L.O.R.A. — Lunar Optimum Routing Algorithm

Otonom Ay Gezgini — Gerçek NASA/JAXA Topografya Verisiyle A* Navigasyon + LIDAR Engel Kaçınma + Canlı UDP Telemetri

---

🌑 Proje Özeti

L.O.R.A., Ay'ın güney kutbu bölgesinde çalışacak otonom bir rover (keşif aracı) için geliştirilmiş tam yığın bir navigasyon sistemidir. Gerçek JAXA SLDEM2015 topografya verisinden 500×500 metrelik alanlar kırparak Webots simülasyon ortamında Pioneer 3-AT rover'ı eğim-duyarlı A* algoritması, LIDAR tabanlı anlık engel kaçınma ve SLAM benzeri harita öğrenimi ile otonom olarak hedefe ulaştırır.

JAXA .IMG  →  Heightmap  →  A* Rota  →  Webots Sim  →  UDP Telemetri  →  2D Canlı Panel

---

🏗️ Sistem Mimarisi

LORA/
├── lora_master.py                ← Orkestra Şefi (WBT Üretici, Başlatıcı + 2D Canlı UI)
├── data/
│   ├── raw/
│   │   ├── SLDEM2015_*.IMG       ← JAXA Ay topografya ham verisi
│   │   ├── high_detail_map.csv   ← Webots fiziksel yüzeyi (sürpriz engellerle)
│   │   └── low_detail_map.csv    ← Rover'ın A* zihinsel haritası
│   └── processed/
│       └── mission_params.txt    ← Master tarafından belirlenen Start/Goal koordinatları
├── src/
│   ├── algorithm/
│   │   ├── pathfinder.py         ← A* Algoritması + Eğim Cezası hesaplayıcı
│   │   └── slam_mapper.py        ← LIDAR ile eşzamanlı harita güncelleyici
│   └── data/
│       └── pds_reader.py         ← JAXA .IMG okuyucu (memory-mapped)
└── webots/
    ├── worlds/
    │   └── lunar_surface.wbt     ← lora_master.py tarafından her seferinde 0'dan üretilir
    └── controllers/lora_controller/
        └── lora_controller.py    ← Otonom Webots rover kontrolcüsü

---

⭐ Kritik Teknik Özellikler

1. A* Eğim Cezası (Slope-Aware A*)

Standart A* sadece mesafeyi minimize eder. L.O.R.A.'nın Pathfinder'ı her adımda eğim açısını maliyet fonksiyonuna ekler:

# pathfinder.py — _slope_cost()
slope_deg = math.degrees(math.atan2(dh, cell_size * base_cost))
penalty   = (slope_deg / MAX_SLOPE_DEG) ** 2 * SLOPE_PENALTY
return base_cost + penalty   # eğim ne kadar dik, maliyet o kadar büyük

20°'den dik geçişler tamamen engellenir (return None → geçilemez duvar). Bu sayede rover devrilme riski taşıyan yamaçlara hiç girmez; düz ova güzergahlarını, dik kraterleri geçmeye tercih eder.

2. Dinamik LIDAR Engel Kaçınma (3 Katmanlı Refleks)

Global A* rotası haritada olmayan sürpriz boulderları göremez. LIDAR her timestep'te bağımsız çalışır ve 3 mod üretir:

Mesafe	Eylem
< 1.2 m	🛑 Acil fren + sabit yön kaçınma (2.8 s)
1.2–4.0 m	Hızı kıs + engel tarafından uzağa steer
> 8.0 m	Tam hız, saf A* navigasyon

Kaçınma tamamlandıktan sonra replan_from() çağrılır → güncellenmiş SLAM haritasıyla yeni rota hesaplanır.

3. Dinamik Eğim Fiziği (Pitch Modülasyonu)

InertialUnit sensöründen okunan pitch açısı gerçek zamanlı hız ölçekler:

# lora_controller.py — _pitch_speed_scale()
if pitch_deg < -8°:   # Yokuş aşağı → fren
    scale = DOWNHILL_SPEED_SCALE  # 0.45×
elif pitch_deg > +8°: # Yokuş yukarı → tork
    scale = UPHILL_SPEED_SCALE    # 1.15×

Bu sayede rover hem krater iç duvarlarında kontrolsüz kayıp yaşamaz, hem de yüksek eğimli tırmanışlarda yeterli tork üretir.

4. Rastgele Topografya Üretimi (JAXA .IMG Tabanlı)

lora_master.py her çalıştırmada NASA/JAXA SLDEM2015 veri setinden rastgele bir 500×500'lük kesit seçer; düz bölge kriterini (p85 eğim ≤ %12°) geçmezse başka bir koordinat dener. Bu mekanizma sayesinde her simülasyon farklı bir Ay yüzeyi parçasında gerçekleşir.

5. UDP Canlı Telemetri Arayüzü

lora_controller.py  ──UDP:5005──►  lora_master.py
  send_pos(x, z, speed, heading)    → 2D haritada mavi iz
  send_obstacle(ox, oz, height)     → Turuncu üçgen (LIDAR tespiti)
  send_done()                       → "✅ GÖREV TAMAMLANDI"

Binary paket formatı (little-endian):

TYPE_POS (1): uint8 | float32 x | float32 z | float32 speed | float32 heading
TYPE_OBS (2): uint8 | float32 ox | float32 oz | float32 height
TYPE_DON (3): uint8

---

🚀 Kurulum & Çalıştırma

Gereksinimler

pip install numpy scipy matplotlib noise
# Webots R2023b: https://cyberbotics.com

Adım 1 — JAXA Verisi (Opsiyonel)

JAXA SELENE/SLDEM2015 verisini indirin ve data/raw/ klasörüne koyun:

• SLDEM2015_256_SL_60N_90N_000_120.IMG (veya benzeri)
• IMG yoksa sistem otomatik olarak Perlin noise ile sentetik harita üretir.

Adım 2 — Tüm Sistemi Başlat

# Rastgele IMG seç, Webots'u başlat, canlı UI'ı aç
python lora_master.py

# Belirli IMG dosyasıyla
python lora_master.py --img SLDEM2015_256_SL_60N_90N_000_120.IMG

# Sadece UI testi (Webots olmadan)
python lora_master.py --no-webots

Alternatif — Adım Adım

# 1. Sentetik harita üret
python src/data/generate_terrain.py

# 2. Webots dünyasını oluştur
python src/webots/world_builder.py

# 3. Webots'u aç → lunar_surface.wbt dosyasını yükle
# 4. Kontrolcü otomatik başlar

# Standalone algoritma testi (Webots olmadan)
python src/algorithm/lora_core.py

---

📡 360° Kamera Kurulumu (Webots)

.wbt dosyasındaki Viewpoint düğümünü aşağıdaki gibi yapılandırın:

Viewpoint {
  follow           "LORA_ROVER"     # DEF ismiyle eşleşmeli
  followType       "Follow"         # Rover'ın arkasında sabit mesafe
  followSmoothness 0.25             # 0=anlık, 1=çok kaygan
  orientation      -0.707 0.0 0.707 1.57
  position         0 60 -90
  near             0.5
  far              3000
}

Fare Hareketi	Eylem
ALT + Sol Tık + Sürükle	360° yatay döndür
ALT + Orta Tık + Sürükle	Yakınlaştır / Uzaklaştır
Sağ Tık + Sürükle	Yukarı / Aşağı bak
Scroll	Zoom

followType seçenekleri: "None" · "Tracking Shot" · "Mounted Shot" · "Pan and Tilt" · "Follow" (önerilen)

---

🔬 Algoritma Akışı

Her Webots Timestep (32 ms):
  ┌─ GPS + Compass → pose (x, z, heading°)
  ├─ InertialUnit  → pitch° → hız skalası
  ├─ LIDAR analiz  ─── engel < 1.2m ──► ACİL FREN + UDP obs bildir
  │                 ─── engel < 4.0m ──► Yavaşla + taraflı steer
  │                 ─── temiz       ──►  A* navigasyon
  ├─ A* get_next_move(GPS) → waypoint metre
  ├─ PD steering (KP=0.045, KD=0.008) → sol/sağ tekerlek hızı
  ├─ SLAM update_map_region(LIDAR pts)
  └─ UDP send_pos() → 2D canlı panel

---

📊 Performans Parametreleri

Parametre	Değer	Açıklama
Grid	500×500	1 m/hücre
A* sezgisel ağırlık	1.2	Optimal'e yakın, hızlı
Maks geçilebilir eğim	20°	Pioneer 3-AT limiti
LIDAR menzil	30 m	Sick LMS 291 eşdeğeri
SLAM Gaussian σ	1.5 hücre	Engel yayılım yumuşaklığı
UDP güncelleme	~10 Hz	3 adımda bir paket
TIME_STEP	32 ms	~31 FPS simülasyon

---

👥 Takım

L.O.R.A. Hackathon Takımı

• Proje Yöneticisi & 3D Tasarım: Mesut Azak
• Yazılım, Algoritma & Simülasyon: Hüseyin Yılmaz
• Veri seti ve Kaynak Araştırma: Yusuf Çağdaş Canpolat / Havva Şahin

---

📄 Lisans

MIT License — Akademik ve araştırma amaçlı kullanıma açıktır.

---

_{Veriler: JAXA SELENE SLDEM2015 · Simülasyon: Cyberbotics Webots R2023b · Robot: Pioneer 3-AT}