Dört tekerlekten tahrik edilen yanal kayma ile yönlendirilen bir mobil robotun tasarımı ve dayanıklı hareket kontrolü
Design and robust motion control of a four wheel drive skid-steered mobile robot
Yazar: SERCAN ARSLAN
Danışman: PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control
Dizin: Hareket denetimi = Motion control ; Hareketli robotlar = Mobile robots ; Kontrol mühendisliği = Control engineering ; Kontrol teorisi = Control theory

Özet:
Bu çalışmada, İstanbul Teknik Üniversitesi Elektrik Elektronik Fakültesi Kontrol Mühendisliği Bölümü Robotik Laboratuvarı tarafından yürütülmekte olan, Eş Zamanlı Konum Belirleme ve Haritalama (EZKH) probleminin çözümüne yönelik 110E194 numaralı TÜBİTAK destekli bir bilimsel araştırma projesi kapsamında dış ortamlarda kullanılmak üzere geliştirilen dört tekerlekten tahrik edilen yanal kayma ile yönlendirilen bir mobil robotun (4TT YKYMR) tasarımı ve dayanıklı hareket kontrolü ele alınmıştır. YKYMR'ler diferansiyel sürüşlü mobil robotlar (DSMR) olarak bilinirler, mekanik bir yönlendirme sistemleri yoktur ve dayanıklı yapıları sayesinde dış ortamlarda, özellikle yumuşak ve engebeli arazi koşullarında kullanılmaya uygundurlar. Genellikle mobil robotların hareket kontrolü sadece kinematik düzeyde ele alınmakta ve aracın dinamik özellikleri tamamen ihmal edilmektedir. Holonomik olmayan bir takım kısıtlar altında elde edilen kinematik model tabanlı bir yaklaşım ile kontrol, kısıtlar bozulduğunda geçerliliğini kaybetmektedir. Bu durumda izlenecek iki yol vardır. Birincisi kısıtların bozulması durumunu ele alınan uyarlamalı bir yaklaşım diğeri ise araç dinamiklerinin göz önünde bulundurulduğu mobil robotun dinamik modeli tabanlı bir yaklaşım. Bu çalışmada, araç kinematiği ve dinamiğinin bir arada ele alındığı bir yaklaşım üzerinde durulmuştur. Bu bağlamda dayanıklı bir hareket kontrol sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen bu hareket kontrol sistemi tipik bir servo motor kontrol sistemine benzer yapıda iki alt sistemden oluşturulmuştur. Kinematik seviyede, aracın holonomik olmayan kısıtlarını sağlayan sürekli tahrik edilen kabul edilebilir referans yörüngeleri için yörünge takip hatasını orijinde asimptotik kararlılaştıran vektör alanı yönlendirmesi (VFO) yöntemi tabanlı bir yörünge kontrolcüsü bulunmaktadır. VFO en genel haliyle yöneltme ve itme olmak üzere iki alt süreçten oluşan geometrik bir yaklaşımdır. Burada tek parametreli yönelten kontrol yerine PID+ çok parametreli yönelten kontrol kullanılması önerilmiştir. Bu sayede aracın daha yumuşak ve düzgün bir yörünge izleyebilmesi mümkün olmuştur. Dinamik seviyede ise, görevi yörünge kontrolcüsünden gelen yardımcı hız referansını takip etmek olan model tabanlı dayanıklı bir hız kontrol sistemi bulunmaktadır. Dinamik kontrolcü olarak ta adlandırılan bu alt kontrol sisteminde kayma kipli kontrol (SMC) yöntemi kullanılmıştır. SMC bozuculardan, parametreye bağımlı ve parametreden bağımsız değişimlerden ve modelleme hatalarından kaynaklanan etkilere karşı iyi performansı ile bilinen yüksek frekansta anahtarlama gerektiren bir dayanıklı kontrol yöntemidir. Bahsedilen kinematik kontrolcü ve dinamik kontrolcü alt sistemlerinin bir araya gelmesiyle meydana gelen yapıya mobil robotun hareket kontrol sistemi adı verilmektedir. Hareket kontrol sistemi mobil robotun istenen yörüngeyi takip etmesini sağlayan sistemdir. Ayrıca geliştirilmekte olan 4TT YKYMR platformunun güç ve kontrol sistemlerinin tasarımına katkıda bulunulmuştur. Mobil robot platformunda kullanılacak olan çeşitli sensör ve tahrik elemanlarının seçimi yapılmıştır. Bu çalışmada ayrıca tasarlanan mobil robotun dinamik modeline üç boyutlu (3B) bir bilgisayar programı ortamında benzetim yapılmıştır. Bu benzetim modeline, önerilen dayanıklı hareket kontrol sisteminin uygulaması yapılmıştır. Kontrol sisteminin kararlılığı ve dayanıklılığı simülasyon sonuçlarıyla da ortaya konmuştur. Geliştirilen dayanıklı hareket kontrol sisteminin, hesaplanmış tork yöntemi (CTM) tabanlı hız kontrolü yapılan bir hareket kontrol sistemi ile karşılaştırması yapılmıştır. CTM yönteminin model bağımlı olduğu ve aşırı parametre değişimlerinde iyi sonuç vermediği gösterilmiştir. Hız kontrol yasasına ilave edilen SMC teriminin bahsedilen bu etkilere karşı dayanıklı kontrol sağladığı gösterilmiştir. Ayrıca önerilen PID+ yönelten kontrol ile aracın daha düzgün bir yörünge izlediği simülasyon sonuçlarıyla da gösterilmiştir.

Abstract:
In this study design and robust motion control of a four wheel drive (4WD) skid-steered mobile robot (SSMR) is presented. A 4WD SSMR platform is being developed at the Robotics Laboratory of the Department of Control Engineering in the Faculty of Electrical and Electronics Engineering of Istanbul Technical University, under a scientific research project supported by the Scientific and Technological Research Council of Turkey (TÜBİTAK) with grant number 110E194. The scientific direction of this thesis is based on the robust motion control of an underactuated nonholonomic wheeled mobile robot (WMR) that is 4WD SSMR. SSMRs do not have a mechanical steering system so they are well-known for their robust structure on soft rough terrains. SSMRs have to skid in lateral direction in order to change the orientation of the vehicle. Because of their nature they are also known as differentially driven vehicles (DDVs). The structure of the motion control system developed within the scope of this study consists of two sub-systems which is similar to a typical servo motor control system. In kinematic level, the so-called trajectory tracking controller calculates an auxiliary velocity control signal to asymptotically stabilize persistently exciting admissible reference trajectories. In other words, kinematic trajectory tracking controller directs the actual vehicle to the reference vehicle with velocity commands. In dynamic level, the so-called velocity controller which is based on the dynamic model of the system, tracks the reference velocities considering the dynamic properties of the system such as mass, inertia, friction etc. The kinematic trajectory tracking controller is based on the Vector Field Orientation (VFO) method. VFO is a geometric approach consisting of orienting and pushing sub-processes. Here we propose a multi parameter PID+ orienting control strategy instead of the original single parameter one. The dynamic velocity controller is based on the conventional Computed Torque Method (CTM) and the Sliding Mode Control (SMC) technique. SMC method has a good reputation for its fast transient response and is a robust nonlinear control technique which deals with the uncertainties and fully rejects the disturbances. However it has negative side effects such as chattering and may excite high frequency dynamics possibly available in the system due to the fact that it requires high frequency switching. The motion control system is constructed by combining the two aforementioned sub-systems, the kinematic trajectory tracking controller and the dynamic velocity controller. Another aspect of this study is to contribute to the computer aided design (CAD) of a 4WD SSMR platform. In this context, contributions are made to the design of power and control systems of the vehicle. The CAD model of the mobile robot is simulated in a 3D realistic dynamic environment. Then the proposed robust motion control system is applied to the dynamic simulation model together with other motion control systems constructed of different control methods such as VFO, CTM and SMC. Simulation results are compared to analyze the control system performances. It is shown that the model dependent CTM performs well under uncertainties up to 25% but it has unacceptable performance after 30% parameter perturbations. Simulation results proved the stability and robustness of the motion control system which consists of the VFO based trajectory tracking controller and the SMC based velocity controller and the proposed multi parameter orienting control strategy has the advantage of smoother trajectory tracking.