İnsansız bir yer aracının tasarımı ve GPS ile yörünge kontrolü

Otonom mobil robotlar, kendiliğinden hareket edebilen ve özel kılavuz donanım veya elektromekanik cihazlara ihtiyaç duymadan amaçlanan ortamlarda gezinme kabiliyetine sahip olan otomatik makinelerdir.Bu mobil robotlar giderek yaygınlaşmakta ve hemen hemen hayatın her alanında (ticari, endüstriyel, askeri, vb.) yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Bu çalışma insansız yer aracı olan bir otonom mobil robotun tasarım ve yörünge/yol takip kontrolünü içermektedir.Bu robot kendi kendine hareket etme yeteneğine sahip olup önceden tanımlanmış bir yörünge veya yol en küçük konum hatasına göre takip edebilir. Önceden tanımlı bir yörünge veya yolu takip edecek bu aracın hareketi konum ve hız seviyesinde bir geri beslemeli sistem ile kontrol edilecektir. Bu geri beslemeli kontrol sistemi aracın geçek konumu ve referans yörünge veya yol arasındaki konum hatasını telafi edecektir. Bu amaç için özerinde bazı düzenlemeler yapılmış klasik PD kontrol metodu mobil robotun kontrolünde kullanılacak olup bu tip manipülatörler için tasarlanmış literatürdeki diğer bir kontrol metodu ile karşılaştırılacaktır. Önce insansız yer aracı tüm parça ve sistemleri ile detaylı olarak bir bilgisayar tasarım programı tasarlanmıştır. Daha sonra bu tasarıma göre şase üretimi yapılıp gerekli tüm donanım ve cihazların montajı gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada tasarlanan kendinden tahrikli insansız yer aracı, iki arka tekerleği ayrı ayrı iki DC motorla tahrik edilen dört tekerden oluşmaktadır.Bu mobil robotun yönlendirilmesi ön taraftaki tekerlerden yapılmaktadır. Tasarımda ikisi boylamsal hareket için biri de aracın yönünü ayarlamak için toplam üç adet DC motor kullanılmaktadır. Bu DC motorlar redüktörlü olup 0-24 volt aralığında çalışmaktadırlar. Bu motorlar gerekli voltajları mikro kontrolcüden gelen kontrol voltajları ile ayarlanan sürücü kartları üzerinden almaktadırlar.Bu sistemde mikro kontrolcü olarak basit, ucuz ve programlaması kolay olan Arduino kartı kullanılmıştır. Bilgisayar ve mobil robot üzerindeki tüm cihazlarla olan haberleşmeler bir USB bağlantısına sahip Arduino kartı ile gerçekleştirilmiştir. Arduino 0 ile 5 volt arasında kontrol voltajı üreterek DC motor sürücüleri üzerinden volt gerilimini her bir DC motor için kontrol edebilmektedir. Aracın direksiyon sistemi bir tür kremayer dişli sistemi olup bir DC motor ile tahrik edilmektedir. Ön tekerleklerin dikey eksen etrafındaki açısal hızlarını ölçmek için yani dolaylı olarak dümenleme açısının değerini ölçmek için bir enkoder cihazı dümenleme DC motorunun çıkışına yerleştirilmiştir. Bu sistem aracın gerçek konumunu ve yönünü doğru olarak ölçmek için sensör olarak birer adet Küresel Konumlama Sistemi (GPS) cihazı, ataletsel ölçüm birimi (IMU), dijital pusula ve enkoder içermektedir. Tüm bu ölçülen veriler gerçek zamanlı olarak alınıp buna karşılık gelen gerçek konumu vermek için eşzamanlı olarak işlenmektedirler. Bu çalışmada insansız yer aracının davranışını tanımlamak için sadece kinematik bisiklet modeli kullanılarak araç modellenmiştir. Araç hafif olduğu ve yavaş hareket ettiği için modeldeki dinamik etkiler ihmal edilmiştir. Bisiklet modeli arka tekerleri ve ön tekerleri bir araya getirerek iki tekerlekli tek izli olarak dört teker aracı modelini basitleştirmiştir. Bu basitleştirilmiş kinematik modelde yanal kararlılık üzerine herhangi bir etkiye sahip olmamasından dolay aracın yanal boyutları ihmal edilmiştir. İstenilen referans rotaları takip edebilmek için insansız yer aracının konum, hız ve yönelimini kontrol edecek kinematik modele dayalı bir algoritma önerilmiştir. Teorik ve deneysel sonuçlara göre, değiştirilmiş PD kontrolcüyü kullanan önerilen kontrol sistemi istenilen yörünge veya yol takibinde aracın kontrolü işleminde oldukça etkin olduğunu kanıtlamıştır. Kontrol sisteminin etkinliğini kanıtlamak için, hem teorik hem de deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlar literatürdeki mobil robotun kontrolünde kullanılan kayan kip kontrol (SMC) yöntemi ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmanın sonuçları, önerilen sistemin konum hatası, hız kısıtlaması ve dümenleme açısına göre yüksek bir performansa sahip olduğunu göstermektedir. Teorik ve deneysel çalışmalarda, yörüngeler veya yollar iki boyutlu uzay eğrileri veya bilindik geometrik eğriler olarak tanımlanmışlardır. Bu eğrileri oluşturmak için kontrol noktaları Google Earth programı ile seçilmişlerdir. Mobil robotun pozisyon ve yönelimindeki hatalar (Xe, Ye, e) aracın anlık pozisyonu ve ilgili referans eğrisi karşılaştırılarak hesaplanmaktadır. Burada gerçek araç pozisyonu gerçek zamanlı uygulamalar için GPS / IMU entegrasyonu ile belirlenecektir. Tüm bu gerçek zamanlı testler, MATLAB yazılımı üzerine yazılan kullanıcı tanımlı programlar aracılığıyla gerçekleştirilmektedir. Bu benzetim sonuçları insansız yer aracının tasarım ve kontrolde ne denli başarılı olduğunu göstermektedir.