İki tekerlekli bir taşıtın dinamik analiz ve dengeleyicijiroskop tasarımı
Dynamic analysis of two wheeled vehicle and stabilizergyroscope design
Yazar: VEDAT KARAMAN
Danışman: DOÇ. DR. CİHAN DEMİR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Teorisi ve Kontrol Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
İnsanoğlunun yapmış olduğu teknoloji ürünlerinin içinde taşıtlar büyük bir öneme sahiptir. İcat edildikleri günden itibaren sürekli bir değişim ve gelişim içinde olan taşıtlar, farklı ihtiyaçlar doğrultusunda bu gelişime devam etmektedir. Taşıt teknolojisi konfor, hız, güvenlik, sağlamlık gibi ihtiyaçlardan dolayı sürekli araştırma konusu olmuştur. Taşıtların insan hayatını kolaylaştırma etkisi olmasının yanında, kalabalıklaşan toplumlarla beraber çeşitli problemlere sebep olduğu da bilinmektedir. Bu problemlere örnek olarak hava kirliliği, trafik kazaları, kalabalık şehirlerdeki trafik sıkışıklığı gösterilebilir. İnsan hayatının vazgeçilmezi haline gelen taşıtlardan kaynaklı sorunlara çözüm ve taşıtları geliştirmeye yönelik bilimsel çalışmalar devam etmektedir. Geleneksel dört tekerlekli taşıt yapısından farklı olarak, iki tekerlekli ve üç tekerlekli taşıtlar da mevcuttur. İki tekerlekli taşıtların kullanımı; küçük boyutlu olması, trafik problemini azaltıcı ve park sorununu giderici etkileri sebebi ile günümüzde önem kazanmıştır. Bunun yanında sürücü hatalarını en aza indirmek adına otonom taşıtlara olan ilgide günden güne artmaktadır. Bu çalışmada kullanıcı için önemli bir yere sahip olan iki tekerlekli taşıt modelinin denge problemine çözüm olarak jiroskop tasarımı sunulmuştur. Jiroskop-taşıt için matematiksel model oluşturup belirlenen sistem gereklilikleri göz önüne alınarak, kontrolcü tasarımı yapılmıştır. İlk olarak kutup yerleştirme yöntemi ile üç farklı kutup konumlarında durum geri besleme kontrolcü , daha sonra Bryson yöntemi ile başlangıç noktası seçimi yapılarak üç farklı ağırlık matrisi için doğrusal karesel düzenleyici [linear quadratic regulator (LQR)] kontrolcüler ve son olarak tavlama benzetimi
algoritması kullanılarak ağırlık matrisleri belirlenen LQR kontrolcüler tasarlanmıştır. Tasarlanan kontrolcülerin birim basamak cevapları, sistemin doğrusal modeli kullanılarak kıyaslanmıştır. Ayrıca tasarlanan kontrolcüler sistemin doğrusal olmayan modeli üzerinden, farklı başlangıç şartları doğrultusunda, performans açısından birbiri ile karşılaştırılmıştır. Amaç, jiroskobun devinim açısına göre daha iyi performans sunan kontrol stratejisini belirlemektir. Matlab ortamında yapılan simülasyon çalışmaları, jiroskop devinim açısı ile oluşan devrilmeye ters yönde torkun iki tekerlekli taşıtı dengelediğini göstermiştir. Ayrıca bahsedilen Matlab çalışmaları, tasarlanan kontrolcülerin taşıt sistemini başarıyla kontrol edebildiğini göstermektedir. Birim basamak cevapları üzerinden yapılan kıyaslamada kutup yerleştirme yöntemi ile tasarlanan seçim 2 ve seçim 3'ün sitemi kontrol edebildiği fakat sistem gerekliliklerini sağlamadığı, kutup yerleştirme seçim 1, LQR seçim 1,2,3 ve tavlama benzetimi ile ağırlık matrisleri belirlenen kontrolcülerin performans kriterlerini sağladığı tespit edilmiştir. Ek olarak disk dönme hızının, disk ağırlığının, disk yüksekliğinin sistem üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Deneysel çalışmalar ile teorik olarak yapılan simülasyon çalışmalarının sonuçları doğrultusunda iki tekerlekli taşıt denge problemini giderici jiroskopun uygulanabilirliği ve LQR yöntemi ile tasarlanan kontrolcünün kullanılabilirliği gösterilmiştir.

Abstract:
Vehicles have a great importance in the technological products made by human. Since the day they were invented, the vehicles that have been in a constant change and development which continues in line with different needs. Vehicle technologyhas always been the subject of research due to the needs such as comfort, speed, safety and durability. Besides the effects of vehicles to facilitate human life, it is known that it causes various problems together in crowded societies. These problems can be shown as examples, air pollution, traffic accidents, traffic congestion in crowded cities. Scientific studies are carried out to solve problems caused by vehicles and to develop vehicles that becoming indispensable to human life. Unlike the traditional four-wheeled vehicle structure, two-wheeled and threewheeled vehicles are also available. Use of two-wheeled vehicles; due to its small size, reducing the traffic problem and reducing the parking problem, it has gained
importance today. In addition, the interest in autonomous vehicles increases day by day to minimize driver errors. In addition, the interest in autonomous vehicles is increasing day by day to minimize driver errors. In this study, gyro design is presented as a solution to the balance problem of the two-wheeled vehicle model which has an important place for the user. For the gyroscope-vehicle, a
mathematical model was created and a controller design was made considering the system requirements. Firstly, state feedback controller at three different pole positions with pole insertion method, is designed then linear quadratic regulator controllers is designed for three different weight matrices by selecting the starting point with the Bryson method and finally LQR is designed using the simulated annealing algorithm to determine the weight matrices. The unit step responses of the designed controllers were compared using the linear model of the system. Also, the designed controllers were compared with each other in terms of performance according to different starting conditions via the nonlinear model of the system. Simulation studies in the Matlab environment has shown that gyroscope precession torque provides the balancing vehicle. In addition, Matlab
studies has clarified that the designed controllers can successfully control the vehicle system. In the comparison made over the unit step answers, it was determined that the selection 2 and the selection 3 designed with the poleplacement method could control the system but did not meet the system requirements, pole placement selection 1 LQR selection 1,2,3 and simulated annealing has been found to provide performance criteria. In addition, the effect of disc rotation speed, disc weight, disc height on the system was investigated. In line of the results of experimental studies and theoretical studies, applicability of gyroscope for two-wheeled vehicle balance problem and the availability of the controller designed with the LQR method have presented.