Dört mekanum tekerli bir mobil robotun tekerlek temas kuvvetlerinin dikkate alınarak kontrolü
Control of a mobile robot with four mecanum wheels considering variable wheel contact forces
Yazar: CAN TEZEL
Danışman: PROF. GÖKHAN BAYAR
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Literatürde sunulan mekanum silindirler, tekerlekler ve mekanum tekerlekli mobil robotların modelleme yapıları, tek temas kuvveti varsayımını kullanır. Bu varsayım simülasyon ortamında iyi sonuçlar verebilir ancak gerçeği yansıtacak kadar güçlü değildir. Hareket modelinde tek bir temas kuvveti varsayımı kullanıldığında, mekanum tekerlekli bir mobil robotun referans yörünge izleme görevinde elde edilen hatalar, güçlü bir kontrolcü kullanılarak en aza indirilmelidir. Ayrıca, tek temas kuvveti varsayımının kullanılması, silindirlerin kavisli şekli nedeniyle oluşan kaymayı ortadan kaldırır. Bu varsayım, silindir ile zemin arasındaki temasın tek bir noktada meydana geldiğini ve bunun da büyük modelleme ve konum tahmin hataları oluşturduğunu varsaymaktadır. Bu çalışmada iyileştirme yapmak için mekanum tekerlek modeline yeni bir bakış açısı önerilmiştir. Önerilen model, değişken silindir temas kuvvetlerini hesaba katar ve bunların mekanum tekerlekli bir mobil robotun hareket performansı üzerindeki etkilerini araştırır. Her silindirin kavisli şekli üzerindeki tüm noktaları kullanır, böylece gerçek zamanlı işlemlerde daha az konum tahmini sonucu elde etmeyi mümkün kılan kayma olgusu da dikkate alınır. Tanıtılan modelleme yapısı hem simülasyonda hem de gerçek uygulamalarda gerçeği yansıtmayı amaçlamaktadır. Bu çalışma için Robot İşletim Sistemi (ROS) tabanlı bir simülasyon ortamı geliştirilmiştir. Doğrulama yapabilmek için dört mekanum tekerlekli mobil robot, mekanik ve elektriksel donanım ve yazılım altyapıları ile yer gerçeği sisteminden oluşan bir deney düzeneği tasarlanmış ve inşa edilmiştir. Hem simülasyon hem de deneysel çalışmalarda önerilen modelin performansını test etmek için düz çizgi, kare şekilli, Z şekilli, dalga şekilli ve daire şekilli gibi farklı referans yörünge türleri kullanılmaktadır. Testler ayrıca karşılaştırma yapabilmek için tek temas kuvveti varsayımını içeren model kullanılarak yapılmıştır. Açık döngü ve kapalı döngü çalışmaları ayrı ayrı yapılmıştır. Önerilen modeli kullanan model tahminli kontrolcü geleneksel PID ve sabit temas kuvvetleri modeli kullanan MPC ile karşılaştırılmıştır. Önerilen değişken temas kuvvetleri modeli, geliştirilen simülasyon ortamı, kurulan deney düzeneği, simülasyon ve deneysel çalışmaların detayları, sonuçları ve karşılaştırmaları bu bildiride verilmektedir.

Abstract:
The modelling structures of the rollers, mecanum wheels and mecanum wheeled mobile robots presented in the literature use single contact force assumption. This assumption may give good results in a simulation environment however it is not strong enough to reflect reality. The errors obtained in a reference trajectory tracking task of a mecanum wheeled mobile robot should be minimized by the use of a powerful controller when a single contact force assumption is used in the motion model. Furthermore, the use of single contact force assumption eliminates the slippage which occurs due to the curved shape of the rollers. This assumption considers that the contact between the roller and ground occurs in a single point which creates huge modelling and position estimation errors. In order to make an improvement, a new aspect of mecanum wheel model is proposed in this study. The model proposed takes the variable roller contact forces into account and investigates their effects on the performance of the motion of a mecanum wheeled mobile robot. It uses all the points on each roller's curved shape so that the slippage phenomena is also taken into consideration which makes it possible to get less position estimation errors in real-time operations. The modelling structure introduced aims to reflect reality both in simulation and real applications. A Robot Operating System (ROS) based simulation environment is developed for this study. To make verification, an experimental setup including a four-mecanum-wheeled mobile robot, its mechanical and electrical hardware and software infrastructures and a ground truth system are designed and constructed. Different types of reference trajectories including straight-line, square-shaped, Z-shaped, S-shaped are used to test the performance of the model proposed in both simulation and experimental studies. The tests are also conducted using the model that involves single contact force assumption so as to make comparisons. Open-loop and closed-loop studies were conducted separately. The model predictive controller using the proposed model is compared with a traditional PID and a MPC using constant contact forces model. The details of the variable contact forces model proposed, simulation environment developed, experimental setup built, simulation and experimental studies, their results and comparisons are given in this paper.