Donanım

Birçok mobil robot uygulamasında geniş görüş alanına sahip görüş sistemlerinin kullanılması gerekir. Böyle bir sistemin de düşük maliyette elde edilmesi, robotun etrafına birçok sensör yerleştirerek gerçekleştirilemez. Sıradan dar görüşlü bir kamera, sıradan bir lens ve tasarlanıp kamera önüne yerleştirilen bir ayna ile oluşturulacak tümyönlü görüş sisteminin kullanılması ile mümkün olur. Bir

Bluetooth

tümyönlü görüş sistemi üç ana kısımdan oluşur, düşey eksene göre simetrik bir dışbükey ayna, bu aynayı destekleyen bir aparat ve yüksek çözünürlüklü bir kamera. Sistemin tasarlanmasında dikkat edilecek en önemli hususlardan birisi kullanılacak aynanın seçimidir. Bu çalışmada tek görüş noktalı bir sistem olması istenmiştir. Tek görüş noktalı sistemlerin tercih edilmesinin nedeni, katadioptrik kamera tarafından yakalanan görüntülerden geometrik olarak sağlıklı perspektif görüntülerin üretilmesine müsaade ediyor olmasıdır. Projeksiyon noktasının tek oluşu, döner bir düzlemsel kamerayla alınmış ayrı görüntülerin birleştirilmesiyle elde edilen döner görüntüye eşdeğerdir. Ayrıca tek görüş noktalı sistemler içinde maliyeti en düşük olan ayna tipi hiperboloidal ayna tipidir. Bu özellikler göz önünde bulundurulduğunda hiperboloidal ayna ile çalışılması kararlaştırılmıştır. Sistemin hazır olarak alınması çok yüksek maliyetli olduğu için özel olarak tasarlanıp üretilmesi düşünülmüştür. Aynanın yukarı yönlü görüş açısının maksimum olması istendiğinde büyüklüğü de düşünülmüş ve en uygun özelliklerdeki hiperboloidal ayna oluşturulmuştur. Aynanın yukarı yönlü görüş açısı 16° dir. Dış çerçevesi 60mm ve parametreleri de a = 28,0949 ve b = 23,4124 olarak seçilmiştir. Ayna döner eksen etrafında simetrik olduğu için bir CAD programı ile hiperbol denklemi olan

1 2 2 2 2 = − b Y a X (3.1) denklemine göre iki boyutta ve üç boyutta çizimi yapılmıştır.

Camdan ayna yapmak için gerçekleştirilen standart işlem bu ayna için uygun olmayacağından ayna CNC (Computer Numerical Control - Bilgisayar Sayımlı Kontrol) tezgahında işlenerek metalden üretilmiş ve krom kaplanarak polisaj işlemine tabi tutulmuştur.

Şekil 3.3 Krom ile kaplanmış hiperboloidal ayna

Kamera ve lens seçimi de titizlikle yapılmıştır. Sistemin mobil robotlar için tasarlanmış olması kablosuz kamera kullanımını zorunlu kılmıştır. Ayrıca kullanılması düşünülen kameranın boyutlarının da mümkün olduğu kadar küçük olması düşünülmüştür. Đstenilen özellikler doğrultusunda Cameray firmasına ait kablosuz kameranın kullanılması uygun bulunmuştur. Kamerada sensör olarak CCD (Charge Coupled Device – Yükten Bağlaşımlı Aygıt) sensör kullanılmıştır. CCD sensörler ışığa karşı CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensörlerden daha duyarlıdır ve ürettikleri görüntüler daha niteliklidir. Veri aktarımı daha hızlıdır. Ancak maliyeti daha yüksektir. Kameranın çalışma gerilimi 12V’tur ve çalışma frekansı 2,4 GHz’tir. Çözünürlüğü ise 480 TVLines’tır.

Şekil 3.4 Sistemin tasarımında kullanılan 2.4GHz kablosuz CCD kamera

Tek görüş noktalı katadioptrik sistem tasarımında lens seçimi de çok önemlidir. Kullanılacak lensin görüş açısı aynanın tamamını kapsayacak nitelikte olmalıdır. Ayrıca odak uzaklığı da kamera merkezi ile uyumlu olmalıdır. Lens mesafesi arttıkça aynı mesafeden çekilen görüntü daha yakından çekilmiş gibi görünür. Tasarlanan sistemde iki adet lens denenmiş ve odak uzaklığı 8mm, görüş açısı 40° olan lensin; odak uzaklığı 3.6mm, görüş açısı 90° olan lense göre daha iyi sonuç verdiği görülmüştür.

Şekil 3.6 Odak uzaklıkları farklı lensler

Kamerada kullanılan 2,4 GHz transmitter anteni kullanılan cam tüpün içine girebilmesi amacıyla kamera eksenine paralel hale getirilmiştir. Destekleme aparatı olarak kullanılan cam tüp bu amaçla kullanılacak en uygun malzemedir. Ayna üzerine düşen görüntüde sadece sahne görüntüsü olması ve destek kolu gibi görüntülerin olmaması istendiği için cam tüp seçilmiştir. Cam tüpün kullanımı en iyi çözüm olmasıyla birlikte dahili yansıma problemi vardır. Bu problemin çözümü için lensten sadece ortogonal ışınların geçebildiği telesentrik lensli kameralar kullanılabilir. Ancak maliyeti çok yüksek olduğu için tercih edilmezler. Ayrıca büyük oldukları için de yer kaplarlar. Dahili yansımaları yok etmenin başka bir yolu da kameranın merkez ekseni boyunca ışığı geçirmeyen ince bir engel koymaktır.

Şekil 3.7 Kamera merkez eksenine siyah engel yerleştirerek içeri yansımaların yok edilmesi

Yukarıdaki şekilde de görüldüğü gibi şeffaf silindirin iç yüzeyinden yansıyan ışın silindirin merkez eksenine yakın olacak biçimde kamera merkezinden geçer. Bu sebeple, ana eksen boyunca yerleştirilecek siyah ince engel dahili yansımaları tamamen ortadan kaldırır. Ancak sistemin yerleştirilmesi oldukça sıkıntılı olduğu için gerçekleştirilen bu tez çalışmasında siyah engel kullanılmamıştır.

Kablosuz kamera ile alınan görüntü anten vasıtasıyla alıcıya aktarılmaktadır. Alıcı 2,4 GHz ve 12V ile çalışmaktadır. Dört kanala sahiptir. Aynı şekilde kullanılan kamera da dört farklı frekansta yayın yapabilmektedir. Alıcı üzerinde bir ses çıkışı bir de görüntü çıkışı mevcuttur. Bu çalışmada görüntü tabanlı işlem yapılacağı için ses çıkışı kullanılmamıştır. Kablosuz kamera ve alıcı kapalı ortamda 30m, açık ortamda ise 100m’ye kadar haberleşebilmektedir. Görüntünün bilgisayara aktarılması bir TV Capture Card vasıtasıyla PCMCIA Express slotu üzerinden yapılmıştır.

effaf Cam Silindir

Lens Ayna

Şekil 3.8 Görüntünün bilgisayara aktarılmasında kullanılan kablosuz alıcı ve PCMCIA Express TV Capture Kartı

Alınan görüntü bilgisayarda işlendikten sonra kararla ilgili bilgi robota bluetooth ortamında aktarılmaktadır. Tez çalışması kapsamında kullanılan bluetooth modülü Spark Fun‘ın Blue Smirf Class1 modülüdür. Direk bağlanma özelliğine sahip bu modülde ses ve veri haberleşmesi için gereken tüm Bluetooth cihaz uyumunu sağlamaktadır. Kullanılan modülün özellikleri aşağıdaki gibidir;

Ekstra protokol gerektirmeden kablosuz UART fonksiyonu 240-115200bps çalışma aralığı

Çalışma aralığını yazılımla ayarlayabilme 3V-6V arası besleme gerilim aralığı

Doğrudan seri haberleşme TX-RX çıkış uçları Nominal100m menzil

2.4 - 2.524 GHz çalışma frekans aralığı Düşük güç tüketimi ile 25mA de çalışma Kolay montaj özelliği

[(-40) - 70 C] aralığında çalışma imkanı Bluetooth v1.1 ile uyumlu

Bluetooth modülünün boyutunun küçük olması ve montaj kolaylığı modülün kullanılabilirliğini kolaylaştırmıştır.

Şekil 3.9 Bluetooth modülü

Sistemin çalışması şu şekildedir;

Kablosuz kamera ile alınan çevre görüntüsü, 2,4GHz’lik bir yayınla alıcıya aktarılır. Alıcının görüntüyü alabilmesi için kameranın çalıştığı kanalın seçili olması gerekmektedir. Alınan görüntü bilgisayara bir TV capture kartı ile aktarılır. Bilgisayara alınan görüntü MATLAB Image Acquisition Toolbox yardımıyla MATLAB ortamına aktarılır. Đlerleyen bölümlerde yazılım kısmında yapılan işlemler ayrıntılı bir şekilde anlatılacaktır. MATLAB’ta görüntü işleme teknikleri uygulanarak dairesel görüntü panoramik görüntüye çevrilir. Önişleme aşamalarının ardından görüntü üzerinde zemin çıkarımı yapılır. Nihayetinde o anki alınan görüntü de hangi yöndeki ortamların boş ve hareket için elverişli olduğu, hangi yöndekilerin ise harekete uygun olmadığı ve nesne algılandığı belirlenir. Yazılan algoritmaya göre robotun yöneleceği istikamet belirlenir. Bu açısal bilgi bluetooth ortamında robota aktarılır. Robot da o an bulunduğu konuma göre belirli açıda dönüşünü yaparak boş yolda hareketine devam eder.