Geri Dön

Implementation control algorithm for mobile robot based on omnidirectional wheel

Tüm yönlü tekerlek tabanlı mobil robot için denetim algoritması uygulanması

PDF İndir

  1. Tez No: 438175
  2. Yazar: ALİ ÖMER BAYKAR
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. AYHAN KURAL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 83

Özet

Bu tez çalışmasında çok yönlü mekanum tekerleklere sahip bir robot için denetim algoritması tasarımı oluşturulmuştur. Tekerlekli sandalye hareket serbestliğini artırmak amacıyla çok yönlü mekanum tekerlekler ile donatılmıştır. Bu çalışmada istenilen ve gerçekleşen yönelim farklılarının sonucu olan yönelim hatalarının etkisini azaltmak amacıyla denetim algoritması oluşturulmuştur. Denetim algoritmasının performansını incelemek amacıyla, ilk olarak matematiksel model tasarımı oluşturulmuştur. Bu çalışma kapsamında, sistemin ileri ve ters kinematik yöntemleri sayesinde sistemin matematiksel denklemleri çıkarılmıştır. Matematiksel modelin tasarımında gerçek sistemde karşılaşılabilecek ve hesaplamaları kolaylaştırmak amacıyla bazı kabuller yapılmıştır. Robotun zemin üzerinde eş zamanlı olarak düzenli bir şekilde temas ettiği, zemin ile tekerlekler arasında yuvarlanma olmayacak şekilde yeterince sürtünme kuvvetlerinin mevcut olduğu ve tasarlanan platformun rijit bir yapıda olması yapılan kabuller arasındadır. Matematiksel model içerisinde kullanılan mekanum tekerleklerin açıya sahip olduğu ve sistemin simetrik bir şekilde dizayn edileceği göz önüne alınmıştır. Bu model sayesinde her bir tekerlek birbirinden bağımsız olarak farklı hızlara sahip olacağından tekerleklerin hızları ayrı ayrı hesaplanabilmektedir. İlk olarak elde edilen ileri kinematik denklemler sayesinde Jakobian matrisi elde edilerek robotun sahip olduğu yönelimi oluşturan kartezyen hızları ve herbir motorun sahip olduğu devir sayıları hesaplanmıştır. Ayrıca sistemin herhangi bir kontrolcüye sahip olmadığı durumlarda karşılaşabileceği bozucu değişkenlerinn hatasını minimalize edilmesi amacıyla ağırlık matrisi kinematik denklem içerisinde değerlendirilmiştir. Ters kinematik denklemleri oluşturulurken, sistemin sahip olabileceği üretim kaynaklı değişkenler sürtünme kuvvetlerindeki değişiklikler yada motorun durması gibi bozucu değişkenlere karşı motor hızlarının telafisini sağlamak amacıyla literatürdeki çalışmalara ek olarak ağırlık matrisi düşünülmüştür. Böylece yönelim için ihtiyaç duyulan motor hızlarının herhangi bir bozucu etken karşısında nasıl ve ne oranda değişmesi gerektiğini tam olarak hesaplama imkanına kavuşulmuştur. Tasarlanan matematiksel modelin analizi amacıyla tüm sistemin simulasyon ortamı hazırlanmıştır.Bu simulasyon ortamında ileri ve ters kinematik denklemleri ile birlikte sistemin eyleyici organı olan doğru akım motorunun modeli de yer almaktadır. Ayrıca sistemin performansını iyileştirmek amacıyla tasarlanan kontrolcü performansları ise bu simulasyon ortamında test edilmiştir. Matematiksel modeli tasarlanan sistemin ve bu sisteme uygulanacak kontrolcünün gerçek system üzerindeki performansını değerlendirmek amacıyla gerçek sistem, deney düzeneği olarak kurulmuştur. Gerçek sistem, dört adet motor ve mekanum tekerlekler ile birlikte hız verilerinin elde edilmesi için iki kanallı manyetik encoder ve tüm sistemi komuta edeceği bir mikrodenetleyiciden oluşmaktadır. Sistemin sahip olduğu motorlar doğru akım fırçalı motorlar olup herbiri 400 watt gücüne sahiptir. Sahip olduğu redüktör sahesinde istenilen devir ve tork değerlerine ulaşılabilmektedir. Sistemde kullanılan motor sürücü kartlarının her biri iki adet fırçalı doğru akım motorunu sürebilme yeteneğine sahiptir. Ayrıca aynı motor sürücü devresi üzerinden iki farklı motora farklı yönlerde ve değerlerde hız istekleri iletilebilmektedir. Motor sürücü devresi ve mikrodenetleyici TTL seviyede haberleşme protokolü üzerine kurulmuştur. Bu sayede istenilen ölçüm aralıkları ve örnekleme zamanları elde edilmiştir. İstenilen motor hız verileri mikrodenetleyici üzerinden sürücü devresine 8 bit çözünürlüğünde iletilmektedir. Mekanum tekerlekler 20 cm çapına sahip olup içerisinde 12 adet iç tekerlekçiğe sahiptir. Bu tekerlek normal mekanum tekerleklere göre modifiye edilmiş olup her bir iç tekerleğin iç ve dış kısmında toplam 24 adet yarım tekerlekçikler bulunmakd-tadır. Böylece tekerleğin taşıyıcısının ye rile teması önlenerek sürekli bir temas noktası oluşturulmuştur.Tüm bu sistemin rijit bir şekilde çalışabilmesi için engelli tekerlekli sandalyenin şasesi ana konstruksiyon elemanı olarak kullanılmıştır. Montaj çalışmalarının tamamlanmasından sonra simulasyon sonuçlarının doğru ve kesinliklerini artırmak amacıyla motor doğru akım fırçalı motor modelinin tespit edilmesi gerekmektedir. Bu amaçla motor matematiksel modeli içerisindeki parametrelerin tespiti ve bir sisteme uygulanan giriş ve çıkışlara göre sistemin tanımlanması gibi iki ayrı yöntem motor modelinin tespiti için izlenmiştir. Her iki yöntem için de sisteme uygulanan giriş ve çıkış senaryoları aynı olması istenmiştir. Bu senaryolar, ani bir şekilde maksimum hız değerine ulaşılarak belli bir süre hız verilerinin okunması, belirli bir süre içinde yarım hız ve her on saniyede bir yüzde on hız artışı ile elde edilen hareket düzenleridir. Her senaryoda uygulanan gerilim ve hız değerleri okunarak sisteme uygulanan giriş ve çıkış sinyalleri tespit edilmiştir. Bu sinyaller simulasyon ortamında tasarlanan motor modeline uygulanarak sistemin parametreleri kestirilmeye çalışılmıştır. Ayrıca aynı senaryolarda farklı testler gerçekleştirilerek elde edilen gerilim ve hız verileri kullanılarak sistem tanımlama yönteminde herbir motor modellerinin transfer fonksiyonları belirlenmiştir. Bu transfer fonksiyonlarının doğruluğu elde edilen farklı ölçümler ile çapraz korelasyon testlerine tabi tutularak güvenirlik seviyeleri belirlenmiştir. Elde edilen transfer fonksiyonları ile testlerde elde edilen paraametrelerin yer aldığı motor modellerinin her bir motor için birim adım sinyaline cevapları karşılaştırılmıştır. Birim adım cevapları büyük oranda benzerlik gösterdiğinden sistemin kontrolcü tasarımına transfer fonksiyonları kullanılarak devam edilmiştir. Kontrolcü tasarımında PD ve PI algoritmaları değerlendirilmiştir. Yapılan simulasyon sonuçlarında beklendiği üzere sistem cevabının oturma süresi PD denetleyici sayesinde azalırken, PI denetleyici sayesinde ise kalıcı durum hatası azaldığı gözlemlenmiştir. Bu denetleyicilerin sahip olması gereken Kp, Kd ve Ki katsayıları tespit edilerek gerçek sisteme uygulanmıştır. Denetim algoritmasının uygulanması ve ağırlık matrisinin sistem üzerindeki etkisinin sistem üzerinden alınan veriler sayesinde değerlendirilmiştir. Testler sonucunda tasarlanan denetleyici sisteme uygulanmıştır. Sistem performansını incelemek amacıyla ağırlık matrisinin hata düzeltme gücü saptanmaya çalışılmıştır. Bu amaçla sisteme verilen sağa yönelim doğrultusunda motorlardan birinin olması gerektiği hız değerlerine sahip olmadığında diğer motorlara dağılan hız ağırlığının miktarı ve yönelim hatası incelenmiştir. Ağırlık matrisindeki ilgili tekerleğin değeri arttıkça yönelimdeki etkisi azalacak ve diğer tekerleklere daha çok görev düşecektir. Böylece istenilen doğrultuda hareket ederken motorlardan birinin devre dışında kaldığı durumda dahi yönelimini istenilen şekilde gerçekleştirdiği görülmüştür. Sürtünme kuvvetlerinin sistem üzerindeki etkisi değerlendirilmediğinden sistemin ivme bilgisi PI denetleyici tarafından kullanılmamaktadır. PI denetleyici sadece hız verilerinden oluşan bir algoritma ile hata sinyali ürettiğinden istenilen performansı ve kontrolcü eforunu beklenen seviyede karşılayamamaktadır. Sürtünmenin hareket üzerinde dominant bir şekilde etkili olduğu sağ ve sol yönelimlerde PI denetleyici yönelim hata telafisinde dramatik bir şekilde azalma gözlemlenmemiştir. Buna ragmen sürtünmenin kısman daha az etkili olduğu ileri ve geri yönelimlerde sistemin PI denetleyicili performansı kabul edilebilir seviyededir. Testler ışığında PD denetleyici daha hızlı bir sürede istenilen motor hızlarına erişebilmektedir. Böylece motor hızlarının birbirlerine göre bağıl hız farklılıklarından dolayı yönelim hataları azaltılmıştır. Bir başka bozucu değişken olan üretim hatalarından kaynaklı yönelim hatalarının da denetim algoritmaları sayesinde azaldığı gözlemlenmiştir. Tekerleklerin tam istenildiği gibi oryantasyonda olamadığı durumlarda mobil robotun hesaplanan doğrultuda hareket etmesinin kestirilmesi zorlaşmaktadır. Üretim hatalarının yanında mekanum tekerleklerin kendi iç yapısından kaynaklı bozucular da oluşmaktadır. Mekanum tekerlekler çeşitli bağlantı elemanları ve konstrüktif boşluklar taşımasından dolayı fiziksel özelliklerinde farklılıklar gözlemlenebilmektedir. Bu farklılıklar robot yönelimlerinde de istenmeyen bozulmalara sebebiyet vermektedir. Böylece tekerleklerin sahip olması gereken farklı hızların tespiti için kapalı çevrim denetleyici tasarlanmıştır. Bu amaçla PD ve PI denetim algoritmaları tespit edilmiş ve test edilmiştir. Ağırlık matrisi performans testlerinde de görüldüğü gibi herhangi bir tekerleğin hızı sıfıra yaklaştığında sistem üzerine etki eden sürtünme kuvvetini artırmaktadır. Bu çalışma kapsamında bu kuvvetler bir pivot noktası olarak değerlendirilmeyip etkisi göz ardı edilmiştir. Bu sürtünme etkisinin de yönelim hatalarında rol oynayabileceği ihtimali üzerinde durularak gelecek çalışmalarda bu sürtünmenin modellenmesi üzerine durulacaktır. Sürtünme modelinin tespiti ve simulasyon ortamına taşınması ile birlikte farklı denetleyicilerin performansı da incelenecektir. Sistem üzerinde bozucu değişkenlerin sayısı artması sebebiyle lineer kuadratik ve model öngürülü denetleyiciler test edilecektir.

Özet (Çeviri)

This thesis aims to design and develop an implementation the control algorithm in mobile robot based on omni directional mecanum wheel and to be used in further researches. In an attempt to increase orientation capability of conventional wheelchair the system was equipped with four omni-directional wheels. In this study a control algorithm is developed to eliminate heading errors between demanded and real motor speeds taken from directly from system. In order to examine designed controller on real large-scale system, an experimental setup is installed. The experimental setup consists of microcontroller, dc motor drivers, four dc motors coupled with mecanum wheels and quadratic encoder. Mathematical model of this system is also created through forward and backward kinematic with weighted matrix equations,which provides with the decreasing heading error while any of DC Motors operate in unexpected behaviors such as stop or undesired velocity by improved mathematical model unlike relevant works in this area, Transfer function of Dc motor is estimated by the help of measured voltage and speed values. The dc motor model is added into system model to determine needed speed according to user inputs. Created mathematical model is designed and simulated in MATLAB/Simulink environment. In order to validate designed model, different orientation scenarios are given to system independently. Cross-validation is done by independent input-output data sets and it is determined that the model has the residual autocorrelation function inside the confidence interval.Based on the validated model, unlike motor speed responses are without overshoot and oscillation, a sub-control algorithm PD is designed and simulated to reduce settling time and minimize heading errors. Obtained simulation and real system results are compared. Owing to designed controller performance and adaptation of weight unit matrix values, heading error caused by structural, assembly and manufacturing failures is decreased dramatically.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    223913

    Design and implementation of an omnidirectional mobile robot platform

    Genel amaçlı bir robot platformun tasarımı ve gerçeklenmesi

    ONUR YAZGAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET COŞKUN SÖNMEZ

  2. Tez No

    879700

    Development of a mobile robot performing transport implementations in a manufacturing plant

    Bir üretim tesisinde taşıma uygulamalarını yerine getiren bir mobil robotun geliştirilmesi

    NESLİHAN DEMİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Makine MühendisliğiAydın Adnan Menderes Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. PINAR DEMİRCİOĞLU

    PROF. DR. İSMAİL BÖĞREKCİ

  3. Tez No

    885990

    Dynamic programming based route planning and maneuver control for mobile robots

    Mobil robotlar için dinamik programlama temelli rota planlaması ve manevra kontrolü

    BARIŞ YASİN DEMİR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolYıldız Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YAVUZ EREN

  4. Tez No

    168731

    Solution of maze path finding problem using genetic algorithm

    Labirentte yol bulma probleminin genetik algoritma kullanılarak çözülmesi

    UMUT TÜRKARSLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2005

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolÇankaya Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Bölümü

    PROF.DR. MEHMET REŞİT TOLUN

  5. Tez No

    176851

    An implementation of mono and stereo slam system utilizing efficient map management strategy

    Etkin harita yönetim stratejisi kullanan mono ve stereo slam sistemi uygulaması

    ADNAN KALAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü

    YRD. DOÇ. DR. İLKAY ULUSOY

Geri Dön