Development of vision-based mobile robot control and path planning algorithms in obstacled environments

Mobil robotların kullanımı, başta endüstriyel alanlarda olmak üzere hizmet, sağlık, savunma vb. önde gelen sektörlerde gittikçe daha da yaygınlaşmaktadır. Son zamanlarda yapılan araştırmalarda ise mobil robotun otonom şekilde hareket edebilmesini sağlayan sistemler üzerine odaklanılmıştır. Mobil robot sistemlerinde, robotun izleyeceği uygun (maliyeti düşük ve güvenli) bir yol planı çıkarmak ve robotun davranış modellemesini karakterize edecek iyi bir kontrolör tasarlamak önemli hususlardandır. Gelişen teknoloji ile birlikte robotik kontrol daha da sağlam bir şekilde yapılsa da, robot kontrol maliyetlerinin arttığı da göz önünde bulundurulmalıdır. Düşük maliyetli, yüksek güvenilirlikli kontrol sistemlerinin geliştirilmesi robot kontrolü alanında ele alınan konulardandir. Tezin kapsamı belirlenirken bu konular dikkate alınmıştır. Bu tez çalışması kapsamında cihaz dışı göz konfigürasyonu ile bir mobil robot yol planı gerçekleştirilmiş ve planlanan bu yolda mobil robot hareketlerini modelleyen kontrol yöntemleri geliştirilmiştir. Mobil robot hareket modellemesi ve cihaz dışı göz konfigürasyonu için LabVIEW yazılımı kullanılarak simülasyon ve gerçek zamanlı uygulamalar geliştirilmiştir. Çalışma kapsamında uygulanan cihaz dışı göz konfigürasyonu robot üzerinde dâhili sensörlerin kullanımını gerektirmediği için tercih edilmiştir. Konfigürasyon ortamında görüntü işleme yöntemleri ile tespit edilen robot, hedef ve engeller ortam haritasını oluşturulurken kullanılmıştır. Oluşturulan ortam haritasında yol planlama algoritmaları kullanılarak robot ve hedef arasında çarpışmasız, düşük maliyetli ve güvenli bir yol oluşturulmuştur. Bu amaçla bulanık mantık tabanlı iki yol planlama yöntemi (Tip-1 ve Tip-2) tasarlanmıştır. Bu yol planlama yöntemlerine ait kural setleri oluşturulmuştur. Oluşturulan bu yol planlama yöntemleri literatürde var olan A*, Rastgele Dallanan Ağaçlar (RRT), RRT + Dijkstra, Çift Yönlü Rastgele Dallanan Ağaçlar (B-RRT), B-RRT + Dijkstra, Olasılıksal Yol Haritası (PRM), Yapay Potansiyel Alan (APF) ve Genetik Algoritmalar (GA) kullanılarak oluşturulan yol planlama yöntemleri ile performans ve kararlılık açısından karşılaştırılmıştır. Cihaz dışı göz tipi bir konfigürasyonda ise görsel servolama olarak ta bilinen imgeye dayalı kontrol yaklaşımları kullanılır. Bu yaklaşımlar çalışma ortamından elde edilen imge üzerindeki nesnelerin global konumları, kontrolör yöntemine girdi üretmek için kullanılmıştır. Tez kapsamında bu kontrol girdisini hesaplamak için mesafeye dayalı üçgen yapı tasarımı oluşturulmuştur. Bu yapı ile robot üzerine yerleştirilen etiketler (kontrol noktaları) ve hedef arasında oluşturulan bir sanal üçgen yapının her bir kenarına ait mesafe değerine bağli olarak robot kontrol denetleyicisine konum girdi parametreleri sağlanmıştır. Kontrol yöntemi olarak Tip-1 ve Tip-2 bulanık mantık tabanlı iki yöntem tasarlanmış, kontrol kural setleri oluşturulmuş ve elde edilen yol planı üzerinde uygulanmıştır. Kontrolör performanslarını değerlendirmek için ise daha önceki çalışmalarda görsel tabanlı servolama için özel olarak tasarlanan Gaussian ve Karar Ağacı tabanlı iki kontrolör yöntemi ile karşılaştırılmıştır. Geliştirilen yol planlama ve kontrolör algoritmalari beş farklı konfigürasyon uzayında test edilmiştir. Yol planlama açısından önerilen yol planlama yöntemlerinin tüm konfigürasyon uzaylarında ortalama başarımda en iyi oldukları gözlemlenmiştir. Yol planı performansı, elde edilen yol planının uzunluğu ve oluşturma süresi başta olmak üzere standart sapma, ortalama ve toplam hata şeklinde istatistiksel performans metrikleri ile de değerlendirilmiştir. Elde edilen yol planını izlemek üzere robot hareketlerini karakterize eden kontrolör için testler gerçek ortamda yürütülmüştür. Test sonuçlarına göre tasarlanan kontrolörler konfigürasyon ortamlarının çoğunda diğer yöntemlerden daha başarılı olmuştur. Nihai değerlendirme için ise yol planından elde edilen sonuçlar ile robotun gerçek ortamda oluşturduğu yol izi arasındaki farklar incelenmiş ve tasarlanan yöntemlerin yol planlarına oldukça yakın sonuçlar verdiği tespit edilmiştir. Bu tez çalışması ile görsel servolamaya dayalı cihaz dışı göz kamera konfigürasyonu ile izlenen bir ortamda mobil robota ait hedefe gitme davranışı, engelden kaçınma davranışı ve elde edilen yol planını izleme davranışı başarılı bir şekilde modellenmiştir. Çalışmanin sonuçlarına göre, tasarlanan yol planlama yöntemleri ve gelistirilen kontrolörler bu alanda yapılacak gelecek çalışmalar için de ilham olabilecek kayda değer sonuçlar sağlamıştır.