Otomatik yönlendirmeli bir aracın gövde hızı ve gövde açısının gerçek zamanlı kontrolü
Real time speed and direction angle control of an automated guided vehicle
Yazar: ABDULLAH BAŞÇİ
Danışman: PROF. DR. ADNAN DERDİYOK
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Son yıllarda Otomatik Yönlendirmeli Araçlar (OYA) yük taşımada, gezegen keşiflerinde, madencilik ve askeri operasyonlar gibi birçok alanda kullanılmaktadır. OYA'ların geniş bir alanda yaygın olarak kullanılmasından dolayı bu araçların hareket ve yörünge kontrolü son yıllarda büyük ilgi görmüş ve birçok araştırmacı bu konuda çalışmalar yapmaktadır. OYA'ların işlevlerini etkili olarak yerine getirebilmeleri için iyi bir yörünge kontrolü ve konum belirleme yeteneğine sahip olmaları gerekmektedir. Bu da doğru ve hassas kontrol algoritması ile birlikte yüksek doğruluklu konum sensörlerinin kullanılması ile elde edilebilmektedir. Sensör kullanımı sistemin maliyeti, boyutu ve ağırlığının artmasına ve kablolama karmaşıklığı gibi problemlere neden olmaktadır. Tezin ilk kısmında bazı sistem dinamiklerinin ihmal edilmesinden dolayı oluşan belirsizlikler altında araç hareket ve yörünge kontrolü adaptif bulanık mantık (ABM) ve kesir dereceli PI (KD-PI) kontrolcüler ile gerçekleştirilmiştir. ABM ve KD-PI kontrolcü performansları, klasik PI kontrolcü ile karşılaştırılmış ve deneysel sonuçlar ABM ve KD-PI kontrolcülerin karmaşık referanslar, ani bozucu etki ve ekstra yük uygulanma durumları için daha az aşım, hızlı cevap ve daha iyi yörünge kontrolünü gerçekleştirdiğini göstermektedir. Tezin ikinci bölümünde, OYA'nın sensörsüz kontrolünü gerçekleştirmek için OYA'nın gövde hız ve açısını tahmin eden iki farklı gözlemci önerilmiştir. Sensörsüz kontrol, maliyet ve sistem boyutlarının düşürülmesinin yanında, sistem kurulumunu ve bakımını kolaylaştırması, konum sensörlerinin elimine edilmesinden dolayı ilgili kabloların bağlantılarından kaynaklanan problemlerin giderilmesi gibi avantajlara sahiptir. İlk olarak, motor gerçek ve tahmin edilen akımları ile araç kinematik modelini kullanan anahtarlamalı modda çalışan akım gözlemci önerilmiştir. Ardından araç hareketini sağlayan motor ve tekerlek düzeneğinin dinamik modelini kullanan parçacık filtre gözlemci geliştirilmiştir. Gözlemci performansları araç gerçek gövde hız ve açısı yerine gözlemci tarafından tahmin edilen gövde hız ve açısının kapalı çevrim kontrolünde kullanılması ile test edilmiş ve genişletilmiş Kalman filtresi ile karşılaştırılmıştır. Deneysel sonuçlar, anahtarlamalı modda çalışan gözlemci ve parçacık filtre gözlemcinin araç gerçek gövde hız ve açısı takibini genişletilmiş Kalman filtreye oranla daha az hata ile gerçekleştirdiğini göstermiştir.

Anahtar Kelimeler: OYA, yörünge kontrolü, adaptif bulanık mantık kontrol, kesir dereceli PI 
kontrol, sensörsüz kontrol, parçacık filtre.

Abstract:
Automated Guided Vehicles (AGVs) are recently used in various applications such as transportation, planetary exploration, mining and military operation. As AGVs have been increasingly used in a wide range of applications, research on motion and trajectory tracking control of AGVs has received great attention from researchers over the past two decades. In order for an AGV to function effectively, it must demonstrate excellent trajectory tracking control and localization capabilities. This is achieved by having accurate and responsive control algorithm as well as installation of high-precision position sensors. However, the installation of the position sensors has some drawbacks related to increasing cost, size, weight, and wiring complexity. In the first part of the thesis, an adaptive fuzzy controller (AFC) and fractional order PI (FO-PI) controller are proposed for robust motion and trajectory tracking control of AGV in the presence of uncertainties that arise from neglecting some of the system dynamics. The performance of the AFC and FO-PI is compared with conventional PI controller and experimental results show that, the AFC and FO-PI have fast response, less overshot and good tracking performance than the PI controller under complex references, sudden disturbance and extra load conditions. The second part of the thesis presents two observers which estimate speed and direction angle of the AGV for sensorless control. The sensorless control not only reduces the cost and size but also simplifies the procedures of system assembly and maintenance and, improves the reliability by eliminating the position sensor and related cabling connections. First, a switch mode current observer based on the measured and estimated currents and kinematic model of the AGV is introduced. Next, a particle filter observer based on the dynamic model of the independent actuators of left and right wheels of AGV is developed. The performance of the proposed observers is tested in the closed loop control of the AGV and compared with the extended Kalman filter. Experimental results show that the real velocity and direction angle of the vehicle are tracked better and the estimation errors are smaller when using the switch mode current observer and particle filter observer.

Keywords: AGV, trajectory tracking, adaptive fuzzy control, sensorless control, fractional 
order PI control, particle filter.