İki tekerlekli denge araçları için geribeslemeli doğrusallaştırma tabanlı denetleyici tasarımı
Feedback linearization based controller design for two-wheeled balance vehicles
Yazar: EMRAH UZUN
Danışman: PROF. DR. OKAN BİNGÖL
Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan kontrol teorisi = Nonlinear control theory ; Geri beslemeli kontrol = Feedback control ; PID denetleme = PID control

Özet:
Bu tez çalışmasında iki tekerlekli kendini dengeleyen bir aracın denetimi gerçekleştirilmiştir. Aracın matematiksel modellemeleri enerji tabanlı Lagrangian yöntemi ile dinamik ve durum uzay denklemleri olarak oluşturulmuştur. İki tekerlekli denge aracı SolidWorks çizim ortamında 3 boyutlu olarak tasarımı gerçekleştirilmiş ve Matlab/Simulink ortamına aktarılmıştır. Araç Matlab/Simulink ortamında hazırlanan denetleyiciye bağlanarak 3 boyutlu ortamda denetimi yapılmıştır. Ayrıca ters sarkaç sisteminin eğim ve konumunu izleyebilmek için 2 boyutlu simülasyonu da gerçekleştirilmiştir. Aracın denetiminde konumunun yanında denge açısının, sol/sağ dönüş açısı ve hızının denetimi yapılmıştır. Bu denetimler esnasında motorlara aktarılması gereken enerji miktarı sürtünme enerjileri dâhil edilerek verilmiştir. İki tekerlekli denge aracının denetimi için tam durum geribeslemeli doğrusallaştırma, kutup atama ve lineer kuadratik regülatör denetim metotları kullanılmıştır. Kullanılan denetim metotlarının konum, denge açısı, hız ve motor tork değişimlerinin grafikleri verilerek karşılaştırmaları yapılmıştır. Yapılan karşılaştırmalarda geribeslemeli doğrusallaştırma yönteminin aynı şartlarda kutup atama ve lineer kuadratik regülatör' den daha iyi performans verdiği görülmüştür. Geribeslemeli doğrusallaştırma denetim yöntemi iki tekerlekli kendini dengeleyen aracı istenilen konuma götürmede diğerlerinden daha hızlı olmasının yanında denge açısındaki bozulma ise fazla olmamıştır. Lineer kuadratik regülatör 'ün düşük enerji kullanımının yanında performansının da düşük olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this thesis, a two-wheeled self-balancing vehicle was controlled. The mathematical models of the vehicle were created as dynamic and state space equations with the energy-based Lagrangian method. The two-wheeled balance vehicle was designed in 3D in the SolidWorks drawing environment and transferred to the Matlab/Simulink environment. The vehicle was connected to the controller prepared in the Matlab/Simulink environment and controlled in 3D environment. In addition, a 2D simulation of the inverted pendulum system has been carried out in order to monitor the tilt and position. In the control of the vehicle, besides its position, the balance angle, left/right turning angle and speed were checked. The amount of energy that needs to be transferred to the motors during these inspections is given by including the friction energies. Full state feedback linearization, pole placement and linear quadratic regulator control methods are used for the control of the two-wheeled balance vehicle. Comparisons of the control methods used were made by giving graphics of changes in position, balance angle, speed and motor torque. In the comparisons, it was seen that the feedback linearization method gave better performance than pole placement and linear quadratic regulator under the same conditions. The feedback linearization control method was faster than the others in taking the two-wheeled self-balancing vehicle to the desired location, and the deterioration in the balance angle was not much. It has been observed that the linear quadratic regulator has low performance as well as low energy use.