarım ile karúılaútırılmıútır.
1. Giriú
Son yıllarda insansız hava aracı (øHA) projeleri ülkemizde de ilgi çekmeye baúlamıú ve de÷iúik firmalar gerek askeri gerek sivil amaçlarla çeúitli prototipler üretmiúlerdir. Ülke içinde tasarımı ve üretimi stratejik önem taúıyan bu araçların temel iúlevi gözlemdir. Bu çalıúmadaki temel amaç, øHA üzerinden sivil amaçlı gözlem ve izleme yapabilecek bir görüntüleme sisteminin gerçekleútirilmesidir. Görüntüleme sistemi kararlı, uça÷ın titreúim ve hareketlerinden etkilenmeyen, aerodinamik açıdan uygun ve hafif olmalıdır. Bu bildiride 2 eksenli yalpa çemberli (gimbal) bir kamera kontrol sisteminin tasarım aúamaları anlatılmıútır. Çalıúma, mekanik tasarımı, kontrol sistemini, elektronik parçaların seçimini ve bilgisayar programını kapsamaktadır. Konuyla ilgili patentler ([6],[7],[8],[9],[10]) incelenmiú ve kaynakçada belirtilmiútir. Çalıúma kapsamında bir de prototip geliútirilmiútir.
Mukavemet ve titreúim analizlerinin sonucunda malzeme olarak akrilik cam (plexiglass) seçilmiútir. Ayrıca kamera, yuvarlanmalı yataklar, güç aktarım mekanizması, veri aktarım sistemi seçilmiútir. Kontrol sisteminin tasarlanması için en kötü çalıúma úartları belirlenmiú, ardından dinamik davranıú denklemleri çözülmüútür. Her bir eklem için çevrim oranları ve gerekli momentler hesaplanmıútır. Sürücü olarak seçilen
DA motorlar için gerekli akımların zamana ba÷lı de÷iúimleri hesaplanmıú ve kontrol donanımı seçilmiútir. Motor düzeyinde açısal hız kontrolü, yük düzeyinde açısal konum ve yön kontrolü için kontrol katsayıları hesaplanmıú ve izleme yörünge kontrolü sisteminin benzetimi yapılmıútır.
Problemin teorik incelemesinden sonra prototip üretimine geçilmiútir. Elektronik donanım ve bilgisayar yazılımı sistemi bilgisayar üzerinden kontrol edebilmek amacıyla tasarlanmıú, görüntü iúleme ve hedef izleme gerçekleútirilmiútir.
2. Mekanik Tasarım
Problemin çözümü için bir yalpa çemberi mekanizması tasarlanmıútır. Yalpa çemberi, genellikle 2 veya 3 eksenli olarak dönme hareketine izin veren ve dönme merkezleri çakıúık, iç içe geçmiú çemberlerden oluúan bir mekanizmadır [1]. Kamera taúıyıcı platformu 2 serbestlik dereceli ve kütle merkezleri aynı eksen üzerinde olacak úekilde tasarlanmıútır. Bu nedenle mekanizma bir yalpa çemberi gibi çalıúmaktadır.
2.1. Görev tanımı
Bu kamera uygulaması aúa÷ıdaki asgari özellikleri taúıyan bir miniøHA için tasarlanmıútır:
x Taúıma kapasitesi: 1 kg x Maksimum uçuú hızı: 200 km/s x Minimum gözlem yüksekli÷i: 50 m x Komuta ve kontrol menzili: 11 km
x Ebatları: ~1,2 x 1,6 x 0,4 m Bu araçla taúınacak kamera sistemi, bir kilonun altında, uça÷ın titreúim ve hız de÷iúimlerinden izole edilmiú ve aerodinamik olarak uygun olmalıdır.
2.2. Bileúenlerin Seçimi
øhtiyaç duyulan dayanımı ve hafifli÷i karúıladı÷ı için malzeme olarak plexiglass (akrilik cam) seçilmiútir. Gerekli titreúim ve dayanım koúullarını sa÷lamaktadır.
TOK'07 Bildiriler KitabÕ østanbul, 5-7 Eylül 2007
Mekanik tasarımda kullanılan bileúenler úunlardır: x Taban kutusu
x Kamera tutucu kol x Taúıyıcı kol x Kapak x Taban motoru x Kol motoru
x Taban motoru tutucu x Kol motoru tutucu x Kamera
x øzolasyon yayları
x Miller, yataklar, cıvatalar, kasnaklar, vb.
Ayrıca bileúen olarak veri aktarımını sa÷lamak için bir RF aktarım cihazı ve elektronik kontrol devresi de bulunmaktadır.
ùekil 1: Mekanizma bileúenleri
3. Kontrol Sistemi Tasarımı
3.1. En Zorlayıcı Çalıúma ùartlarının Tanımlanması
Sistem için en zorlayıcı çalıúma úartları “øHA 50 m yükseklikte 200 km/s maksimum hızda uçarken sabit bir yer hedefini izlemesi” olarak belirlenmiútir.
d t c t b t a t t ' ' ' ' ' o o 2 3 ) ( 2 0 sec 8 . 1 0 T S T
Taban eklemi için en zor senaryo ùekil 2’de görüldü÷ü gibidir: P uça÷ı v=200 km/s hız ile 50 m yüksekten uçarken, kamera 50 m ilerde duran hedefe bakmaktadır. Hedef, uça÷a göre bir saniyede A noktasından A’ noktasına varmaktadır. Bu durumda kameranın bir saniyede taraması gereken açı 48,03° olmaktadır.
Kol eklemi için en zor senaryo ùekil 2’de gösterilmiútir. Taban eklemine benzer úekilde P uça÷ı 200 km/h hız ile 50 m yükseklikten uçarken kamera tam altında duran A hedefine bakmaktadır. Bir saniye sonra hedef A’ noktasına gelmektedir. Kol eklemi için bir saniyede taranması gereken açı 48,03° dir.
ùekil 2: Taban motoru için en zorlayıcı çalıúma
ùekil 3: Kol motoru için en zorlayıcı çalıúma
3.2. Eklem yörüngeleri
Eklem referans yörüngeleri en kötü çalıúma úartları için 3. derece polinom yaklaúımı ile hesaplanmıútır. øki motor için de açı de÷iúimleri aynı oldu÷undan (48,03°) yörünge sonuçları aynıdır. Eklem açısı, açısal hızı ve açısal ivmesinin de÷iúimleri ùekil 4, 5 ve 6’da gösterilmiútir.
(1)
ùekil 4: Ԧ(t)’nin de÷iúim grafi÷i;Ԧmax= 1,571 rad N. Bengü Kuzey, Ender Yemenicio÷lu, Ahmet Kuzucu
ùekil 5: Açısal hız de÷iúimi, Ԧ’max = 1,309 rad/s
ùekil 6: Açısal ivme de÷iúimi. Ԧ’’max= 2,91 rad/s²
3.3. Eklem momentleri
Sisteme dıúarıdan etkiyen bir direnç kuvveti ya da momenti bulunmamaktadır. Referans yörüngeleri hesaplanmıú oldu÷undan bu yörüngelere karúı gelen eklem momentleri de tek serbestlik dereceli dinamik davranıú denklemi ile hesaplanmıútır [2]. Motor eksenine indirgenmiú Jk atalet momenti için kameranın seçilen dönme eksenine göre en büyük atalet momenti, Bk eúde÷er viskoz sürtünme katsayısı için de seçilen rulmanların eúde÷er viskoz sürtünme katsayıları kullanılmıútır. Eklem de÷iúkeni q = Ԧiçin
1
W
M M q B q Jk k d (2) 0 d Mùekil 7: Kol motoru moment de÷iúimi.
Nm
ùekil 8: Taban motoru moment de÷iúimi
Nm 3 10 412 . 1 W M 2max
3.4. Motor seçimi ve referans akımları
Yukarıda hesaplanan momentler do÷rultusunda Maxon RE13, Ø13, 2,5 Watt, Mmax = 8,88 mNm DA motorlar seçilmiútir. Maksimum hız iletimi için çevirme oranları
m a B B
N (3)
ile hesaplanmıútır.Baeúde÷er yük viskoz sürtünme katsayısı,
Bm ise motor viskoz sürtünme katsayısıdır.
Çevirme oranlarının hesabından sonra referans yörüngelerine karúı gelen referans akım yörüngeleri hesaplanmıútır.
ùekil 9: Taban motorunun çekti÷i akımın zamana göre
de÷iúimi, I (t) 11103A
max 2
3.5. Ölçme ve Kontrol Sistemi
Eklem konumunun 12 V ile beslenen 10 devirli hassas potansiyometre ile, eklem açısal hızının da motorla bütünleúik takojeneratör ile ölçülmesi öngörülmüútür.
Kontrol sisteminde motorlara referans akımının açık-çevrim beslenmesi, referans yörüngelerinden sapmalar için de hız geri beslemeli oransal kontrol algoritmasının uygulanması benimsenmiútir. 3 10 404 . 1 W M 1max
2 Eksenli Yalpa Çemberli Kamera Kontrol Sistemi TasarÕmÕ
3.6. Sistem Benzetimi
Sistem benzetimi için yörünge kontrolü yaklaúımı uygulanmıútır. Bunun için MATLAB Simulink ortamında ùekil 10’da verilen blok diyagramı hazırlanmıútır.
ùekil 10: Sistemin Simulink ortamındaki blok diyagramı
En zorlayıcı senaryo için sistemin referans giriúe cevabı ùekil 11’deki gibidir:
ùekil 11: Referans giriúi izleme cevabı
Hata mertebesi mertebesinde oldu÷u için grafikte gözlenememektedir. Büyütülmüú bir kesimi ùekil 12’de gösterilmiútir.
4
10
ùekil 12: Referans giriúi izleme grafi÷inin detayı
Sistemin en zor çalıúma úartlarında uçuú yüksekli÷i 50 m’dir. Benzetim sonucunda elde edilen gözlem do÷rultu hatasının de÷iúimi ùekil 13’te gösterilmiútir. Bu hatanın en büyük de÷eri radyandır. Bu sonuç, yer yüzeyinde gözlenen bir hedefin takibinde 0,0225 m hata yapılması anlamına gelmektedir. Bu sonuç oldukça tatminkârdır.
4 10 5 .
4
ùekil 13: Gözlem do÷rultu hatasının zamana ba÷lı
de÷iúimi, Emax= 4rad
10 5 .
4
4. Görüntü Üzerinden Hedef øzleme
4.1. Görüntü øúleme
Bir video üzerinden hedef izleme yapabilmek için videodan görüntüler bir dizi resim úeklinde alınmalı ve aralarındaki fark hesaplanmalıdır. østenmeyen görüntüler ve bozucu etkiler resimden filtrelenmelidir.
Görüntü iúlemek için videodan elde edilen görüntü kareleri 4 boyutlu (yükseklik, geniúlik, renk ve zaman) bir matris olarak düzenlenir. Geniúlik, yükseklik ve renk kalitesi kameranın özelliklerine ba÷lıdır. Zaman boyutu kameranın “enstantane” ayarı ile belirlenir [3].
Bu çalıúmada üç farklı yöntem incelenmiútir. Bunlar “Görüntü karelerinden fark alma”, “Arka plandan fark alma” ve “Hareket tespiti” yöntemleridir.
4.1.1. Görüntü karelerinden fark alma
Görüntü kareleri arasındaki mutlak farkı almak ve videodaki hareket olan ve olmayan bölgeleri belirlemek için kullanılır. De÷iúikli÷in gerçekleúti÷i bölgeler hareketin gerçekleúti÷i bölgelerdir. Daha kolay bir iúleme için görüntüler siyah beyaz hale dönüútürülür.
Görüntü histogramının eúik de÷eri çevre koúullarına göre belirlenerek görüntü “arka plan” ve “ön plan” olarak ayrılır. Ardından bozucu etkilerden kaynaklanan küçük görüntüler süzme ile silinir. Bu iúlemi yaparken her bir pikselin çevresindeki 8 pikselle ba÷lantılı oldu÷u kabul edilmiútir. Sonuç olarak hedefin kütle merkezi hesaplanarak x-y düzlemindeki hareketi bulunur. Görüntü karelerinin iúleme aúamaları ùekil 14’te, görüntü a÷ırlık merkezi koordinatlarının zamana göre de÷iúimi ùekil 15’te verilmiútir.
N. Bengü Kuzey, Ender Yemenicio÷lu, Ahmet Kuzucu
ùekil 14: Videodan alınan görüntü karesinin iúlenme aúamaları
ùekil 15: Hedefin x-y do÷rultularında zamana ba÷lı yer
de÷iúimleri
4.1.2. Arka plandan fark alma
Bu yöntemde öncelikle arka plan tanımlanır ve her bir görüntü karesinden çıkarılır. Görüntü iúleme aúamaları bunun dıúında görüntü karelerinden fark alma yöntemiyle aynıdır.
ùekil 16: Arka plandan fark alma yöntemi
4.1.3. Hareket tespiti
Bu yöntem “mutlak farklar” mantı÷ına dayalı çalıúmaktadır. Video birbirinden ba÷ımsız karelere bölünür. Eúik de÷erini aúan bir hareketin oldu÷u karede program uyarı verir (mesela kırmızı olarak yanıp söner)
ùekil 17: Hareket tespiti: Hareketin oldu÷u kare kırmızı renkte
yanıp söner
4.2. Görüntü øúleme ile Motor Kontrolü
Hedefin konumundaki de÷iúme, görüntü iúleme biriminden x(t) – y(t) de÷erleri olarak elde edilmiútir. Bu de÷erler hedefi izleyebilmek için motorlara gönderilecek açısal dönme de÷erlerine dönüútürülür. Motorların hareketi sonucunda kamera yeniden hedefi ortalar. Kameranın odaklanmasından sonra iúlemle sırası ile baútan tekrarlanır.
ùekil 18: Hedefin x-y koordinatlarındaki de÷iúimi (2
kare üst üste bindirilmiútir)
ùekil 19: Görüntü iúleme ile motor kontrolünün úeması
2 Eksenli Yalpa Çemberli Kamera Kontrol Sistemi TasarÕmÕ
5. Deneysel Prototip
Tasarımı yapılan sistemde özellikle hareket kontrolu ve görüntü iúleme birimlerinin birlikte çalıúmasını sınamak üzere bir deneysel prototip imal edilmiútir. Ancak seçilmiú bileúenlerin teminindeki uzun teslim süreleri nedeniyle tasarım de÷iútirilerek hız geri beslemeli DA motorlar yerine darbe geniúli÷i modülasyonu (PWM) ile konum kontrolu yapan mini servo motorlar kullanılmıútır. Seçilen kamera yerine aynı nedenlerle basit bir web cam kullanılmıútır. Kayıú-kasnak iletim sisteminden vazgeçilmiú, kol servo motoru do÷rudan ekleme ba÷lanmıútır. Prototip yerde çalıútırıldı÷ı için RF kullanımı gerekli görülmemiútir.
Sistem kontrolu için bir PIC16F84 mikro kontrol devresi kullanılmıútır. Bu devreyle bilgisayar ve prototip arasındaki seri iletiúim sa÷lanmıútır[4]. Görüntü iúleme ve motor kontrol programı MATLAB ortamında, PIC programı PicBasic ile yazılmıútır.
ùekil 20: Prototip
6. Sonuçlar
Bu çalıúmada insansız hava gözlem araçları için bir görüntüleme sistemin mekanik yapı ve kontrol sistemi tasarımı gerçekleútirilmiútir. Benzetim ortamında yapılan deneyler ve hata analizi sonucunda kontrol algoritması ve mekanik tasarımın uygun oldu÷u görülmüútür.
øncelenen problemin aslında bir “yörünge izleme” problemi olmasına ra÷men kısıtlı zaman içinde mini bileúen bulma zorlu÷u nedeniyle deneysel prototip üzerinde motor hız kontrolü çevrimi ayrıca oluúturulmamıú, ancak servo motorla kamera konum kontrolunun da tatmin edici sonuçlar verdi÷i gözlemlenmiútir.
Maliyetleri çok ucuz olan mini servo motorların dinamik davranıúları bu sistem için yeterli düzeyde bir “tekrarlanabilirlik” göstermiútir. Ancak, konum referans giriúlerinin, izleme yörüngesini sa÷layacak biçimde zamana göre de÷iútirilmesi, örnekleme periyodunun sistemden beklenen davranıúa göre uygun de÷erlere ayarlanmasını gerektirmiútir. Mini servo motorların yörünge izleme problemlerinde kullanılması, aynı tür problemlerde adım motorlar kullanıldı÷ı zaman karúılaúılan sorunlara benzer sorunları da beraberinde getirmektedir.
Mini servo motorlarda “kayma” olmamasına ra÷men görüntü iúleme ve motor kontrolü programlarının geliútirilmesi sırasında iletim ve iúlem zamanı gecikmeleri sistem davranıúını önemli ölçüde etkilemiútir. Bu sorun, sistem birimleri arasındaki eúzamanlı çalıúma koúulları incelenerek, uygun iletiúim protokollerinin oluúturulması ve PIC yazılımında yapılacak de÷iúikliklerle çözülecektir.
7. Kaynakça
[1] H. Wong, “Adaptive control of a two axis gimbal camera”, Term Project, MIT, MA, 1994.
[2] H. Asada&J.J. Slotine, Robot Analysis and Control, John Wiley and Sons Inc., USA, 1986.
[3] D. Lee&S. Eddins, “Acquiring and analyzing image sequences in MATLAB”. 8 Nisan 2007 tarihinde http://www.mathworks.com/company/newsletters/news_ notes/win03/tracking.html sitesinden alınmıútır.
[4] A. Kılıçarslan, “Yılan tipi hareket mekanizması ve hareket kontrolü”, Yüksek Lisans Tezi,øTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü,østanbul, 2005.
[5] A. Kuzucu, Introduction to Robotics, Ders Notları,øTÜ, 2005.
Patentler:
[6] A. Y. Dallakian, “Gimballed optical mount”, US Patent, No: 6198580, 6.3.2001.
[7] D. Barnes, “A system for robotic control of imaging data having a steerable gimbal mounted spectral sensor and methods”, World International Patent Organisation, No: WO 01/77627 A3, 18.10.2001.
[8] J.J. Miller, “Gimbal mechanism”, US Patent, No: 7124656, 24.10.2006.
[9] K. Norén&T. Segerström, “A device for stabilizing of a remotely controlled sensor, like a camera”, European
Patent Office, No: WO/1998/016871, 23.04.1998.
[10] P.C. Kiunke&R. D. Schaefer, “Gimbal vibration isolation system”, European Patent Office, No: 0559402 A2, 08.09.1993.
N. Bengü Kuzey, Ender Yemenicio÷lu, Ahmet Kuzucu