Otonom bir nöbetçi robot prototipinin tasarımı ve LQRtabanlı bulanık-sinir ağlarıyla hedef izleme kontrolünün gerçekleştirilmesi
Design of an autonomous sentry robot prototype and realization of target tracking control with LQR based fuzzy-neural networks
Yazar: BİLAL COŞKUN
Danışman: PROF. DR. MUAMMER GÖKBULUT
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Kumanda Sistemleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Sınır hatlarını veya hassas güvenlik bölgelerini korumak günümüzde önemli bir problemdir. Bu amaçla nöbetçi robotların kullanımı bazı potansiyel avantajlar sağlamaktadır. Nöbetçi robot ve bu kategoride değerlendirilen sistemler tarafından algılanan hedefin hassas bir şekilde takip edilmesi kritik öneme sahiptir. Eksen hareketlerinin tahrikinde kullanılan sürekli mıknatıslı senkron motorlar (SMSM) yüksek verim, güç yoğunluklarının fazla olması, sağlam yapıda olmaları gibi sebeplerden dolayı bu çalışmada tercih edilmiştir. Bununla birlikte bu motorların sahip oldukları doğrusal olmayan dinamikler ve yük torku bozucuları bu motorların hassas kontrolünü kısıtlar.
Bu tez çalışmasında iki eksende hedef takibi yapabilen, eksen tahrikinde SMSM'ler kullanan nöbetçi bir robot prototipi tasarlanmış ve lineer quadratik regülatör (Linear quadratic regülatör-LQR) tabanlı bulanık sinir ağı çıkarım sistemi (Adaptive neuro-fuzzy inference system-ANFIS) kontrolör ile hassas konum kontrolü gerçekleştirilmiştir. Ayrıca yük torkundan kaynaklanan bozulmaların minimize edilmesi amacıyla ANFIS tabanlı yük torku gözleyici tasarlanarak kontrol sistemi daha dayanıklı hale getirilmiştir.
Farklı LQR kontrolör yapıları için Matlab/SIMULINK ortamında yapılan benzetim çalışlarından elde edilen verilerle ANFIS tabanlı kontrolör ve tork gözleyici tasarımları gerçekleştirilmiştir. Sistemin hedef takip performansını değerlendirmek amacıyla iki eksende girilen referans konum bilgilerine göre eksen hareketleri incelenmiştir. Devamında Matlab/SIMULINK Open CV eklentisi yüz takip algoritması vasıtasıyla hedefin konum bilgileri gerçek zamanlı olarak elde edilmiş ve konum bilgilerine göre nöbetçi robotun hedefi yüksek hassasiyet ile izlemesi başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Protecting border lines or sensitive security areas is an important problem today. The use of sentry robots for this purpose provides some potential advantages. It is critical to precisely track the target detected by the sentry robot and the systems evaluated in this category. Permanent magnet synchronous motors (SMSM) used in the drive of axis movements were preferred in this study due to their high efficiency, high power density, and robust structure. However, the nonlinear dynamics and load torque disturbances of these motors restrict the precise control of these motors.
In this thesis study, a sentry robot prototype that can track targets in two axes and uses SMSMs in the axis drive was designed and sensitive with a LQR based ANFIS controller. position control has been carried out. In addition, in order to minimize distortions caused by load torque, an ANFIS-based load torque observer has been designed and the control system has been made more durable.
ANFIS-based controller and torque observer designs were realized with the data obtained from simulation studies in Matlab/SIMULINK environment for different LQR controller structures. In order to evaluate the target tracking performance of the system, axis movements were examined according to the reference position information entered in two axes. Subsequently, the location information of the target was obtained in real time through the face tracking algorithm of the Matlab/SIMULINK Open CV plug-in, and the sentry robot was successfully able to track the target with high precision according to the location information.