Geri Dön

Design, modelling and control of a nano quadrotor withmicrocontroller based vision system for object tracking

Nesne takibi için bir nano dört rotorlu helikopterin tasarımı, modellenmesi ve mikrodenetleyici tabanlı görüntü sistemi ile kontrolü

PDF İndir

  1. Tez No: 841375
  2. Yazar: MUSTAFA ENES KIRMACI
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜLYA YALÇIN, PROF. DR. ERDİNÇ ALTUĞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 163

Özet

Kontrol sistemleri, navigasyon sistemleri, haberleşme sistemleri, yüksek hızlı mikroişlemci ve mikrodenetleyiciler, çeşitli değişkenleri algılayabilen çok daha hassas ve küçük yapıda olan sensörler ve buna benzer birçok teknoloji alanındaki gelişmeler sayesinde dört rotorlu helikopter endüstrisi hızla gelişmektedir. Farklı teknolojik alanlardaki gelişmeler, dört rotorlu helikopterlerin güvenlik, taşımacılık, savunma, sağlık, eğlence ve benzeri birçok alanda kullanılmasına olanak sağlamıştır. Dört rotorlu helikopterlerin bu denli hızlı gelişmesinin temel nedenlerinden biri yapısının daha basit ve anlaşılır olması ve dolayısıyla bu alanda yapılan çalışmaların oldukça fazla olması olduğu söylenebilir. Ancak dört rotorlu helikopterlerin basit ve anlaşılır yapıda olmasına karşın bir takım dezavantajları da mevcuttur. Bu dezavantajlardan biri sahip olduğu serbestlik derecesine direk olarak etki eden eyleyicilerinin yetersiz sayıda olmasıdır. Dört rotorlu helikopterlerin üç tanesi dönel eksende ve üç tanesi de doğrusal eksende olmak üzere toplam altı serbestlik derecesi bulunmaktadır. Üzerinde bulunan dört adet rotor, dönel eksenlerin tamamına direk olarak etki etmesine rağmen doğrusal eksenlerde yalnızca dikey eksene direk olarak etki eder. Dolayısıyla yatay düzlemde olan doğrusal hareketini diğer eksenlerdeki hareketlerinin bir kombinasyonu olarak sağlar. Bu eksiklik dört rotorlu helikopterlerin matematiksel modellenmesinde bir takım zorlukları da beraberinde getirir. Fakat birtakım yöntemler kullanılarak bu dezavantajın üstesinden gelmek mümkündür. Günümüzde sensör teknolojisinin gelişmesi, kontrol teorisinin gelişmesi ve dört rotorlu helikopter modelinin iyi anlaşılması sayesinde üç boyutlu uzayda herhangi iki nokta arasında daha önceden belirlenmiş bir yol üzerinde gidebilen veya karmaşık manevra kabiliyetine sahip dört rotorlu helikopter çalışmaları yapılabilmiştir. Dört rotorlu helikopterler kullanım alanları, karşıladıkları ihtiyaçlar gibi özellikleri bakımından farklı ebatlarda olabilmektedir. Genel itibarıyla büyük ölçekli dört rotorlu helikopterler daha yaygın olmasına karşın küçük ölçekte olanların da son zamanlarda oldukça yaygınlaştığı söylenebilir. Büyük ölçekte olanların daha yaygın olmasının sebebi genellikle faydalı iş yapabilme konusunda daha elverişli olmalarıdır. Dolayısıyla ticari veya araştırma geliştirme amaçlı kullanılan dört rotorlu helikopterler genellikle orta veya büyük boyutlu helikopterlerdir. Küçük ölçekli olanlar ise daha çok hobi ve eğlence amaçlı kullanılmaktadır. Bunun yanı sıra çok fazla olmasa da araştırma geliştirme amacı ile kullanılan veya faydalı iş yapabilen küçük ölçekli dört rotorlu helikopterler de mevcuttur. En küçük ölçekli olanlarına nano dört rotorlu helikopterler denilmektedir. Nano dört rotorlu helikopterler kütlesinin küçüklüğünden dolayı rüzgar, toz, yağmur gibi çeşitli olumsuz hava şartlarından daha kolay etkilenebildikleri için genellikle iç ortamlarda kullanılmaktadır. Hızla gelişen bir diğer sektör ise makine görüsü ve yapay zekâ teknolojisidir. Görme kabiliyeti insanların sahip olduğu en muazzam özelliklerden biridir. Çevremizle etkileşim kurabilme, etrafımızdaki olayları yorumlama ve buna göre aksiyon alma, tehlikelerden korunma gibi bir çok durumda en çok görme duyumuza ihtiyaç duyarız. Dolayısıyla insanlar bu muazzam yeteneğin makinalarda olması fikrini eskiden beri hayal etmiş ve hatta bu konuda bilim kurgu filmleri ve kitaplar ortaya koymuştur. Görme işleminin makinalara aktarılmasındaki ilk çalışmalar 1960'lı yıllarda teknoloji alanında ileri gelen bazı üniversiteler ve özel laboratuvarlarda dijital görüntü işleme ile başlamıştır. Görüntü işleme alanındaki ilk çalışmalar uydu görüntüleri ve medikal görüntülerde görüntü kalitesini artırmak amacıyla yapılmıştır. Temel görüntü işlemede girdi düşük kaliteli görüntü olup çıktı ise geometrik düzeltme, gürültü azaltma gibi işlemler uygulandıktan sonra elde edilen yüksek kaliteli görüntüdür. İlk başarılı görüntü işleme operasyonu 1964 yılında Jet Propulsion Laboratory tarafından güneşin pozisyonu ve ayın çevresi de hesaba katılarak, uzay detektörü Ranger 7'den gelen uzay görüntüleri üzerinde gerçekleştirilmiştir. Yine 1960'lı yılların sonlarında makina görüsü olarak da bilinen bilgisayar görüsü çalışmalarına başlanmıştır. Bu çalışmalarda makina ve robotlara akıllı davranış yetisini kazandırabilmek açısından bir basamak taşı niteliğinde olan insan görme sistemini taklit eden sistemler geliştirmek amaçlanmıştır. Bu amaçla yapılan ilk çalışmalardan biri olan 1966 yılında yapılan bir araştırmada kamera bağlı bir bilgisayarın kameradaki görüntüyü tarif edebilmesi hedeflenmiştir. O dönemlerde bilgisayar görüsünü dijital görüntü işlemeden ayıran temel özellik görüntü üzerindeki detayları ayırt etmek ve üç boyutlu yapıları tespit etmek olmuştur. 1970'li yıllarda yapılan bazı çalışmalar günümüzde de halen kullanılmakta olan kenar tanıma, çizgi etiketleme, büyük nesnelerin daha küçük nesnelerin birleşimi olarak ifade edilmesi, optik akış ve hareket tahmini gibi tekniklerin temelini oluşturmuştur. Robotlara akıllı davranma yetisi kazandırma amacıyla başlayan bu çalışmalar daha sonra makina öğrenimi ve yapay zeka biliminin de önünü açmıştır. Yapay zeka insanlardaki ve hayvanlardaki zekadan farklı olarak makina ve yazılımların sahip olduğu zekadır. Bu bilimin amacı makinalara kendi kendine yorum yapabilme ve buna dayalı olarak bir takım aksiyonlar alabilme yetkinliğinin kazandırılmasıdır. Yapay zeka teknolojisi günümüzde endüstride ve bilimsel araştırmalarda çok yaygın bir şekilde kulanılmaktadır. Yapay zekanın alt dalı olan bazı araştırma alanları arasında muhakeme ve bilgi temsili, planlama, öğrenme, doğal dil işleme, algılama ve robotik bilimine yardımcı olma gösterilebilir. Bu alt disiplinlerin ortak çalışması sonucu çok karmaşık olan işleri bile otonom hale getirmek mümkün hale gelmiştir. Buna örnek olarak otonom arabalar ve insansiz hava araçları verilebilir. Görüntü işleme ve yapay zekanın çok hızlı bir şekilde gelişmesi bu teknolojilerin kara hava ve su araçlarında da kullanılmasını kaçınılmaz hale getirmiştir. Bu bağlamda insanlı veya insansız hava araçlarında otonom sistemler geliştirilmesi üzerinde de bir çok araştırma yapılmıştır. İnsansız hava araçları için otonom iniş kalkış, güzergah planlama, akıllı füze sistemleri gibi çeşitli sistemler geliştirilmiştir. Görüntü işlemede yüksek hızlı grafik işlemcileri kullanılmaktadır. Bunun sebebi görüntü verilerinin genellikle çok büyük boyutta olmasıdır. Otonom insansız hava araçlarında gerçek zamanlı görüntü işleme yapabilmek için yer istasyonuna da ihtiyaç duyulabilmektedir. Burada kameradan alınan görüntü yer istasyonua aktarılmakta, yer istasyonundaki yüksek hızlı grafik işlemcilerine sahip bilgisayarda görüntü işlenerek bazı veriler elde edilmekte ve bu veriler insansız hava aracına geri gönderilmektedir. Görüntü sistemlerindeki son gelişmelerle birlikte makineler çevresini görebilmekte ve etrafındaki objeleri tespit edip tanıyabilmekte ve yapay zekanın da yardımı ile insanlar gibi aksiyon alabilmektedir. Dolayısıyla dört rotorlu helikopter ve makine görüsü teknolojilerinin kombinasyonunun muazzam büyüklükte uygulama alanı vardır. Nano dört rotorlu helikopterlerde boyutlarından dolayı yüksek hızlı grafik işlemcileri kullanmak mümkün değildir. Dolayısıyla bu araçlarda görüntü işleme işlemi genellikle bir yer istasyonu aracılığıyla gerçekleştirilir. Mikrodenetleyicilerin hızları grafik işlemcilerine göre çok daha düşük olmasına rağmen görece yüksek hızlı ve çok çekirdekli mikrodenetleyicilerde de bazı görüntü işleme yöntemleri uygulanabilmektedir. Bu uygulamalarda görüntünün boyutu çok büyük olmamakla beraber karmaşık yapıdaki yapay zeka tabanlı görüntü işleme teknikleri yerine temel görüntü işleme teknikleri kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, kontrol ve görüntü işleme alanında çalışan öğrenciler ve araştırmacılar için bütünleşik, pahalı olmayan ve pratik bir çözüm olacak, mikrodenetleyici tabanlı görüntü sistemine sahip bir nano dört rotorlu helikopter geliştirilmiştir. Büyük ölçekli insansız hava araçlarında geliştirme sırasında yüksek maliyetler çıkabildiği için tasarlanan dört rotorlu helikopterin düşük maliyetli bir prototipleme platformu olması hedeflenmiştir. Geliştirilen nano dört rotorlu helikopter, biri görüntü işlemeye adanmış diğeri ise kontrol ve diğer işleri yapmak üzere iki mikrodenetleyiciye sahiptir. Bu mikrodenetleyiciler nano dört rotorlu helikopterin gövdesi olarak kullanılan tek bir PCB kart üzerindedir. Dört rotorlu helikopterlerde hafiflik son derece önemli olduğundan dolayı dört rotorlu helikopteri hafif yapabilmek için kollar 3B yazıcıda üretilmiş ve çekirdeksiz motorlar tercih edilmiştir. Bu tezin birinci bölümünde dört rotorlu helikopterler ve görüntü işleme ile ilgili kısa bir giriş yapılmıştır. Tezin ikinci bölümünde görüntü işleme ve insansız hava araçlarında kontrol ile ilgili önceden yapılmış olan bazı araştırmalardan kısaca bahsedilmiştir. Üçüncü bölümde bu çalışmalarda tasarımı yapılan dört rotorlu helikopterin donanım tasarımı sunulmuştur. Ana kartın elektronik tasarımı ve kartta kullanılan malzemeler, motor tutucu kolların tasarımı ve seçilen diğer parçalar detaylı bir şekilde anlatılmıştır. Dördüncü bölümde dört rotorlu helikopter matematiksel modeli elde edilmiştir. Doğrusal olmayan model elde edilip durum uzayı modeli ile gösterilmiştir. Son olarak doğrusal kontrolcü kullanımı için model doğrusallaştırılmıştır. Beşinci bölümde dört rotorlu helikopterin kontrol sistemi tasarımı sunulmuştur. Bu bölümde biri klasik transfer fonksiyonu tabanlı olan PID kontrol diğeri ise durum uzayı modeli tabanlı olan Durum Geribeslemeli Kontrol yöntemleri olmak üzere iki farklı kontrol yöntemi uygulanmıştır. Tasarlanan PID ve Durum Geribeslemeli kontrolcülerin parametrelerinin belirlenmesi açıklanmıştır. Aynı zamanda kontrol sistemindeki geribesleme hattında kullanılan parametrelerin kestirimi için sensör füzyonu yöntemleri açıklanmıştır. Altıncı bölümde temel görüntü işleme mantığı ve mikrodenetleyicilerde kullanılan temel görüntü işleme yöntemlerine yer verilmiştir. Uygun görüntü işleme yöntemleri yorumlanmıştır. Son olarak da nesne takibi için önerilen görüntü işleme yöntemi ve kontrol sisteminde kullanımı sunulmuştur. Yedinci bölümde sistemin performansını değerlendirmek için yapılan testler ve sonuçları verilmiştir. Uçuş senaryoları açıklanmış ve kaydedilen uçuş verileri grafiklerde gösterilmiştir. Son olarak sekizinci bölümde ise yapılan testlerin sonuçlarına göre sistemin performansı değerlendirilmiş ve sonraki çalışmalar için bir takım geliştirme önerilerinde bulunulmuştur.

Özet (Çeviri)

The quadrotor industry is developing rapidly thanks to the advancements in many technological fields like control systems, navigation systems, communication systems and so on. The improvements in different technological fields allow the quadrotors to be used in different areas like security, delivery, military, entertainment et cetera. Another very rapidly growing sector is machine vision and artificial intelligence technology. With the latest developments in vision systems, machines can see their environment and detect and recognize objects around them and with the help of artificial intelligence they can take actions accordingly just like humans. So, the combination of quadrotor and machine vision technologies has enormously big area of application. In this thesis study, a nano-quadrotor with a microcontroller-based vision system was developed for the researchers and the students who work on control and image processing fields as a compact, inexpensive and practical solution. The developed nano-quadrotor has two microcontrollers on it where one of them is dedicated for the image processing and the other one is dedicated for the control and other tasks. These microcontrollers are on a single PCB board which is used as the body of the nano-quadrotor. The arms of the quadrotor were produced by 3D printer and coreless motors were preferred in order to make the quadrotor light weight. In the first chapter of this thesis, a brief introduction about the quadrotors and the image processing was given. In the second chapter, some of the previous researches and studies that are related to this thesis were briefly mentioned. In the third chapter, the hardware design of the nano-quadrotor was presented. The electronical design and components of the main board, the design of the arms and other selected parts were explained. In the fourth chapter, the mathematical model of the quadrotor was derived. The nonlinear model was derived and shown in state-space representation. Lastly the model was linearized to use linear controller. In chapter five, the control system design of the quadrotor was presented. The designed PID controllers, sensor fusion and state estimation systems and parameter identification processes were given. In chapter six, the general idea of image processing and its usage in microcontrollers were explained. The suitable image processing methods were discussed. Finally, the proposed image processing method for object tracking and its usage in the control system were presented. In chapter seven, the conducted tests and their results for evaluating the system performance were given. The flight scenarios were explained and the recorded flight data was shown in graphs. Lastly in chapter eight, the system performance was evaluated based on the conducted test results and some improvement suggestions for future work were given.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    579513

    Design and control of a winch driven grasping mechanism for a quadrotor unmanned aerial vehicle

    Dört rotorlu insansız hava aracı için makaralı yük alma-bırakma mekanizması tasarımı ve kontrolü

    MEHMET OKAN GÜNEY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERDİNÇ ALTUĞ

  2. Tez No

    909921

    Hücre kültürü ve çip üzerinde organ araştırmaları için mikro akışkan kontrol ve görüntüleme platformu tasarımı

    Microfluidic control and imaging platform design for cell culture and organ-on-chip researches

    FATİH SERDAR SAYIN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    BiyomühendislikMarmara Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN ERDAL

    DOÇ. DR. MEHMET BURAK AKSU

  3. Tez No

    823394

    Intelligent control technique of solar panel using nanofluid and porous media

    Nano akışkan ve gözenekli ortam kullanılan güneş panelinin akıllı kontrol tekniği

    ALYAA JAAFAR ABDULHASAN AL-DAAEWE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine MühendisliğiKarabük Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KAMİL ARSLAN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MOHAMMED J. MOHAMMED

  4. Tez No

    834724

    Otonom araçlar için GPU kullanarak gerçek zamanlı yapay zeka temelli engel algılama sistem tasarımı

    Obstacle detection system design based on real-time artificial intelligence using GPU for autonomous vehicles

    MUSTAFA ÇETİNKAYA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDAL KILIÇ

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HACI ÖMER DOKUMACI

  5. Tez No

    485287

    Development of multi-layer conductive polymer nanocomposites for electromagnetic shielding application

    Elektromanyetik kalkanlama uygulamaları için katmanlı iletken polimer nano kompozitlerinin geliştirilmesi

    FATMA ZEHRA ENGİN SAĞIRLI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI

    PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ

Geri Dön