Eyleyici, sensör hatalarına ve parametre belirsizliklerine sahip mobil robotların uyarlamalı hata tolerans kontrolü
Adaptive fault tolerant control of mobile robots having actuator, sensor faults and unknown parameters
Yazar: MUSTAFA AYYILDIZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT TİLKİ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Mekanik sistemler giderek daha karmaşık hale gelmesiyle hata tespit teorisi kontrol alanında uzun süredir yoğun bir çalışma konusu olmuştur. Bu sebeple tez çalışmasında dört farklı kontrol bloğu kullanılmıştır. Bunlar kinematik kontrolcü, yapay sinir ağı tabanlı uyarlanabilir geriadımlamalı kontrolcü, uyarlanabilir kayan kipli kontrolcü ve PID kontrolcüdür.
Son yıllarda, hassas denetim gerektiren görevlerde değişken yapılı (variable structure) kontrol algoritmalarının kullanımı artarak devam etmektedir. Bu kontrol yapılarının başında dış bozuculara karşı gürbüz olduğu bilinen kayan kipli kontrol yer almaktadır. Robotik sistemin (mobil robot, robot manipülatör, insansız hava aracı vb.) belirlenen referans yörüngeyi takibinde aktüatör hataları, sistem belirsizlikleri, sensör hataları gibi sebeplerden oluşan bozucu girişler sebebiyle takip edilen yörüngenin dışına çıkması ve hatta sistemin çalışmasının durması söz konusu olabilmektedir. Bu sebeple hata tolerans kontrolcüsü için seçilecek ideal sistemlerden biri olan kayan kipli kontrolcü gerçek uygulamalarda yeterli olmayabilir. Gerçek uygulamalarda robot parametrelerinin bilinmezliği, robot modelinin doğrusal olmaması ve dış bozulmalar denetleyicinin çalışmasını zorlayan faktörlerdir. Kayma durumunu koruyabilmek, belirsiz parametreler ve bozulmalardan kaynaklanan sorunları çözmek için uyarlanabilir bir yasa ile kayan kipli kontrolcü desteklenmelidir.
Yörünge takibinde robot, verilen bir başlangıç konumundan ve konfigürasyondan başlayarak kartezyen uzaydaki yörüngeye ulaşmalı ve yörüngeyi hatasız veya minimum hata ile takip etmelidir. Bu çalışmada, araç dinamiklerini ihmal eden ve direksiyon sistemine dayanan holonomik olmayan bir mobil robot için kararlı bir yörünge izleme denetleyicisi geliştirilmiştir. Mobil robotun tekerleklerine komut verilen referans hızlarının uygulanmasına izin veren bir kontrolcü yapısı olan kinematik kontrolcü tez çalışmasında önerilen bir diğer denetleyicidir. Kinematik kontrolcünün kazanç değerlerinin optimizasyonu için ekstra bir kontrolcüye tez kapsamında yer verilmiştir. Burada kullanılan kontrolcü yapısı yapay sinir ağı tabanlı uyarlanabilir geriadımlamalı denetleyicidir.
Lyapunov teorisi kullanılarak, mobil robotun oluşturulan dinamik ve kinematik model yapısı incelenmiş, izleme hatalarının kararlılığı ve yakınsaması kanıtlanmıştır.
Diferansiyel tahrikli mobil robot için doğrusal olmayan bir dinamik model tasarlanmıştır. Lagrange mekaniği yöntemi ile dinamik model formüle edilmiştir. Diferansiyel iki tahrik tekerlekli mobil robot dinamiği yapısındaki kinematik kısıtlamalara bir çözüm getirilerek, değiştirilmiş dinamik model oluşturulmuştur.
Kinematik model oluşturulurken aktüatör hataları tanımlanmıştır. Ayrıca kontrol sinyallerinin üzerine bozucu sinyaller uygulanmıştır. Tüm bu işlemlere rağmen mobil robot sistemi kararlı çalışmasını sürdürmüştür.
Mobil robotun parametre değerleri, kazançları, hata modellemesi ve yapay gürültü değerleri aynı tutularak PID denetleyicisi ile uyarlanabilir kayan kipli kontrolcü arasında karşılaştırma yapılmıştır. İki kontrolcünün simülasyon sonuçları tatmin edici performans göstermiştir. Matlab/Simulink ortamında gerçeklenen simülasyon sonuçları ile bu sistemin etkinliği kanıtlanmıştır.

Abstract:
Fault detection theory has long been the subject of intense study in the control field as mechanical systems become more complex. For this reason, four different control approaches have been proposed in the thesis study. These are kinematic controller, neural network based adaptive backstepping controller, adaptive sliding mode controller and PID controller.
In recent years, the use of variable structure control algorithms has been increasing in tasks that require precise control. At the beginning of these control structures is the sliding mode control, which is known to be robust against external disturbances. Some control strategies have been developed to solve various problems in robotic systems (mobile robot, manipulator robot, unmanned aerial vehicle, etc.) based on the sliding mode technique. Disruptive signals which occur due to the actuator and/or sensor faults and various reasons can be listed as the main problems of for the robots. The sliding mode controller which is one of the ideal systems to be selected for a fault tolerant controller cannot be sufficient in real time applications in case the robot parameters are unknown, and the robot model is nonlinear, and the overall system is subject to external disturbances. In this thesis, to maintain the sliding surface and solve the problem of unknown parameters, disturbances and faults, the sliding mode controller is supported by an adaptive law.
In trajectory tracking, the robot must reach and follow the reference trajectory in cartesian space, starting from the initial position and configuration. A stable trajectory tracking control rule for a non-holonomic mobile robot that neglects vehicle dynamics and relies on steering system is described in this thesis. The kinematic controller, which is a controller structure that allows the employ of commanded reference velocities to the wheels of the mobile robot, is another controller proposed in the thesis. An extra controller is included in the thesis for the optimization of the gain values of the kinematic controller. The controller structure used here is an artificial neural network based adaptive backstepping controller.
Using Lyapunov theory, the dynamic and kinematic model structure of the mobile robot is examined, the stability and convergence of tracking errors are proved.
A nonlinear dynamic model is designed for a differential drive mobile robot. The dynamic model is formulated with the Lagrangian mechanics method. A modified dynamic model structure is obtained by solving the kinematic constraints in the differential two-wheeled mobile robot dynamics structure.
Actuator faults are defined in the kinematic model structure. In addition to actuator faults, interference disturbance is added to the system by defining on top of the control signals. Despite all these processes, the mobile robot system continued can continue its stable movements.
Proposed controller structure is compared with PID controller by keeping the parameter values, gains, fault model and artificial disturbances values of the mobile robot the same. The simulation results of the two controllers showed satisfactory performance. The efficiency of this system has been proven with the simulation results realized in Matlab/Simulink environment.