Mikromobilitede otonom dengeleme için jiroskopik stabilizasyon modülü tasarımı ve kontrolü
Design and control of gyroscopic stabilization module for self-balancing on micromobility
Yazar: ÜLKER BETÜL YAVUZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ GAZİ AKGÜN
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Mikro-mobilitenin popülerleşmesi ve teknolojinin gelişmesiyle birlikte otonom mikro-mobilite araştırma konusu haline gelmiştir. İnsansız hava, kara, deniz vb. araçlarda yapılan çalışmalarda önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Fakat otomobillere kıyasla mikro-mobilitede, özellikle düşük hızlarda denge problemi yaşanmaktadır. Bu sebeple bisiklet, scooter gibi tek hatlı araçlar sadece insansız sürüşü değil aynı zamanda otonom dengelemeyi de gerektirmektedir. Kendi kendini dengeleyen iki tekerlekli bir araç elde etmenin birçok yolu vardır. Bu projede, daha önce yapılan araştırmalar ışığında; yüksek miktarda jiroskopik tork sağlaması, tepki süresinin kısa olması ve araç hareketsizken bile sistemin stabil kalabilmesi nedeniyle jiroskopik stabilizatör olarak da bilinen Kontrol Momenti Jiroskopu (CMG) dengeleme yöntemi ele alınmıştır. Sistem, Fırçasız Doğru Akım (BLDC) motoruyla dönen bir rotor ve rotorun açısal momentumuna eğim veren bir gimbal (yalpa) ekseninden oluşmaktadır. Sistemin devrilme torku ile serbest konumdaki gimbal ekseninde bir açı oluşmakta ve bu sebeple rotorun açısal momentumunun yönünde değişim olmaktadır. Dönen rotorun açısal momentumda oluşan bu değişiklik ile sistemin eğimine karşı koymaya çalışan, "presesyon" olarak bilinen jiroskopik bir reaksiyon torku oluşur. Aracı dik konumda stabilize etmek için bu presesyon torku kullanılır. Araç tekrar denge konumuna gelene kadar bu döngü devam eder. MATLAB simülasyonları ve deneysel çalışmalar ile rotorun eylemsizlik momenti, hızı vb. değişkenlerin presesyon torkuna etkileri incelenmiş ve sitemi dengede tutabilecek uygun tasarım gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
With the growing popularity of micro-mobility and advancements in technology, autonomous micro-mobility has emerged as a prominent research area. This encompasses unmanned aerial, land, and sea vehicles, among others. Substantial progress has been achieved in vehicle research across these domains. However, when compared to conventional automobiles, micro-mobility faces a distinctive challenge maintaining balance, especially at low speeds. Consequently, single-track vehicles like bicycles and scooters require not only autonomous navigation but also autonomous balancing. Various approaches exist to achieve self-balancing for two-wheeled vehicles. In this project, building upon prior research, we delve into the Control Moment Gyro (CMG) balancing method, commonly referred to as the gyroscopic stabilizer. This approach offers a substantial amount of gyroscopic torque, quick response times, and the ability to maintain stability even when the vehicle is stationary. The system comprises a rotor driven by a Brushless Direct Current (BLDC) motor, coupled with a gimbal axis that manages the rotor's angular momentum. The system utilizes the tilting torque to create an angle in the gimbal axis's free position, thereby inducing a change in the rotor's angular momentum direction. This change generates a gyroscopic reaction torque known as "precession," which acts to counteract the system's tilt. This precession torque effectively stabilizes the vehicle in an upright position. This feedback loop persists until the vehicle regains equilibrium. Through MATLAB simulations and experimental studies, factors such as the rotor's moment of inertia and speed were investigated, evaluating their effects on the precession torque. Subsequently, a suitable design was devised to maintain system balance.