Dört tekerden tahrikli mobil robotta kazanç planlamalı ve katmanlı PID ile hız ve pozisyon kontrolü
Speed and position control of four wheel driven mobile robot with gain scheduledand cascaded PID
Yazar: ALİ ERKAM IŞIK
Danışman: PROF. DR. ALİ BÜLENT UŞAKLI
KTO Karatay Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Denetim sistemleri = Control systems ; Hareketli robotlar = Mobile robots ; Katmanlı üretim = Additive manufacturing ; PID = PID

Özet:
Son yıllarda mobil robotların endüstri, savunma, keşif ve tarım gibi alanlarda sıklıkla kullanılmaya başlanmasıyla, ihtiyaca yönelik farklı mobil robot konfigürasyonları ve kontrol yöntemleri geliştirilmiştir. İki, üç, dört ve altı tekerden tahrikli, kayma ve bağımsız yönlendirmeli mobil robotlar bu konfigürasyonlara örnek olarak gösterilebilir. Her bir konfigürasyonun kullanım alanları farklılıklar göstermekte ve birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Örneğin dört tekerden tahrikli mobil robotlar, iki ve üç tekere sahip mobil robotlara nazaran engebeli arazilerde daha iyi performans göstermektedir. Bununla birlikte bu konfigürasyondaki mobil robotlarda en sık karşılaşılan sorunlardan bir tanesi kayma sorunudur. Kayma sorunundan dolayı, kinematik hesaplamalar sonucunda üretilen kontrol çıktıları mobil robotun kontrolünde tek başına yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle araştırmacılar mobil robotun performansını arttırmak için farklı kontrolcüler ve algoritmalar geliştirmişlerdir. Bu tez çalışmasında dört tekerden tahrikli kayma yönlendirmeli mobil robotun kazanç planlamalı ve katmanlı PID kontrolcü ile hız ve pozisyon kontrolü için yeni bir yaklaşım geliştirilmiştir. Enkoder verileri ve atalet ölçüm birimlerinden elde edilen verilerin anlamlı bir şekilde yorumlanması sonucunda pozisyon takibinde doğruluk arttırılmış, geliştirilen kazanç planlamalı katmanlı PID kontrolcü ile robotun pozisyon hassasiyetinin arttığı gözlemlenmiştir. Yapılan deneylerde tek bir kontrolcünün tüm çalışma koşullarında sistemin kararlılığını koruyamadığı gözlemlenmiştir. Bu soruna çözüm olarak kullanılan kazanç planlama algoritması ile mobil robota farklı çalışma koşullarında kararlılığını korumak için esneklik kazandırılmıştır. Klasik PID kontrolcü yapısında pozisyon kontrolü yapılırken, hız denetimini yapan ara kontrol mekanizmasının olmaması, mobil robotta kayma ve nihai yönelme açısında bozulmalara sebep olmaktadır. Katmanlı PID kontrolcü yapısı ile pozisyon kontrolü yapılırken hız kontrolünün yapılması sağlanmıştır. Bu yaklaşımla pozisyon ve hız kontrolü birbirinden bağımsız hâle getirilmiştir. Yapılan çalışmaların doğruluk testleri, hazırlanan test senaryolarına göre yapılmıştır. Sonuçlar klasik PID kontrolcü ile kıyaslandığında; 100, 200 ve 400 cm için yapılan doğru boyunca hareket testlerinde klasik PID kontrolcüde karşılaşılan aşım ve salınım sorunu azaltılmıştır. Bu testlerde yaklaşık %2 iyileşme sağlanmıştır. 45, 90, 180, 270 ve 360 nokta dönüşlerinde ise klasik PID kontrolcüde meydana gelen kalıcı durum hatasında yaklaşık %2 iyileşme sağlanmıştır. Kare güzergâh takibi testlerinde ise nihai pozisyon hatası 10 cm'nin altına indirilmiştir.

Abstract:
In recent years, with the frequent use of mobile robots in areas such as industry, defense exploration and agriculture, different mobile robot configurations and control methods have been developed. Two-, three-, four-, and six-wheel driven, skid and independent steered mobile robots are examples of these configurations. Usage areas of each configuration vary and have advantages and disadvantages compared to each other. As an example, mobile robots with four-wheel drive performs better on rough terrain than mobile robots with two- and three-wheel. However, one of the most common problems in the mentioned mobile robot configuration is slip problem. Due to slip problem, control outputs produced by kinematic calculations are insufficient for the control of mobile robot alone. For this reason, researchers have developed different controllers and algorithms to increase the performance of the mobile robot. In this thesis, a new system has been developed for speed and position control of a four-wheel driven skid-steer mobile robot with a PID controller. As a result of the meaningful interpretation of the encoder data and the data obtained from the inertial measurement units, the accuracy in position tracking has been increased and studies have been carried out on the gain scheduled cascaded PID controller and position accuracy of mobile robot has been increased. In the tests, it was observed that a single controller could not maintain the stability of the system under all operating conditions, and the gain scheduling algorithm used as a solution to this problem gave the mobile robot flexibility to maintain stability in different operating conditions. While position control is performed in the classical PID controller structure, the absence of an intermediate control mechanism that controls the speed causes slippage and deterioration in the final orientation angle of the mobile robot. With the cascaded PID controller structure, speed control is provided while position control is performed. With this approach, position and speed control are made independent from each other. Accuracy tests of the studies were carried out according to the prepared test scenarios. When the results are compared with the classical PID controller; in the linear motion tests for 100, 200 and 400 cm, the overshoot and oscillation problem encountered in the classical PID controller has been reduced. Approximately 2% improvement was achieved in these tests. In the 45, 90, 180, 270 and point turns, approximately 2% improvement was achieved in the steady state error that occurred in the classical PID controller. In the square path tracking tests, the final position error was reduced below 10 cm.