İki tekerlekli iki dönerkanat sistemine sahip melez robotik sistem tasarımı

Abstract

Tez kapsamında iki tekerlekli iki dönerkanat sistemine sahip melez robotik sistem yapısı ayrıntılarıyla açıklanmıştır. Bu çalışma, yerde seyredebilen, gerektiğinde dikey kalkış gerçekleştirip havada seyredebilen melez sistem projesinin ilk aşamasıdır. Fiziksel sistemin ilk tasarımını, matematiksel modele göre tasarlanmış çeşitli kontrol sistemlerini ve bu kontrol sistemlerinin benzetimlerini içermektedir. Sistem mekatronik tasarım prensiplerine göre tasarlanmış ve fiziksel olarak inşa edilmiştir. Eyleyiciler, algılayıcı sistemi, kontrol donanımı ve fiziksel yapı tasarımı konuları, matematiksel model ve kontrol sistem tasarımı süreçleri ile eş zamanlı olarak düşünülmüştür. Kara ve hava hareketleri için, doğrusal olmayan hareket denklemleri türetilmiştir ve bu denklemler durum uzayı biçiminde doğrusallaştırılmıştır. LQR ve hata uzayı yaklaşımı türünde kontrol sistemleri matematiksel model ve benzetimler kullanılarak tasarlanmıştır. Kara hareketi için LQR ve hata uzayı yaklaşımı türünde kontrol sistemleri tasarlanıp gerçek sistem üzerinde uygulanmıştır. Hava hareketi içinse PID ve LQR tipi kontrol sistemleri viiigerçek sistem üzerinde uygulanmıştır. Bu çalışmada, hava hareketi kısmında sistemin yönelim dinamiklerinin dengelenmesi düşünülmüştür. Tasarlanan kontrol sistemleri fiziksel sistem üzerinde uygulanmış ve deneysel olarak ayarlanmıştır. Kontrol sistemleri, Matlab ortamında geliştirilmiş ve gerçek zamanlı uygulaması Simulink arayüzü ile gerçekleştirilmiştir. Gömülü kontrolcü tasarımı ve uygulanması bu aşamada çalışmaya dahil edilmemiştir. Kara hareketinde, LQR ve PID tipi kontrol sistemleri sistemin davranışının kararlı hale getirilmesi için, hata uzay yaklaşımı ise referans takip kontrolü için kullanılmıştır. Hava hareketinde ise sistemin davranışının kararlı hale getirilmesi için LQR tipi kontrolcü kullanılmıştır. Hava ve Kara hareketleri kontrol sistemleri arasındaki geçiş, sistemin yer ile arasında olan mesafeyi ölçen bir mesafe ölçüm algılayıcısı ile sağlanması öngörülmüştür. Gerçekleştirilen deneyler, sistemin kara ve hava hareketlerinde davranışının dengelenebildiğini göstermektedir. Sistem kara ve hava hareketlerinde seyir kontrolünün gerçekleştirilmesine açıktır.

The design of the two wheeled twin rotored hybrid robot (TWTR) structure is explained in the thesis. This study is the initial phase of the project to reach a hybrid platform that can navigate on ground and hover and navigate in air whenever necessary. This initial phase includes the design of the initial version of the physical system and design of basic controllers depending on the mathematical models and simulations. The system is designed and physically constructed based on the mechatronics design principles. Selection of actuators, sensor set, and the control hardware and the physical structure design are all considered simultaneously with the mathematical model and controller design phases. Nonlinear equations of motion of the physical system are derived and linearized in state space form for both ground and flying modes of motion. Linear Quadratic Regulator (LQR) and Error Space Approach type of controllers are designed employing the mathematical model and simulations. For ground motion, LQR and Error Space Approach controllers are designed and implemented on the real system; whereas PID and LQR type control systems are designed and implemented for the flying motion of the real robotic platform. Stabilization of the attitude dynamics is considered for the flying motion in this study. Designed control systems are implemented on the physical system and the control parameters are tuned experimentally. The control system is developed in Matlab/Simulink and real time implementation is achieved by using Simulink Real Time Windows Target utility. Embedded controllers are not utilized in this first stage. Control systems are designed for the stabilization of the system and error space approach is applied for tracking a reference for the motion of the robot on ground. LQR?s are designed to stabilize the attitude dynamics of the robot for flying motion. Switching between the control systems on ground and in air modes are achieved using a proximity sensor that can sense the distance of the platform body to the ground. Experiments show that system can be stabilized on ground and the attitude dynamics can be stabilized in air. The system will be developed to fully guide on ground and in air.