TEKNOFEST HAVACILIK, UZAY VE TEKNOLOJİ FESTİVALİ 2021 ROBOTAKSİ BİNEK OTONOM ARAÇ YARIŞMASI KRİTİK TASARIM RAPORU (ÖZGÜN ARAÇ KATEGORİSİ)

(1)

TEKNOFEST

HAVACILIK, UZAY VE TEKNOLOJİ FESTİVALİ 2021

ROBOTAKSİ – BİNEK OTONOM ARAÇ YARIŞMASI KRİTİK TASARIM RAPORU

(ÖZGÜN ARAÇ KATEGORİSİ)

Takım Adı: Hayal Otonomi Takımı

Araç Adı: Hayal v.gümüş_1

Takım Kaptanı: Furkan Değirmenci

(2)

İÇERİK

1.Takım Organizasyonu 3

2.Ön Tasarım Raporu Değerlendirmesi 4

2.1. Yapılan Değişiklikler ve Sebepler 4

2.2. Maliyet Hesabı 5

3.Araç Özellikleri 5

3.1. Araç Mekanik Özellikleri 5

3.2. Araç Kontrol Mekanizmaları 8

3.2.1. Gaz Kelebeği Aktüatörü 8

3.2.2. Fren Aktüatörü 9

3.2.3. Direksiyon Aktüatörü 10

3.2.4. Şanzıman Aktüatörü 11

4.Sensörler 11

4.1. Lidar Sensörü 11

4.2. Kamera 11

5.Araç Kontrol Ünitesi 16

5.1. Araç Bilgisayarı 16

5.2. Mikrodenetleyiciler 16

5.3. Kablolu Ve Kablosuz Haberleşme 18

5.4. Kontrol sistemi 19

5.4.1. Direksiyon sisteminde kullanılan aktüatör 20

5.4.2. Fren Sisteminde Kullanılan Aktüatör 21

5.4.3. Gaz Kelebeğinde Kullanılacak Aktüatör 22

6.Otonom Sürüş Algoritmaları 23

6.1 Akış Diyagramları 26

7.Özgün Bileşenler 28

7.1. Aracımızın Genel Tasarımının Özgünlüğü 28

7.2. Kilit Sistemleri 28

7.3 Elektronik Bileşenler 29

8.Güvenlik Önlemleri 30

8.1. Fiziksel müdahale Paketi 30

8.2. Uzaktan Müdahale Paketi 31

9.Simülasyon ve Test 32

9.1 Simülasyon Algoritması 32

9.2 Toplanan Datalar 33

9.3 Toplanan Dataların Çıktı Sonuçları 36

9.4 Genel Testler 37

10.Referanslar 39

(3)

Takımımız; 6 lisans öğrencisi, 2 ön lisans öğrencisi, 3 lise mezunu ve 2 lise öğrencisinden oluşmaktadır. Bu sayede farklı eğitim seviyelerine sahip kişileri bir araya getirmiş ve disiplinli birer takım çalışması oluşturmuş olduk. Takımımız 5 alt birimden meydana gelmektedir (Mekanik, elektronik, simülasyon, görüntü işleme, sunum tasarım birimi).

-Mekanik birimi; şasi, kupa ve yürüyen aksamlardan sorumludur.

-Elektronik birimi; ivmelenme, frenleme, yönlendirme ve tüm kompanentlerin entegrasyonlarından sorumludur.

-Simülasyon birimi; simülasyon ortamının oluşturulması, aracın simüle edilmesi ve oluşturulan algoritmaların simülasyon ortamında gerçeklenmesinden sorumludur.

-Görüntü işleme birimi; yol şerit çizgilerinin tespiti, trafik ışık ve levhalarının tespiti,

lokalizasyonu, sürüş için gerekli sürülebilir rotanın oluşturulması ve park etme algoritmasından sorumludur.

-Sunum tasarım birimi; proje ve takım tanıtım dosyasının hazırlanmasından sorumludur.

(Şema 1)

TAKIM KAPTANI Furkan DEĞİRMENCİ

Doğuş Üniversitesi Elektronik ve Haberleşme

Furkan DEĞİRMENCİ

MEKANİK BİRİMİ

Yunus Emre KAYA

FSM Vakıf Üniversitesi İslam Bilim Tarihi

Mücahit Talha KARATAŞ

Arel Üniversitesi Uçak Teknolojileri

Emirhan GÜNEŞ

Kocaeli Üniversitesi Ford Otosan İhsaniye Otomotiv MYO

Faruk BODUR

Gaziosmanpaşa İHL Mezunu

Mehmet Ali YAZAR

Mesut DİNLEYİCİ

Furkan DEĞİRMENCİ

Enes ÇEVİK

Burak KOÇ

İstanbul Ticaret Üniversitesi Görsel İletişim Tasarımı

Emre DAĞLIER

SİMÜLASYON BİRİMİ

Yıldız Teknik Üniversitesi

Mekatronik Mühendisliği Mustafa

ÇAKIR

Eyüp ERCAN

İstanbul Ticaret Üniversitesi Görsel İletişim Tasarımı

Taha Salih KABAKÇI

Mehmet Ali YAZAR

ELEKTRONİK BİRİMİ

SUNUM TASARIM BİRİMİ

GÖRÜNTÜ İŞLEME BİRİMİ

Gaziosmanpaşa İHL Öğrencisi

(4)

(Takvim 1)

2. Ön Tasarım Raporu Değerlendirmesi

Ön tasarım sürecinde planladığımız alt ve üst sistemlerin kullanımında bir değişiklik

yapmadık. Ön tasarım raporunda da bahsettiğimiz üzere aracımızın günlük kullanıma uygunluğu ve rahatlığını göz önünde tutarak teknoloji ve konforu aracımızda harmanladık. Ön tasarım raporunda bahsettiğimiz özgünlüklerin yanında ilave özgün bileşen ve fonksiyonlar oluşturarak aracımızı daha da ileriye taşımış olduk.

2.1. Yapılan Değişiklikler ve Sebepler

Ön Tasarım Raporumuzda ana bilgisayar olarakRaspberry Pİ 3 model B geliştirme kartını kullanacağımızı belirtmiştik fakat bu ürünün zayıf ve yetersiz kalacağını gördük. Yerine

NVIDIA Jetson Nano kullanmaya karar vermiştik lakin beklemediğimiz bir arızayla karşılaştık.

Zamanın kısıtlı olması sebebiyle de bir laptop kullanmaktayız.

Yine Ön Tasarım Raporumuzda kamera olarak 2 adet Wawe Share firmasının ürettiği IMX219 Kamera Modülünü kullanacağımızı belirtmiştik fakat stoklarda bulunmadığı için WK-20 kamera kullanmaktayız.

Lidar için sonradan bütçe bulduğumuzdan Lidar Lite V3 yerine şu anda RP Lidar A2M8 Lidar sensörünü kullanmaktayız.

(5)

Önceden planlanan maliyet bütçemiz temin edilemediğinden peyderpey şekilde almış olduğumuz malzemelerin genel listesi (Tablo 1)’deki gibidir.

Malzeme Listesi Toplam Fiyat

1 Şasi 344 TL

2 Kaporta 1365 TL

3 Yürür Aksam 2679 TL

4 Camlar 400 TL

5 Elektrik 375 TL

6 Elektronik 7267 TL

7 Diğer 3027 TL

8 Toplam Maliyet 15457 TL

(Tablo 1)

3. Araç Özellikleri

3.1. Araç Mekanik Özellikleri

Araç Fiziksel Özellikleri

Aracımız Ölçü Birimi

Araç Yüksekliği 150 cm

Araç Genişliği 150 cm

Araç Boyu 390 cm

Ön Tekerler Arası Açıklık

150 cm

Arka Tekerler Arası Açıklık

102 cm

Ön ve Arka Tekerler Arası Açıklık

188 cm

Araç Yerden Yüksekliği

350 mm

Teker Genişliği 180 mm

Araç Ağırlığı 435 kg

Tekerlek Sayısı 4 adet

Koltuk Sayısı 2 adet

(Tablo 2)

Aracımızın şasisi için 3mm* 40mm*60mm ve 2mm*40mm*40mm ölçüsünde demir profil kullanılmıştır. Kupa iskeleti için 1.5mm*20mm*10mm profil kullanılmıştır. Kupasının kaplanması için ise 0.50mm kalınlığında paslanmaya dayanıklı galvenizli sac kullanılmıştır.

Şasisinin oluşturulması için profiller öncelikle argon kaynağı ile puntalanmış sonrasında ise ark kaynağı ile kaynatılmıştır. Kupa iskeletinin birleştirilmesi işlemi ise ark kaynağı ile

gerçekleştirilmiştir. Kupa iskeletini kaplayan deri yapısı galvenizli saclar, özelliğini yitirmemesi açısından çelik perçini işlemi uygulanmıştır.

(6)

Aracın ön ve arka süspansiyon sistemlerinde yaylı amortisörler kullanılmış olup ön

amortisörlerde kule gergisi yapılmıştır. Aracımızı tam zamanlı kullanılan bir araç gibi düşünerek ön tekerlere viraj dengesini kaybetmemesi ve yol tutuşunu artırmak için 2-3 derecelik kamber açısı verilmiştir. Viraj denge kolunun entegre edilmesiyle dönüşler daha güvenli ve seri hale gelmiştir. Hidrolik fren sistemimizin fren diski ve kaliperi ön tekerlerindedir ve fren

merkezinden gelen hidrolik sıvısı sayesinde fren balataları diski sıkıp bırakma işlevlerini gerçekleştirmektedir. Ayrıca fren mesafesini azaltmak için fren merkezinin önünde westing- hause mekanizması kullanılmıştır. Bu sistem motorun emme manifoldundan çekilen hava yardımıyla içerisinin vakumlanması prensibiyle çalışmaktadır. Bu sayede fren pedalının yumuşaması gerçekleşip frenleme için daha az güç gerektirir. Otonom sürüş modunda dc gerilimle çalışan aktüatörümüz fren pedalını kontrol ederek aracımızın yavaşlama ve durma fonksiyonlarını yerine getirebilecektir.

Aracın hareketi için gerekli olan karbüratöre gaz akışının sağlanması için gaz kelebeğini otonom sürüş modunda servo motor kontrol ederken sürücülü sürüş modunda ise gaz kelebeğini gaz pedalı ile manuel olarak sürücü kontrol edebilmektedir. Aracımızın ileri ve geri

manevralarını gerçekleştirebilmesi için tasarlayıp monte ettiğimiz ileri boş ve geri özellikli vites kutusunu kontrol sağlayacak olan servo motorumuz yine otonom sürüş ve sürücülü modda aktif ve deaktif halde kullanılabilecektir.

Aracımızın yönlendirme mekanizmasını oluşturan kara direksiyon kutusu ve mafsallı aktarma milleri dişli çark-zincir sistemiyle bir step motor ile elektromekanik bir sistemle kontrol

edilmiştir. Bu sayede hassas dönüşler sağlayabilecek olan aracımız aynı zamanda otonom sürüş modunda değilken yani sürücülü sürüş modundayken de sürücüye istenildiğinde kolay

direksiyon hakimiyeti sağlayacaktır. Aracımızın motoru ve genel ağırlıklarının arka ve orta kısımda bulunması sebebiyle direksiyonun daha rahat dönmesi planlanmıştır. Bu sayede step motorun harcayacağı enerjinin de mümkün oldukça minimum seviyede tutulması hedeflenmiştir.

(Araç teknik resim çalışmaları-1)

(7)

(8)

3.2. Araç Kontrol Mekanizmaları

Aracımızın kontrolünü sağlayacak olan dört adet aktüatörümüz mevcuttur.

Bunlar sırasıyla;

- Gaz kelebeği aktüatörü - Fren aktüatörü

- Direksiyon aktüatörü - Şanzıman aktüatörü

3.2.1. Gaz Kelebeği Aktüatörü

Aracın motoruna giren hava akışını kontrol eden gaz kelebeği açıldıkça karbüratöre giden hava miktarı artmaktadır. Buna bağlı olarak motorun dakikada çevirdiği devir sayısı da

yükselmektedir. Gaz kelebeğini entegre ettiğimiz bir servo motor aracılığıyla motora giren hava akışını kontrol etmekteyiz.

(Resim 1) (Resim 2)

(9)

3.2.2. Fren Aktüatörü

Fren sistemimiz; fren pedalı, fren pistonu, westing-house ve fren disklerinden oluşmaktadır.

Fren pedalına uygulanan doğrusal kuvvet ara parçalarla birlikte fren balatalarının fren disklerini sıkmasıyla frenleme işlemi gerçekleşmektedir. Fren pedalının altına

konumlandırdığımız bir dc motor fren pedalını çekerek frenleme işlemini gerçekleştirmektedir.

(Resim 3)

(10)

3.2.3. Direksiyon Aktüatörü

Aracın yönlendirme sistemi kremayer-pinyon dişli sistemine sahip bir direksiyon kutusundan oluşmaktadır. Direksiyon kutusuna bağlı mafsallı direksiyon miline dişli-zincir tertibatıyla entegre ettiğimiz step motorumuz bu sisteme güç vermektedir.

(Resim 4)

(11)

3.2.4. Şanzıman Aktüatörü

Aracımızın ileri ve geri hareket yönünü değiştirecek olan şanzımanımızı kontrol eden bir dc motor kullandık. Dc motordaki dairesel hareketi kendi yaptığımız krank-biyel mekanizması benzeri bir mekanizmayla doğrusal harekete çevirdik. Bu sayede vites geçişlerini kontrol eden sistemimizi tamamlamış olduk.

(Resim 5)

4. Sensörler

Araçta genel itibariyle 2 farklı sensör kullanılmıştır.

Bunlar:

• 1 adet Lidar sensörü

• 1 adet kamera

4.1. Lidar Sensörü

Aracımızda Slamtec şirketinin üretmiş olduğu RPLIDAR A2M8’i kullanmayı karar kıldık.

Bu lidaryüksek dönüş hızıyla birlikte saniyede 8000 adet örnek alabilme özelliğine sahiptir.

Sistem, 12 metrelik menzil içerisinde 360 derecelik 2 boyutlu tarama yapabilmektedir. Bu lidarıntipik tarama hızı 10Hz (600 RPM)'dir. Bu koşullarda 0.9° çözünürlük sağlar. Tarama frekansı kullanıcı tarafından 5-15Hz arasında değiştirilebilir.

(12)

(RPLIDAR A2M8) (Resim 6)

Özellikler:

• 4 cm ultra ince yapı

• Tüm robot projelerine uyumlu yapı

• Ekonomik LiDAR'lar arasında en yüksek örnekleme değeri saniyede 8000 örnekleme

• 360 Derece Tarama

• Fırçasız motor ile sessiz çalışma

• 12 metre Menzil

• OPTMAG orijinal dizayn sayesinde kullanım ömrü uzatılmış

• 1.sınıf güvenlik standardı

• Yüksek Hızlı RPVision

• Ölçüler: 76x76x41 mm

• Ağırlık: 190 gr.

• Harici besleme

• Ölçüm menzili: 0.15 -12 metre, beyaz renkli ve %70 yansıtıcı objeler baz alınmıştır.

• Mesafe ölçüm hassasiyeti: <0.5 mm

• Açısal hassasiyet: 0.45-1.35 derece, tipik 0.9 derece

• Örnekleme süresi: 0.25 ms

• Örnekleme frekansı: 2000 -8000 Hz, tipik 4000 Hz

• Tarama Hızı: 5-15 Hz, Tipik 10 Hz

(13)

(Lidarın aracımız üzerindeki konumu) (Resim 7)

4.2. Kamera

Aracımızda 1 adet WK-20 kamera kullandık.

Özellikler:

Çözünürlük: 1280 * 720, 1920 * 1080 Kare Hızı: 30fps

Frekans: 50Hz / 60Hz Sensör: CMOS

Bağlantı Noktası: USB2.0 Malzeme: ABS Siyah renk Kablo Uzunluğu: 1.5m / 59in

Ürün Boyutu: 7.6 * 3.2 * 5.5 cm / 3 * 1.3 * 2.2in Ürün Ağırlığı: 92g / 3.2oz

Paket Boyutu: 11.2 * 9 * 6.8 cm / 4.4 * 3.5 * 2.7in

(14)

(Kameramızın aracımız üzerindeki konumu) (Resim 8)

Sensörlerin verimli ve senkronize bir şekilde çalışabilmesi için sensör füzyonu olarak Kalman Filtresi Algoritmasının kullanılmasında karar kıldık.

Kalman filtresi modellenmiş bir sistemin bir önceki verilerine göre ilerisini tahmin eden bir filtredir. Eş zamanlı olarak kullanılabilen bu filtrenin kullandığı algoritma sayesinde sisteme tanımlanan gürültü ve hata modellemeleri ile çok başarılı sonuçlar elde edilebilir. Bu

sensörlerden gelen verilerdeki gürültüyü filtrelemek ve içinden gerçek istenen verileri elde edebilmek için Kalman filtresi oldukça kullanışlıdır. Aynı zamanda 8-bit mikrodenetleyicilere de rahatlıkla uygulanabilmektedir.

(15)

(Kalman matematiği)

• Xk = Hesaplanan kalman değeri

• Kk = Kalman Kazancı

• Zk = Ölçüm sonucu elde edilen değer

• Xk(k-1) = Bir önceki hesaplanan Kalman değeri

(Kalman filtresi çalışma prensibi) (Şema 2)

(16)

5. Araç Kontrol Ünitesi

Araç kontrol ünitesinin ana görevi, aracın otonom sürüşünü sağlayan ana bilgisayardan aldığı kontrol emirlerini aracın güç aktüatörlerine iletmek ve bunlar arasındaki haberleşmeyi

sağlamaktır.

5.1. Araç Bilgisayarı

Aracımızda ana bilgisayar olarak LENOVO Y520 dizüstü bir bilgisayar kullandık. Bu bilgisayar aracın kamerasından alınan tabela trafik ışığı ve şerit görsellerinin işleyerek araçta bulunan mikro denetleyiciye komut göndermektedir.

(Resim 9) (Resim 10)

(17)

(Arduino Mega 2560 kartının aracımızın bagajındaki konumu) (Resim 11)

Aracımızda aktüatörleri komuta etmek için Arduino Mega 2560 klon versiyon mikrokontrolcü kart kullanmaktayız.

Arduino Mega 2560; Atmega2560 temelli bir mikrodenetleyici kartıdır. Üzerinde 54 adet dijital giriş/çıkış pini (15 tanesi PWM çıkışı olarak kullanılabilir), 16 analog giriş, 4 UART (donanımsal seri port), 16Mhz kristal, usb soketi, güç soketi, ICSP konektörü ve reset tuşu bulundurmaktadır. Kart üzerinde mikrodenetleyicinin çalışması için gerekli olan her şey bulunmaktadır.

Teknik Özellikler:

• Mikrodenetleyici: Atmega2560

• Çalışma Gerilimi: 5V

• Giriş Gerilimi (önerilen): 7-12V

• Giriş Gerilimi (limit): 6-20V

• Dijital I/O Pinleri: 54 (15 tanesi PWM çıkışı)

• Analog Giriş Pinleri: 16

• Her I/O için Akım: 40 mA

• 3.3V Çıkış için Akım: 50 mA

• Flash Hafıza: 256 KB (Atmega2560) 8 KB kadarı bootloader tarafından kullanılmaktadır

• SRAM: 8 KB (ATmega2560)

• EEPROM: 4 KB (ATmega2560)

• Saat Hızı: 16 MHz

• Uzunluk: 101.6 mm

• Genişlik:53.4mm

• Ağırlık: 36 gram

(18)

(Arduino Mega 2560 kart Şematiği) (Şema 3)

5.3. Kablolu Ve Kablosuz Haberleşme

Araç Bilgisayarı-Arduinolar ve alt sistemler arasındaki kablolu haberleşmeyi Can-Bus haberleşme protokolünü kullanarak yaptık.

Can-Bus, genellikle otomotiv sektöründe kullanılan seri haberleşme protokolüdür. Araç beyinlerinden araçla ilgili birçok bilgiyi edinebilir ve eğer araç destekliyorsa komut verilebilir.

(Can-Bus Shield) (Resim 12)

(19)

Can-Bus Shield Teknik Özellikleri

• CAN V2.0 veriyi 1 Mb / sn'ye kadar hız ile aktarabilir

• Endüstriyel standart 9 pinli sub-D konnektörü

• OBD-II ve CAN standart seçilebilir pinout

• Değiştirilebilir çip seçme pimi

• TF kart yuvası için değiştirilebilir CS pin

• Değiştirilebilir INT pin

• CAN_H ve CAN_L’yi kolayca bağlamak için vidalı terminal

• Arduino pin başlıkları

• 2 Grove konnektörü (I2C ve UART)

• 10 MHz'e kadar SPI Arayüzü

• Standart (11-bit) ve genişletilmiş (29-bit) data ve remote frame desteği

• Öncelikli mesaj kaydetme özellikli ikili alıcı tamponu (buffer)

Araç için kablosuz haberleşme ise Xbee pro rp sma seri 2c modülüyle yer birimine iletilerek sağlanacaktır. Kablosuz haberleşmede güvenlik amacı olarak ayırıcı verici tarafından belirlenen bir şifre alıcı tarafına gönderilir alıcı tarafına kaydedilmiş şifre gönderilen şifre ile eşleşirse haberleşme-veri aktarımı başlar.

Xbee Teknik Özellikleri:

Anten konnektör tipi: RPSMA Frekans bandı: 2.4 Ghz

Veri hızı: 250kbps standart, 1Mbps maksimum Çalışma Gerilimi: 3,14v - 3,46v

Verici/alıcı akımı: 309mAh/100mAh 63mW RF çıkış gücü (+17dBm)

3.2km menzil (dış mekan) FCC sertifikalı

4 adet 10-bit ADC giriş pini 15 adet dijital G/Ç pini 128-bit şifreleme

Kablolu veya kablosuz konfigürasyon imkanı Çalışma sıcaklığı: -30 derece - +85 derece (Resim 13)

(20)

5.4. Kontrol sistemi

Aracın iç aydınlatmaları ve dış aydınlatmaları (far, park, sinyal lambaları), direksiyon

sisteminin aktüatörü, fren sisteminin aktüatörü, hareket sisteminin aktüatörü, marş motoru, araç bilgisayarı, mikrodenetleyiciler, kamera ve diğer sensörlerin aşırı akıma karşı kontrolü için sigorta kutusu oluşturulmuştur. Sigorta kutusu aracın önünde yer alan bagaj kısmında konumlandırılmıştır.

Motorun hararetini kontrol altında tutmak için kendi tasarladığımız ve ürettiğimiz elektronik devre kartı ve sensörü sayesinde ilave soğutma fanını devreye soktuk. Bu sayede motor sıcaklığının stabil kalmasını sağladık.

Aracın diğer elektronik kompanentlerinin verileri anlık olarak yer birimine iletilecek ve herhangi bir olumsuzlukta yer biriminden araç, acil durum komutuyla durdurulabilecektir.

5.4.1. Direksiyon sisteminde kullanılan aktüatör

(Resim 14)

Aracımızın direksiyon sistemine bir step motor yerleştirerek hareketi sağladık.

Bu aktüatör Enkoderli Step Motor 86BHH76 dır. Step motoru direksiyon simidinin alt kısmında bulunan mafsallı direksiyon miline dişli tahrik sistemi kullanarak monte ettik.

Teknik Özellikler:

-Max. Tork: 8.5 Nm -Tutma Torku: 3.5 Nm -Akım: 3.8 amper

-Enkoderli Step Motor Flanş: 86X86 mm -Enkoderli Step Motor Boy: 94 mm -Enkoderli Step Motor Kablo: 4 adet

(21)

(Şema 4) (Şema 5)

(Step motor) (Resim 16) (Resim 15)

(22)

5.4.2. Fren Sisteminde Kullanılan Aktüatör

(Şema 6)

Aracımızın fren sistemini çalıştırması için bir dc motor kullanmış bulunmaktayız.

Bu dc motoru fren pedalının alt kısmına konumlandırdık. Bu sayede çekme ve bırakma

işlemlerimiz kolaylıkla gerçekleşecektir. Böylece fren sistemi elektromekanik olarak aktif hale gelecektir.

Aktüatör olarak Yerli üretim olan bir cam kriko motoru kullandık.

(Fren sistemimizden bir görüntü) (Resim 17)

(23)

5.4.3. Gaz Kelebeğinde Kullanılacak Aktüatör

(Resim 18) (Resim 19)

Gaz kelebeğini hareket ettirerek aracımızın hareketini sağlayacak olan aktüatör için mg995 servo motor kullandık. Mikrodenetleyiciden gelen komutlarla aracı hareket ettirecek olan servonun metal dişli yapıda olması sağlamlık açısından oldukça önemlidir.

Teknik Özellikleri:

• Modülasyon: Analog

• Tork: 4,8V: 138,9 oz-inç (10,00 kg-cm)

• Hız: 4,8V: 0,20 sn / 60 °

• Ağırlık: 1.94 oz (55.0 g)

• Boyutlar: Uzunluk: 1.60 inç (40.6 mm)

• Genişlik: 0,78 inç (19,8 mm)

• Yükseklik: 1,69 inç (42,9 mm)

• Motor Tipi: Çekirdeksiz

• Dişli Tipi: Metal

• Dönme / Destek: İkili Rulmanlar

• Ek Özellikler

• Dönme Aralığı: 180 °

• Darbe Döngüsü: 20 ms

• Darbe Genişliği: 1000-2000 µs

• Soket Tipi: JR

(Metal dişli servo motor) (Resim 20)

(24)

6. Otonom Sürüş Algoritmaları

Projemizde görüntü işleme için Joseph Redmon’ın sürüm 3’e kadar geliştirdiği, Alexey Bochkovskiy’nin 4. Sürümünü çıkarttığı YOLOv4 (You Loook Only Once) metodunu

kullanmaya karar verdik. Diğer algoritmalara nazaran biraz daha az bir doğruluk değeri sunsa da sahip olduğu görüntü işleme hızı ile şu an en hızlı gerçek zamanlı görüntü işleme algoritması olarak liderliğini korumaktadır. Öyle ki Darknet evrişimsel sinir ağında 25 milisaniyeden az bir süreyle görüntüyü işleyebilme potansiyeline sahiptir.

(YOLOv4 Algoritmasının Çalışma Mantığını Gösteren Bir Resim) (Resim 21)

YOLO’nun çalışma prensibi; bir evrişimsel sinir ağı kullanıp eşzamanlı olarak tahmin ile birçok sınırlayıcı (S x S) kutucuk oluşturması ve bu kutucuklara göre eğitilen model de göz önüne alınarak sınıflandırma yapması olarak açıklanabilir.

(25)

(YOLOv4 Model Tespiti) (Şema 7)

(YOLOv4 mimarisi) (Şema 8)

YOLO’nun geliştirilmesinde kullanılan ağ yapısı GoogLeNet (22 katmandan oluşan bir sinir ağı) yapısından esinlenmiştir. 24 evrişimsel sinir ağı katmanı bulunan YOLO ağını 2 adet de tamamen birbirine bağlı katman takip eder. Biz de aynı zamanda Redmon’ın yarattığı evrişimsel sinir ağı olan Darknet’i kullandık ve görüntülerimizi bu ağ üzerinden işleme kararı aldık.

Simülasyonumuzda kullanacağımız model için 11 sınıflı bir veri seti hazırlayıp Google Colab ortamında Tesla K80 GPU performansını kullanarak modelimizi oluşturduk. 22.000 iterasyon sonucu aldığımız MAP (Mean Average Precision) değeri 0.95~ oldu.

Projemizde işlenmesini istediğimiz görüntüler trafik işaretleri ve ışıkları olacaktır. Biz de bu iki sınıfı aynı YOLOv4 modeline yerleştirmeyi tek bir görüntü işleme programından iki farklı sınıfın da çıkışlarını ele almaya karar verdik.

Şerit takibini ise aracımızın üzerinde bulunan kameradan aldığı gerçek zamanlı görüntüleri ilk aşamada Grayscale haline dönüştürüp bu görüntü içerisinden beyaz renk filtresi uygulanacaktır.

Gerekli maskeleme işlemi yapıldıktan sonra kenar bulma işlemi uygulanacaktır. Nihai sonuç görüntüde ise istenmeyen görüntülerin elimine edilmesi için aracın önünde bölge

tanımlanacaktır. Kesikli kullanılacak olan şerit çizgileri için ise olasılıksal houghline detector kullanılacaktır.

(26)

(Şerit Algılama) (Resim 22)

6.1 Akış Diyagramları

(Çizgi Tespiti) (Görüntü İşleme)

(Diyagram 1) (Diyagram 2)

Kamera Başlat

Hesaplama Çizgi Tespit Etme

Konumlandırma

Başlat

Giriş Görüntüsü

BGR’dan RGB’ye Geçiş

Yeniden Boyutlandırma

Modeli Yükleme Tüm Tespit Noktalarının

Çıkışı

Bbox Verilerinin Elde Edilmesi

Non-Maximum Supression

Sonuç Sınıfı Çıktı Ver

(27)

(Kompanent Diyagramı) (Diyagram 3)

(Araç Kontrol Algoritması) (Diyagram 4)

Başlat

Kamera Sonar Sensör Gaz Kelebeği

Servosu Vites Servosu Fren DC Direksiyon Step Lidar

Ping1 Ping2 Ping3 Ping4 Ping5 Ping6 Ping7

Dur

Başlat

Kameralar

Lidar

Sonar Sensör

İşletim Sistemi Gaz Servosu Fren Servosu Direksiyon

Step Motoru

Return 1

Return 0

(28)

(Sistem Şeması 1) BAŞLA

KAMERA LİDAR ULTRASONİK

SENSÖR

ŞERİT TAKİP SİSTEMİ

OBJE ALGILAMA SİSTEMİ

KARAR MEKANİZMASI

ARAÇ BİLGİSAYARI

MİKRODENETLEYİCİ

SÜRÜCÜ DEVRELERİ

AKTÜATÖRLER

(29)

Aracımızı ön tasarım sürecinde planladığımız özgünlüklerin üstüne koyarak hem tasarımsal hem de teknolojik konfor yönünde daha da ileriye taşımış olduk.

7.1. Aracımızın Genel Tasarımının Özgünlüğü

Aracımızın genel tasarımı tamamen ekip üyelerimize aittir ve yarışma şartnamesi göz önünde bulundurularak tamamen ekip üyelerimizin hayal güçleri ve emekleriyle yapılmıştır.

Aracın şasi tasarımı ve yapımı kabuk tasarımı ve yapımı mekanik yürüyen tasarımı ve yapımı fonksiyonel özelliklerin tasarımı ve yapımı çoğu elektronik bileşenlerin tasarımı ve yapımı tamamıyla takımımıza aittir.

7.2. Kilit Sistemleri ve Otomatik Kapı Sistemi

Aracımızın dört adet kapısı mevcuttur. Bunların ikisi yolcu kapıları, biri ön bagaj kapısı ve diğeri de motor kaput kapısıdır. Araçtaki tüm kapıların kilit sisteminde birer selenoid kilit mevcuttur.

Aracımızın her iki yolcu kapısına da RFID kart ile açılan bir kilit sistemi kurduk. Kapıların açılıp kapanmasını her iki kapının iç kısımlarına oluşturduğumuz otomatik kapı mekanizması ve bu mekanizmaya yerleştirdiğimiz servo motorlar ile kapıların otomatik olarak açılıp

kapanmasını sağlamış olduk.

(Kapı kilit sistemimizin görüntüsü) (Resim 23)

(30)

7.3 Elektronik Bileşenler

Aracımızda kullanmakta olduğumuz çoğu elektronik devre ve kompanentlerin tasarımı ve yapımı yine özgünlüklerimiz arasındadır.

(Şema 9) (Resim 24)

(Resim 25) (Resim 26)

(31)

Yarışma esnasında ve öncesinde oluşabilecek olumsuz durumların önüne geçebilmek için araca güvenlik paketi uygulanması kararlaştırılıp planlanmıştır. Aracın güvenlik paketiyle ilgili bilgileri bölüm halinde belirleyip sıraladık.

8.1. Fiziksel müdahale Paketi

Yarışma esnasında veya öncesinde yaşanabilecek olumsuz ve tehlike durumların önüne geçilmesi için aracın arka kupa kısmına konumlandırılmış acil durum butonu ile araç hareket halinde ise frenleme yapılarak motor stop edilir, akabinde tüm elektrik enerjisi kesilir.

Tehlikenin geçmesi durumunda araç içinden elektrik enerjisi tekrar verilir ve görev için hazır hale gelir.

(Acil durum butonu) (Resim 27)

(Acil durum butonumuz aracımızın sol arka kısmında bulunmaktadır.) (Resim 28)

(32)

8.2. Uzaktan Müdahale Paketi

Yarışma esnasında veya öncesinde yaşanabilecek olumsuz ve tehlike durumların önüne

geçilmesi için yer biriminden acil durdurma komutu verilir ve önce araç frenleme yaparak durur.

Sonrasında ise tüm elektrik enerjisini keserek kendini korumaya alır. Tehlike durumunun geçmesi halinde aracı tekrar göreve başlatmak için araç içinden elektrik enerjisi açılarak görev komutu verilir.

(Şema 10)

9. Simülasyon ve Test 9.1 Simülasyon Algoritması

Simülasyonda kullandığımız algoritma genel itibariyle şu şekildedir:

-Görüntü işleme yazılımı Unity’de dönen frame girdisini alır ve işler.

-Çıkan sonucu bir metin belgesine yazdırır.

-Unity, metin belgesine yazdırılan bu veriyi okur ve işler.

-Ana işlem kodu, veriyi depolar.

-Araç bu veriye göre aksiyon alır.

(Simülasyon çıktısı 1)

(33)

Simülasyon, Unity motorunda simülasyon birimimiz tarafından hazırlanmıştır. Simülasyon ortamı yarışma şartnamesinde belirtilen araç parkuru örneği esas alınarak oluşturulmuştur.

Simülasyonda araç olarak aracımıza benzer tasarımda olan vosvos modeli kullanılmıştır.

Unity motoruna uygun modellemelerin yapılması için kullanılabilecek modelleme programları arasından Cinema 4D nin seçimi uygun görülmüştür.

Parkur alanının modellemesi ve tabelaların modellemeleri tamamlandıktan sonra gerekli renklendirme çalışmaları yapılmıştır. Renklendirilen model ve nesneler ortama eklenmiş ve testler için uygun ortam oluşturulmuştur. 10.1. Simülasyon Ani fren Görevi Bu seneki yarışmada yer alan ani fren görevini de oluşturduğumuz simülasyon ortamında gerçeklemeye çalıştık. Bu görev için aracımız yolda giderken yola aniden topuyla birlikte atlayan bir çocuk karşısında ani fren yaparak duruyor. Çocuğun yolda olmadığına emin olduktan sonra ise hareketine devam ediyor.

9.2 Toplanan Datalar

İstanbul’un çeşitli noktalarından topladığımız tabela ve işaret verilerinin örnek çıktıları aşağıda verilmiştir.

(Resim 29)

(34)

(Resim 30)

(Resim 31)

(35)

(Resim 32)

(Resim 33)

(36)

9.3 Toplanan Dataların Çıktı Sonuçları

(Resim 34)

(Resim 35)

(Resim 36)

(37)

(Resim 37) (Resim 38)

(Resim 39)

(38)

(Resim 40)

(Resim 41)

(39)

10. Referanslar

https://arxiv.org/abs/1804.02767 https://arxiv.org/abs/1506.02640 https://github.com/pjreddie/darknet

https://www.arducam.com/product/multi-camera-v2-1-adapter-raspberry-pi/

https://www.adafruit.com/

https://teknofest.org/yarisma-detaylar-6.html

http://www.kgm.gov.tr/SiteCollectionDocuments/KGMdocuments/Trafik/IsaretlerElKitabi/Trafi kIs

https://sketchfab.com/3d-models/beetlefusca-version-1-cb6e82e73386448fb3b4e2dd25255a5e https://sketchfab.com/3d-models/football-version-01-494684804ea8413193c0e07da1122af6 http://mixamo.com/

https://www.tensorflow.org/

https://www.ceyrekmuhendis.com/can-bus-haberlesme-nedir/

https://github.com/tensorflow/models/tree/master/research/object_detection https://www.robotistan.com/rplidar-a2-en-ince-lidar

https://www.robotistan.com/nvidia-jetson-nano-gelistirme-kiti

(40)

Kritik Tasarım Raporu puanlaması aşağıdaki şablona göre yapılacaktır.

Bölüm Puanlama

1 Takım Organizasyonu 5

2 Ön Tasarım Raporu Değerlendirmesi 10

3 Araç Özellikleri 10

4 Sensörler 10

5 Araç Kontrol Ünitesi 10

6 Otonom Sürüş Algoritmaları 10

7 Özgün Bileşenler 15

8 Güvenlik Önlemleri 10

9 Simülasyon ve Test 15

10 Referanslar 5