Adnan Menderes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Abstract
Bu tez çalışmasında; merdiven çıkma, engele tırmanabilme ve yangın algılama
yeteneklerine sahip bir robotik sistem geliştirilmiştir. Robotik sistem kapalı ve açık
alanlarda çalışma yeteneğine sahip olacak şekilde tasarlanmış ve üretilmiştir.
Robotun hareket sistemi hibrit olacak şekilde; üç tekerlekli bacak sistemi ile
oluşturulmuş, böylece hem merdiven tırmanmasına hem de düz yolda ilerlemesine
imkan sağlanmıştır. Üç tekerlekli bacak sistemi için gerekli matematiksel modeller
geliştirilmiştir. Tez çalışması için önerilen “Yön Tabanlı Açı Hesaplama”
yaklaşımının gerekli deneysel testleri robotik sisteme uygulanmıştır. Ayrıca,
robotun karşılaştığı engelleri boyuna ve şekline göre sınıflandıran bir algoritma
önerilmiş ve geliştirilmiştir. Bunların yanı sıra, yangın kaynağını bulan ve kaynağın
yangın olma olasılığını belirleyen algoritmalar tasarlanmıştır. Robotun mekanik
sistemlerine ve algoritmalarına çeşitli deneysel testler uygulanmıştır (Hareket ve
transmisyon sistemleri performans testleri, lokal güzergah planlama ve engelden
kaçınma, hareket türü belirleme, yangın algılama ve tespit). Bu testlerin sonucunda;
mekanik iletim ve hareket sistemlerinin merdiven çıkma ve düz yolda ilerleme
uygulamaları için yeterli olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca geliştirilen şekil
tabanlı açı hesaplama yaklaşımının, güzergah planlama ve engelden kaçınma
işlemleri için uygun olduğu gözlemlenmiştir. Faster R-CNN modeli kullanılarak
geliştirilen yangın algılama algoritmasının yangın kaynağını %93 doğrulukla tespit
ettiği gözlemlenmiştir.TABLE OF CONTENTS
ÖZET..................................................................................................................... vii
ABSTRACT............................................................................................................ix
ACKNOWLEDGEMENTS ....................................................................................xi
TABLE OF CONTENTS..................................................................................... xiii
LIST OF ABBREVIATIONS ............................................................................. xvii
LIST OF FIGURES...............................................................................................xix
LIST OF TABLES ..............................................................................................xxix
1. INTRODUCTION................................................................................................1
1.1. Problem Description......................................................................................1
1.2. Motivation.....................................................................................................1
1.3. Objectives......................................................................................................2
1.4. Contributions.................................................................................................2
1.5. Hypothesis.....................................................................................................3
1.6. Overview of the Thesis .................................................................................3
1.7. Robotic System Overview.............................................................................4
2. LITERATURE REVIEW.....................................................................................6
2.1. Firefighting and Detection Robots...............................................................6
2.2. Locomotion Systems of Robots ..................................................................16
2.3. Obstacle Avoidance and Path Planning Systems........................................25
2.4. Sensor Based Fire Detection Methods ........................................................33
xiv
2.5. Computer Vision and Deep Learning Based Fire Detection Methods....... 34
3. MATERIAL AND METHOD........................................................................... 40
3.1. General System Architecture and Functions.............................................. 40
3.2. The Mechanical Design and the Components............................................ 42
3.2.1. General Dimensions and the Weight................................................... 46
3.2.2. Material and Manufacturing of the Components................................. 47
3.3. Motion Calculations and Analyses............................................................. 60
3.4. Mechanical Strength Check of the Components ........................................ 70
3.5. Electronic Systems and Hardware.............................................................. 77
3.6. Algorithms and Software............................................................................ 87
3.6.1. Motion Mode Decision........................................................................ 87
3.6.2. Direction Based Angle Calculation ..................................................... 89
3.6.3. Fire Search and Find............................................................................ 91
3.6.4. Fire Detection ...................................................................................... 92
4. RESULTS AND DISCUSSION........................................................................ 97
4.1. Performances of Transmission and Motion Systems ................................. 97
4.2. Lidar Interface .......................................................................................... 100
4.3. Fire Detector............................................................................................. 104
4.4. Tests of the Algorithms............................................................................ 104
4.4.1. Direction Based Angle Calculation ................................................... 106
4.4.2. Fire Search and Find.......................................................................... 115
xv
4.4.3. Fire Detection.....................................................................................121
4.5. Tests of Ladder Climbing Robot...............................................................126
5. CONCLUSIONS..............................................................................................128
6. RECOMMENDATIONS AND FUTURE WORKS........................................129
REFERENCES.....................................................................................................130
APPENDICES......................................................................................................146
Appendix 1 (Matlab Scripts)............................................................................146
Motion Calculations.....................................................................................146
Mechanical Strength Check of the Components..........................................152
Appendix 2 (C# Codes)....................................................................................163
Serial Control Software................................................................................163
Appendix 3 (Arduino Codes)...........................................................................195
Control of the Transmission and Motion Systems.......................................195
Appendix 4 (Faster R-CNN) ............................................................................209
Training........................................................................................................209
Implementation.............................................................................................215
Appendix 5 (Python Codes).............................................................................219
Robot Control Software ...............................................................................219
RESUME..............................................................................................................24