Robotik Simülasyon Araçları

Robotik projelerde bir hatanın bedeli yanan bir LED olabileceği gibi masadan düşen bir robot kolu da olabilir. Simülasyon, kodunuzu ve tasarımınızı gerçek donanıma dokunmadan denemenizi sağlar. NASA'dan otonom araç şirketlerine kadar profesyoneller de bir algoritmayı gerçek robota yüklemeden önce binlerce kez simülasyonda çalıştırır.

Dört aracın karşılaştırması

Tinkercad, Autodesk'in ücretsiz tarayıcı tabanlı tasarım platformudur. Circuits bölümünde sanal bir breadboard üzerine Arduino Uno, LED, direnç, sensör ve motorlar sürükleyip bırakarak devre kurabilir, yazdığınız kodu gerçek karttaymış gibi çalıştırabilirsiniz. Hiçbir şey kurmanıza gerek yoktur.

İlk devrenizi 5 adımda kurun

1. Hesap açın

   tinkercad.com adresinden ücretsiz kayıt olun. Öğretmenseniz sınıf oluşturup öğrencilerinizi e-posta gerektirmeyen bir sınıf koduyla ekleyebilirsiniz.

2. Yeni devre oluşturun

   Panelde Oluştur › Devre seçeneğine tıklayın. Sağdaki bileşenler panelinden "Arduino Uno R3" ve bir "Breadboard" sürükleyin.

3. Bileşenleri bağlayın

   Bileşenlerin bacaklarına tıklayıp sürükleyerek kablo çekin. Kabloya tıklayıp rengini değiştirin: kırmızı 5V, siyah GND. Direncin değerini üzerine tıklayıp ayarlayın.

4. Kodu yazın

   Üstteki Kod düğmesine basın. Açılır menüden "Metin" seçip aşağıdaki kodu yapıştırın; ya da "Bloklar" ile sürükle-bırak programlayın.

5. Simülasyonu başlatın

   Simülasyonu Başlat düğmesine basın. Seri Port Ekranı kod panelinin altındadır. Sensörlere tıklayınca çıkan kaydırıcıyla mesafe, ışık veya sıcaklığı değiştirebilirsiniz.

Örnek: Mesafeye göre renk değiştiren uyarı

Bileşenler: Arduino Uno, 4 pinli ultrasonik mesafe sensörü (HC-SR04), yeşil ve kırmızı LED, iki adet 220 Ω direnç. Bağlantı: Trig → D9, Echo → D10, yeşil LED → D5, kırmızı LED → D6. Simülasyon sırasında sensöre tıklayıp önündeki nesneyi sürükleyerek mesafeyi değiştirin.

// Tinkercad: HC-SR04 ile mesafe uyarısı
const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;
const int yesilLed = 5;
const int kirmiziLed = 6;

void setup() {
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
  pinMode(yesilLed, OUTPUT);
  pinMode(kirmiziLed, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

long mesafeOlc() {
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  return pulseIn(echoPin, HIGH) * 0.034 / 2;
}

void loop() {
  long cm = mesafeOlc();
  Serial.print("Mesafe: ");
  Serial.print(cm);
  Serial.println(" cm");

  bool yakin = cm < 50;
  digitalWrite(kirmiziLed, yakin);
  digitalWrite(yesilLed, !yakin);
  delay(200);
}

Uygulama görevleri

Gazebo, Open Robotics tarafından geliştirilen ve ROS (Robot Operating System) dünyasında standart kabul edilen açık kaynaklı 3D robot simülatörüdür. Fizik motoru, kamera, LiDAR, IMU ve GPS gibi sensör modelleri ve aynı dünyada birden çok robot çalıştırabilmesiyle araştırma ve endüstride yaygın olarak kullanılır.

Temel kavramlar

Kurulum ve ilk çalıştırma (Ubuntu 24.04 + ROS 2 Jazzy)

1. ROS 2 Jazzy'yi kurun

   docs.ros.org adresindeki Jazzy kurulum rehberini izleyerek ros-jazzy-desktop paketini kurun.

2. Gazebo köprüsünü kurun

   Aşağıdaki ilk komut, ROS 2 ile uyumlu Gazebo Harmonic sürümünü ve köprü paketlerini birlikte kurar.

3. Örnek dünyayı açın

   gz sim diff_drive.sdf komutu iki küçük araçlı bir dünya açar. Alt soldaki turuncu Oynat düğmesine basarak fiziği başlatın.

4. Robotu hareket ettirin

   Yeni bir terminalde mavi araca hız mesajı gönderin; araç dairesel bir yol çizmeye başlar.

# 1) ROS 2 Jazzy ile eşleşen Gazebo ve köprü paketleri
sudo apt install ros-jazzy-ros-gz

# 2) İki araçlı örnek dünyayı aç
gz sim diff_drive.sdf

# 3) (yeni terminal) Mavi araca ileri ve dönüş hızı gönder
gz topic -t "/model/vehicle_blue/cmd_vel" -m gz.msgs.Twist -p "linear: {x: 0.5}, angular: {z: 0.3}"

# Aracı durdurmak için
gz topic -t "/model/vehicle_blue/cmd_vel" -m gz.msgs.Twist -p "linear: {x: 0.0}, angular: {z: 0.0}"

ROS 2 düğümüyle robotu sürmek

Gerçek projelerde robotu terminal komutlarıyla değil, ROS 2 düğümleriyle (node) kontrol edersiniz. Önce köprüyü başlatın; ardından aşağıdaki Python düğümü mavi araca saniyede 10 kez hız komutu gönderir. Aynı düğüm, aynı konuyu dinleyen gerçek bir robotta da değişiklik yapmadan çalışır; simülasyonun asıl gücü budur.

# ROS 2 Twist mesajlarını Gazebo'ya aktaran köprü
source /opt/ros/jazzy/setup.bash
ros2 run ros_gz_bridge parameter_bridge /model/vehicle_blue/cmd_vel@geometry_msgs/msg/Twist]gz.msgs.Twist

# ROS 2 düğümü: aracı 5 saniye ileri sürüp döndürür
import rclpy
from rclpy.node import Node
from geometry_msgs.msg import Twist

class Surucu(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__("surucu")
        self.yayinci = self.create_publisher(Twist, "/model/vehicle_blue/cmd_vel", 10)
        self.sayac = 0
        self.create_timer(0.1, self.gonder)   # Saniyede 10 kez

    def gonder(self):
        mesaj = Twist()
        if self.sayac < 50:          # İlk 5 saniye: düz git
            mesaj.linear.x = 0.5
        else:                         # Sonra: yerinde dön
            mesaj.angular.z = 0.8
        self.yayinci.publish(mesaj)
        self.sayac += 1

def main():
    rclpy.init()
    rclpy.spin(Surucu())

if __name__ == "__main__":
    main()

Düğümü çalıştırmak için ROS ortamını yükledikten sonra python3 surucu.py yazmanız yeterli. Ayrı bir terminalde ros2 topic echo /model/vehicle_blue/cmd_vel ile gönderilen mesajları izleyebilirsiniz.

Uygulama görevleri

CoppeliaSim, özellikle robot kolları ve endüstriyel otomasyon simülasyonunda güçlü olan, Windows, macOS ve Linux'ta çalışan bir robot simülatörüdür. İçinde ABB, KUKA ve UR gibi gerçek endüstriyel robotların modelleri, konveyörler, tutucular ve sensörler hazır gelir. Eğitim kurumları ve öğrenciler için CoppeliaSim Edu sürümü ücretsizdir.

Arayüzü tanıyın

1. Kurulum

   coppeliarobotics.com adresinden işletim sisteminize uygun Edu sürümünü indirip kurun.

2. Model tarayıcısı

   Sol taraftaki model tarayıcısında robots › mobile klasöründen "Pioneer p3dx" modelini sahneye sürükleyin.

3. Sahne hiyerarşisi

   Hiyerarşi panelinde robotun altında sol ve sağ motor eklemlerini (leftMotor, rightMotor) ve ultrasonik sensörleri görün.

4. Simülasyonu başlatın

   Üst menüdeki Oynat düğmesine basın. Pioneer modeli, içinde gelen hazır betikle engellerden kaçarak dolaşmaya başlar.

Harici Python programıyla kontrol

CoppeliaSim'i kendi Python programınızdan ZeroMQ tabanlı uzaktan API ile yönetebilirsiniz. Önce istemci kütüphanesini kurun, ardından CoppeliaSim açıkken sahneye bir Pioneer p3dx ekleyin ve aşağıdaki kodu çalıştırın. Modelin içindeki hazır betik kendi hız komutlarını gönderdiği için, denemeden önce robotun alt öğesi olan betiği silmeniz veya devre dışı bırakmanız gerekir.

pip install coppeliasim-zmqremoteapi-client

# CoppeliaSim: Pioneer p3dx robotunu Python'dan sürmek
import time
from coppeliasim_zmqremoteapi_client import RemoteAPIClient

client = RemoteAPIClient()       # CoppeliaSim açık olmalı
sim = client.require("sim")

# Motor eklemlerine erişim (sahnedeki adlarla aynı olmalı)
sol = sim.getObject("/PioneerP3DX/leftMotor")
sag = sim.getObject("/PioneerP3DX/rightMotor")

def sur(sol_hiz, sag_hiz, sure):
    sim.setJointTargetVelocity(sol, sol_hiz)   # rad/s
    sim.setJointTargetVelocity(sag, sag_hiz)
    time.sleep(sure)

sim.startSimulation()

for _ in range(4):           # Kare çiz
    sur(2.0, 2.0, 3.0)       # İleri
    sur(1.0, -1.0, 1.6)      # Yerinde dön

sur(0, 0, 0.5)               # Dur
sim.stopSimulation()
print("Simulasyon tamamlandi.")

Uygulama görevleri

Webots, 1996'da İsviçre'deki EPFL'de araştırma aracı olarak doğan ve 2018'den beri açık kaynak olan bir robot simülatörüdür. Kurulumu kolaydır, Windows, macOS ve Linux'ta çalışır ve içinde e-puck, TurtleBot, NAO, Pioneer ve DJI Mavic gibi yüzlerce hazır robot modeli bulunur. Python ile robot programlamaya başlamak için en kolay 3D simülatörlerden biridir.

Kurulum ve ilk dünya

1. Webots'u kurun

   cyberbotics.com adresinden kurulum dosyasını indirin. Linux'ta sudo snap install webots komutu da kullanılabilir. Python 3'ün bilgisayarınızda kurulu olduğundan emin olun.

2. Hazır bir dünya açın

   File › Open Sample World menüsünden robots › gctronic › e-puck klasöründeki e-puck dünyasını açın.

3. Yeni kontrolcü oluşturun

   Wizards › New Robot Controller ile Python dilinde "engelden_kac" adlı bir kontrolcü oluşturun ve aşağıdaki kodu yapıştırın.

4. Robota atayın

   Scene tree'de e-puck'ın controller alanına tıklayıp yeni kontrolcünüzü seçin. Kaydedip Oynat düğmesine basın.

Örnek: Engelden kaçan e-puck

e-puck robotunun gövdesinin çevresinde 8 adet kızılötesi mesafe sensörü (ps0–ps7) vardır. Ön sağdaki (ps0–ps2) veya ön soldaki (ps5–ps7) sensörler bir engel algıladığında robot ters yöne döner.

# Webots: e-puck ile engelden kaçma
from controller import Robot

MAKS_HIZ = 6.28                    # e-puck motor hız sınırı (rad/s)

robot = Robot()
adim = int(robot.getBasicTimeStep())

# Mesafe sensörlerini etkinleştir
sensorler = []
for i in range(8):
    s = robot.getDevice("ps" + str(i))
    s.enable(adim)
    sensorler.append(s)

# Motorları hız kontrol moduna al
sol_motor = robot.getDevice("left wheel motor")
sag_motor = robot.getDevice("right wheel motor")
sol_motor.setPosition(float("inf"))
sag_motor.setPosition(float("inf"))

while robot.step(adim) != -1:
    d = [s.getValue() for s in sensorler]

    sagda_engel = d[0] > 80 or d[1] > 80 or d[2] > 80
    solda_engel = d[5] > 80 or d[6] > 80 or d[7] > 80

    sol_hiz = 0.5 * MAKS_HIZ
    sag_hiz = 0.5 * MAKS_HIZ

    if solda_engel:        # Sağa dön
        sol_hiz = 0.5 * MAKS_HIZ
        sag_hiz = -0.5 * MAKS_HIZ
    elif sagda_engel:      # Sola dön
        sol_hiz = -0.5 * MAKS_HIZ
        sag_hiz = 0.5 * MAKS_HIZ

    sol_motor.setVelocity(sol_hiz)
    sag_motor.setVelocity(sag_hiz)

Uygulama görevleri

Simülasyonda kusursuz çalışan bir robotun gerçek dünyada beklenmedik davranması çok yaygındır. Mühendisler buna simülasyon-gerçeklik farkı (reality gap) der. Bu farkı tanımak, simülasyonu doğru kullanmanın en önemli parçasıdır.

Gerçek robota geçmeden önce kontrol listesi

• Kod, simülasyonda farklı başlangıç konumlarında da çalışıyor mu?
• Sensör değerleri sabit sayılar yerine eşik değişkenleriyle mi kontrol ediliyor?
• Robotu her an durdurabileceğiniz bir "acil dur" yöntemi var mı?
• İlk denemeyi düşük hızda ve robot tekerlekleri havadayken yaptınız mı?
• Gerçek ölçümlerle simülasyon sonuçlarını karşılaştırmak için kayıt alıyor musunuz?