Geri Dön

Design and control of ros based omnidirectional vehicle

Ros tabanlı çok yönlü hareket edebilen araç tasarım ve kontrolü

PDF İndir

  1. Tez No: 710624
  2. Yazar: İBRAHİM DİNÇER NALBANT
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 93

Özet

Günümüzde mobil robotların donanım ve yazılımlarının daha ucuz ve kolay bulunabilmesi ile üzerlerinde yapılan çalışmalar artmış, akademi ve büyük firmalarca yapılan araştırma ve geliştirme faaliyetleri neticesinde mobil robotlar yaygın bir şekilde kullanılmaya başlanmıştır. Mobil robotlar genel olarak keşif, insansı robotlar, dronelar, otomasyon, yük taşıma, uzay araştırmaları, devriye görevi, arama kurtarma ve servis robotu gibi alanlarda yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Bununla birlikte mobil robotların sürüş özelliklerini artırmak için çok çeşitli sürüş sistemleri ve otonom hale getirilmeleri için sensörler ve yazılım mimarileri tasarlanmıştır. Bu tezde, İTÜ Robotik Laboratuarı'nda gelecekte yapılacak araştırma ve geliştirme faaliyetlerinde kullanılmak üzere yüksek yük taşıma kapasitesine sahip, İTÜ çok yönlü araç olarak adlandırılan mecanum tekerlekli, ROS tabanlı otonom, çok-yönlü bir araç prototipi tasarlanmış ve üretilmiştir. İTÜ çok yönlü araç, yönelim doğrultusunu değiştirmeden yer düzleminde her yöne hareket edebilmektedir. Bu özelliği sayesinde manevra kabiliyeti çok yüksektir ve dar alanlarda gerekli manevraları diferansiyel sürüş sistemine sahip robotlara göre kolaylıkla gerçekleştirebilmektedir. Örneğin; paralel park gerektiren bir durumda olduğu yerde sağa ya da sola doğru hareket edebilme kabiliyeti sayesinde istenen hedef konum ve yönelim açısında kolaylıkla yana doğru hareket ederek park edebilir. Ayrıca çok yönlü hareket sayesinde rota planlama ve takip algoritmalarının uygulanması da daha kolay hale getirmektedir. İTÜ çok yönlü araç, çok yönlü hareketi uygulanabilir kılan dört mecanum tekerleğe sahiptir. Bu özel olarak tasarlanmış tekerlekler, ayrı ayrı dört motor tarafından tahrik edilmektedir. Her bir tekerleğin merkezinden uygulanan açısal hızlar tekerleğin yere temas eden serbest silindirlerinde tekerlek dönme merkezine göre çapraz bir kuvvet meydana getirmektedir. Mekanum tekerleklerin araç şasesinde çok yönlü sürüşe uygun şekilde konumlandırılması şartı sağlanırsa, bu kuvvetlerin bileşkesi ile birlikte aracın çok yönlü sürüşü gerçeklenebilmektedir. Bu şart, tekerleklerin yere değen serbest silindirlerinin dönme ekseni doğrultularının kare şeklini oluşturmasıdır. Buna uygun tasarlanan İTÜ çok yönlü araç, motor dönme yönü ve hızı değiştirilerek yer düzleminde istenen yönde hareket ettirilebilir. İTÜ çok yönlü aracın ileri ya da geri yönde hareketi sırasında ve kendi ekseni etrafında sağa veya sola doğru dönüşü sırasında mecanum tekerlek dönüş yönleri diferansiyel sürüş sistemi ile aynıdır. Ancak; aracın yönelim doğrultusunu değiştirmeden olduğu yerde sağa veya sola doğru hareket etmesi için mecanum tekerleklere farklı yönlerde dönme komutları gönderilir. Öyle ki, birbirine göre çapraz konumlarda bulunan tekerlek çiftinin kendi içerisinde aynı yönde; fakat diğer çapraz tekerlek çiftine göre ters yönde dönmesi gerekmektedir. Bunun sonucunda serbest silindirler ve zemin arasındaki sürtünmenin etkisiyle yanal bir kuvvet oluşmakta ve bu yanal kuvvet ile araç olduğu yerde sağa veya sola doğru hareket edebilmektedir. Aracın olduğu yerde çapraz yönde hareket edebilmesi için ise çarpraz konumda bulunan bir tekerlek çiftinin hareket etmesi yeterlidir, diğer tekerlek çiftinin serbest silindirleri pasif olarak dönerek çapraz harekete müsade etmektedir. Çalışmanın ilk bölümünde mecanum tekerlek kinematiği ve araç şase boyutları göz önünde bulundurularak araç ters ve ileri kinematik dönüşüm analizleri yapılmıştır. Ters kinematik hesaplamaları yapılırken öncelikle bir adet mekanum tekerlek ve tekerlek silindiri üzerindeki hız vektörlerinin analizi yapılmıştır. Sonrasında, dört adet mecanum tekerleğin araç şasesi üzerinde uygun konumlara montajı yapıldığı takdirde aracın sahip olması gereken açısal ve çizgisel hız verilerinin her bir motorun dönme hızlarına dönüşümünü sağlayan ters kinematik dönüşüm matrisi, Jacobi matrisi, bulunmuştur. Ardından bu matris üzerinde ters matris dönüşümleri yapılarak aracın her bir motor dönme hızının birleşimine karşılık araç şasesinin sahip olacağı çizgisel ve açısal hız hesaplamalarını sağlayan ileri kinematik matrisi bulunmuştur. Çalışmanın sonraki bölümünde, İTÜ çok yönlü aracın tasarım üretim ve kontrol aşamaları işlenmiştir. İlk olarak aracın yük taşıma kapasitesi, tekerlek boyutları ve ivme değerleri göz önünde bulundurularak uygun güçte motor seçimi yapılmıştır ve dört adet karbon fırçalı DC motor kullanılmasına karar verilmiştir. DC motorların istenen tork değerlerini sağlaması için motorlara ek olarak redüktör dişli ekipmanı eklenmiştir. Ayrıca motorlar üzerinde motor dönme hızı kapalı çevrim kontrolünün sağlanması için artırımlı enkoderlar bulunmaktadır. Motor seçiminin ardından motorlar ile tekerlekler arasında özel bir aktarım organı tasarlanmıştır. Bu aktarım organı, mecanum tekerleklerin şaseye ve motorlara olan yanal kuvvetini, titreşim ve balans etkilerini azaltacak şekilde tasarlanmıştır. Tasarımda tekerlek göbeği bağlantısı için ayrı bir şaft üretilmiş ve bu şaft, çift rulman yatağına monte edilip bir kaplin yardımıyla motor şarftına bağlanmıştır. Araç şasesi hafif, sağlam ve montajının kolay olması sebebiyle alüminyum sigma profillerden üretilmiş, robotun dışına ise yine hafif olması sebebiyle alüminyum kompozit plakalar ile kaplama yapılmıştır. Aracın içerisinde elektrikli motorsikletlerde de kullanılan jel akü bulunmaktadır. Akü kapasitesi robotu tam otonom çalışma modunda beş saate kadar operasyon zamanı tanımaktadır. Araç içerisinde bulunan DC-DC voltaj regülatörleriyle akü voltajı değiştirilerek motor sürücü ve LIDAR sensörlerine gerekli besleme gerilimleri sağlanmaktadır. Motor sürücüler ile motorlar arasında kapalı çevrim bir kontrol sistemi bulunmaktadır. Bu sürücülerin kontrol parametreleri sürücülere tek tek USB ile bağlanılarak ayarlanmaktadır. Araç üzerinde otonom navigasyonun sağlanabilmesi için her biri 270°; ancak ikisi beraber toplam 360° lazer tarama verisi sağlayan iki adet LIDAR sensörü ve bir adet IMU sensörü vardır. Lazer sensör verileri ROS tabanlı bir paket yardımıyla birleştirilerek tek bir lazer tarama görüntüsü oluşturulur. Bu sayede aracın lazer sensörler ile görsel konumlaması hassas bir şekilde yapılabilir. Ayrıca motor hız geri beslemeleri ile IMU sensöründen alınan anlık ivme değerleri Kalman filtreleri yöntemi ile birleştirilerek odometri verisinin doğruluğu arttırılmaktadır. Araç içerisinde ana bilgisayar ile haberleşip motor sürücülerine uygun kontrol sinyallerini üreten bir mikroişlemci kontrol kartı bulunmaktadır. Ana bilgisayar içerisinde Linux tabanlı açık kaynak kodlu Robot İşletim Sistemi (RİS) yazılım mimarisi kullanılmaktadır. RİS üzerinde kullanılan paketlerde robotun çalışmasına dair, geometrik model, motor kontrolü, sensör verilerinin işlenmesi, haritalama ve konumlama, otonom sürüş rotalarının planlanması ve gerçekleştirilmesi vb karmaşık işlemler gerçekleştirilmektedir. Aracın motor kontrol yazılımında RİS üzerinde yazılan bir yazılım ile önceki bölümlerde matematiksel modeli çözülen ters kinematik Jacobi matrisi kullanılmaktadır. Bu tezin son bölümünde araç için farklı yol izleme senaryolarının simülasyon ortamında geliştirilmesinin ardından deneysel sonuçları sunulmuştur. Bu vaka çalışmalarının sonuçları karşılaştırıldığında araç başarılı bir şekilde çok yönlü sürüş şartlarını karşılamış ve beklenildiği gibi davranarak zor manevraları başarılı bir şekilde gerçekleştirebilmiştir.

Özet (Çeviri)

Nowadays, with the fact that the hardware and software of mobile robots are cheaper and easier to find, studies on them have increased, and as a result of research and development activities carried out by academia and large companies, mobile robots have been widely used in the areas such as exploration, humanoids, drones, automation, transportation, space missions, patrolling, search and rescue and service robots. In addition, a wide variety of driving systems have been designed to increase the driving characteristics of mobile robots, as well as sensors and software architectures to make them autonomous. In this thesis, a mecanum wheeled, ROS-based autonomous, omnidirectional vehicle prototype with high load carrying capacity, called ITU omnidirectional vehicle, has been designed and produced to be used in future research and development activities at the ITU Robotics Laboratory. ITU omnidirectional vehicle is capable of moving to all directions on the ground plane without changing its heading angle, with the help of its specially designed mecanum wheels. Mecanum wheels are driven individually by four Maxon DC motors. For the autonomous navigation, there are two Hokuyo LIDAR sensors and a Xsens IMU sensor mounted in the vehicle. Vehicle inverse and forward kinematic analyses were carried out according to the mecanum wheel kinematics and chassis dimensions, then these equations were applied to the control software of the vehicle. DC motor selection of the vehicle was made according to the payload and acceleration values needed. A special drivetrain was designed between motors and wheels to reduce the lateral force, vibration and balancing effects of the mecanum wheels to the motors. Electrical design of the vehicle was made by using DC regulators and supplying appropriate power for the hardware. For the software of the vehicle, open source Robot Operating System(ROS), was integrated to the vehicle, so that various control, localization, path planning and mapping algorithms could be developed and tested. Both simulation and experimental results of different path following scenarios for the vehicle is presented in the last chapter of this thesis. Results of these case studies satisfied the requirements of the thesis.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    629687

    Kapalı alanlarda konum belirleme için ROS tabanlı yüksek hassasiyetli veri toplama sistemi tasarımı ve uygulaması

    Design and implementation of ROS based high precision data collection system for determination of location in indoor areas

    MUHAMMET ALİ YÜCE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKocaeli Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ALPASLAN BURAK İNNER

  2. Tez No

    798382

    ROS tabanlı mobil robotun yapımı ve yönetimi

    Construction and management of ROS based mobile robot

    MELİH KORKMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBursa Teknik Üniversitesi

    Akıllı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İZZET FATİH ŞENTÜRK

  3. Tez No

    611600

    Design and control of a mobile autonomous library robot

    Mobil otonom kütüphane robotunun tasarımı ve kontrolü

    ANIL AKKIZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERDİNÇ ALTUĞ

  4. Tez No

    572655

    Design and robot operating system based control of a modular robot manipulator

    Modüler robot manipülatör tasarımı ve robot işletim sistemi tabanlı kontrolü

    AYTAÇ KAHVECİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Mekatronik Mühendisliğiİzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGÜN BAŞER

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ERKİN GEZGİN

  5. Tez No

    733576

    Designing an obstacle detection and avoidance system using a 2D LIDAR and a stereo camera for autonomous vehicles

    Otonom araçlar için 2D LIDAR ve stereo kamera kullanarak engel tespiti ve kaçınma sistemi tasarımı

    ZEYNEP YASEMİN ERDOĞAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÇukurova Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ULUS ÇEVİK

Geri Dön