PID ve Bulanık Mantık Kontrol Sistemleri ile İki Tekerlekli Kendini Dengeleyebilen Robotik Sistem Tasarımı

Bu çalışmada, iki tekerlekli kendini dengeleyebilen robotik sistemin tasarımı ve kontrol yöntemleri üzerine çalışılmıştır. Ters sarkaç sistemiyle aynı prensibe sahip olan iki tekerlekli kendini dengeleyebilen robotik sistemlerin kontrolü, PID ve bulanık mantık kontrol sistemi ile sağlanmıştır. Matlab Simulink yardımıyla blok diyagramları oluşturulup sonuçlar karşılaştırılmıştır. Giriş olarak motorlardaki elektrik girişi ve çıkış olarak sistemin açısal değişimi kabul edilmiştir. Matematiksel modeller Kirchhoff voltaj ve Newton hareket yasalarından elde edilmiştir. Nonlineer denklemleri lineer hale getirip, sistemin durum uzay matrisine ulaşılmıştır. Tasarlanan iki tekerlekli robotik sistem, ters sarkaç mantığına göre kendini dengeye getirebilmektedir. Sistem denge pozisyonundayken, gövdenin açısal hareket yapmasıyla sistemin ağırlık merkezi değişmektedir. Ağırlık merkezindeki değişim ivmeölçer ile programlayıcıya geri besleme yaparak iletilir. Programlayıcı da motor sürücülerine yetki vererek sistemin tekerleklerine gerekli hareketi sağlar. Böylece sistem, kendini tekrardan denge pozisyonuna getirir. Sonuçlara göre, PID kontrolcünün bulanık mantık kontrolcüye göre sistemin denge ve konum kontrolünde daha iyi olduğu anlaşılmıştır. Prototip üretimi için ise, Arduino Uno kart, Mpu 6050 sensör, motorlar, motor sürücüsü, güç kaynağı ve şase için makrolon malzemeler kullanılmıştır.

Anahtar Kelimeler:

Ters Sarkaç Sistemi, Kendi Kendini Dengeleme, Segway, Bulanık Mantık Kontrol Sistemi, PID Kontrol Sistemi

PDF

___

[1] Grasser F., D’Arrigo A., Colombi S., Rufer A. C., 2002. JOE: a mobile, inverted pendulum. IEEE Trans. Ind. Electron., 49(1), 107–114.
[2] Anderson D. P., nBot, a two wheel balancing robot. http://www.geology.smu.edu/~dpa-www/robo/nbot/ (Ziyaret tarihi: 30 Mart 2018).
[3] Hassenplug S., Steve’s LegWay. http://www. teamhassenplug.org/robots/legway/. (Ziyaret tarihi: 30 Mart 2018)
[4] Umay Y., 2018. İki Tekerlekli Kendini Dengeleyebilen Mobil Bir Aracın Kontrolü. Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri, Elazığ, 523375
[5] Pathak K., Franch J., Agrawal S.K., 2005. Velocity and position control of a wheeled inverted pendulum by partial feedback linearization. IEEE Transactions on Robotics, 21(3), 505-513.
[6] Charles E. Forrest Jr., 2006. A Neural Network Control System for the Segway Robotic Mobility Platform. Thesis of Master of Graduate Faculty of North Carolina State University.
[7] Kim Y., Kim S.H., Kwak Y.K., 2006. Improving Driving Ability for a Two-Wheeled Inverted-Pendulum-Type Autonomous Vehicle. Proceedings of the IMechE Part D Journal of Automobile Engineering, 220(2), 165-175.
[8] Nawawi S.W., Ahmad, M.N., Osman J.H.S., 2007. Development of a two-wheeled inverted pendulum mobile robot. 2007 5th Student Conference on Research and Development, Selangor, Malaysia, 2007, pp. 1-5.
[9] Jeong S.H., Takahashi T., 2007. Wheeled inverted pendulum type assistant robot: inverted mobile, standing, and sitting motions. 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, San Diego, CA, 2007, pp. 1932-1937.
[10] Li Z., Xu C., 2009. Adaptive Bulanık mantık control of dynamic balance and motion for wheeled inverted pendulums. Fuzzy Sets and Systems, 160(12), 1787 - 1803.
[11] Chung-Neng Huang., 2010. The Development of Self-Balancing Controller for One-Wheeled Vehicles, Published Online April 2010 (http://www.SciRP.org/journal/eng).
[12] Li J., Gao X., Huang Q., Du Q., Duan X., 2007. Mechanical design and dynamic modeling of a two-wheeled inverted pendulum mobile robot. 2007 IEEE International Conference on Automation and Logistics, Jinan, China, 2007, pp. 1614-1619.
[13] Hasan M., Saha C., Rahman M., Sarker M., Aditya S., 2012. Balancing of an Inverted Pendulum Using PD Controller. Dhaka University Journal of Science, 60(1), 115-120.
[14] Xu J.X., Gao Z.Q., Lee T. H., 2014. Design and Implementation of Integral Sliding-Mode Control on an Underactuated Two-Wheeled Mobile Robot. IEEE Trans. Ind. Electron., 61(7), 3671–3681.
[15] Polat B.Denge Robotu Tasarımı ve Modellenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri, Elazığ, 2018,524841
[16] Ho Yoo H.and Jae Choi B., 2015. Design of Simple-Structured Fuzzy Logic Systems for Segway-Type Mobile Robot. IJFIS, 15(4), 232-239.