9
Arşivlenen Tez
0
DOI Atanmış
0%
DOI Oranı
Anabilim Dalı
Kesirli mertebe tek kutuplu sistem modeli için tam sayı mertebe PID kontrolör tasarımı
Kesirli mertebeden hesaplama türev mertebesi ve integral katının tamsayı olmadığı durumlar ile ilgilenir. Kesirli mertebeden türev operatörü için tam sayı n. mertebe türevin genel formülünün belirli kısıtlar altında n katlı integral tanımına karşılık düşürülmesiyle Grünwald-Letnikov tanımı elde edilmiştir. Kesirli mertebeden integral operatörü için ise tam sayı mertebe n katlı integralin genel formülünün belirli kısıtlar altında n. mertebe türev tanımına karşılık düşürülmesiyle Riemann-Liouville tanımı yapılmıştır. Caputo tanımı ise Riemann-Liouville tanımının Laplace bölgesinde başlangıç koşulları için daha anlamlı olmasını sağlamaktadır. Bu tanımlar literatürde kesirli mertebe türev ve integral operatörlerini ifade etmek için kullanılırlar. Kesirli mertebe operatörlerin fiziksel yorumu için tam sayı mertebe operatörlerde sabit bir şekilde akan zaman kavramına karşılık kesirli mertebe operatörlerde sabit bir şekilde akmayan zaman kavramı kullanılır. Bu sabit şekilde akmayan zaman için kozmik zaman tanımı yapılır. Geometrik yorum için ise fonksiyon, zaman ve kozmik zaman eksenlerine sahip üç boyutlu eğrinin fonksiyon-zaman düzlemine iz düşümü tam sayı mertebe integral olarak, fonksiyon-kozmik zaman düzlemine iz düşümü ise kesirli mertebe integral olarak çizimlerle gösterilir. Kesirli mertebe operatörlerin gerçeklenmesi için literatürde sıklıkla Oustaloup yaklaşımı kullanılır. Bu yaklaşımda seçilen bir frekans aralığı için kesirli mertebe operatörlerin frekans cevaplarını ifade edebilen tam sayı mertebe transfer fonksiyonları kullanılır. Tam sayı mertebeden yaklaşımın mertebesi 11 olarak seçildiğinde ilgili frekans aralığındaki frekans cevabı, kesirli operatörün frekans cevabını oldukça yakın bir şekilde temsil eder. Bu nedenle, literatürde Oustaloup yaklaşımın mertebesi sıklıkla 11 olarak seçilir. Kesirli mertebe hesaplama, mühendislik alanında uygulamaları açısından oldukça yeni bir konudur. Kontrol alanındaki problemlere uygulanması ilk olarak 1961 yılında Manabe tarafından yapılmıştır. Yapılan çeşitli çalışmalar ile tam sayı mertebe sistem modelleri ve kontrolörleri, kesirli mertebe sistem modelleri ve kontrolörleri için genelleştirilmiştir. Tam sayı mertebe sistemlerin modellenmesi ve kontrolörleri için önerilmiş olan katsayıları ayarlama yöntemleri, kesirli mertebeden sistemlerin modellenmesi ve kontrolör katsayılarının ayarlanması için de kullanılmaya başlanmıştır. Genelleşen bu kontrolörlerle gelen esneklik, kontrolörlerin katsayılarının ayarlanmasında karmaşıklığı da beraberinde getirmiştir. Bu karmaşıklığı çözmek için çalışmalar devam etmektedir. Bu tezde tam sayı mertebeden en basit sistem modeli olan birinci mertebeden sistem modeline karşılık gelen kesirli mertebe tek kutuplu sistem modeli ele alınmıştır. İlk olarak bu kesirli mertebe sistemde yer alan kesirli operatör için çeşitli mertebelerden Oustaloup açılımları kullanılarak, bu açılımların kesirli mertebeden modeli temsil edişlerindeki farklılıklar irdelenmiştir. Bu incelemeden yola çıkılarak ele alınan kesirli mertebe sistem için farklı tam sayı mertebe ters kontrolör yapıları önerilmiş ve çeşitli başarım kriterleri üzerinden kontrolör mertebesinin başarım üzerindeki etkisi incelenmiştir. Yüksek tamsayı mertebeden ters kontrolör yapılarının başarım ölçütlerini açısından son derece tatmin edici olacağı açıktır. Düşük mertebe açılımlara dayalı ters kontrolör yapılarının da, kesirli mertebe sistem yapısında çok sayıda bulunduğu düşünülen kutup ve sıfırların etkilerini ortalama bir şekilde giderebildiği ve başarım ölçütlerini oldukça üst seviyelerde sağladığı görülmüştür. Böylece kesirli mertebe sistem için son derece basit yapılara sahip olan tamsayı mertebeden kontrolörler elde edilmiştir. Bu kontrolörlerin parametreleri kesirli mertebe sistem model parametreleri ve ele alınan frekans aralığı cinsinden parametrik olarak belirlenmiştir. Daha sonra önerilen düşük mertebe ters kontrolörde bulunan baskın olmadığı düşünülen kutup ve sıfır çiftlerinin ihmal edilerek endüstride sıklıkla kullanılan tam sayı mertebeden PID kontrolörü önerilmiş ve kontrolör parametreleri yine kesirli mertebe sistem model parametreleri ve ele alınan frekans aralığı cinsinden belirlenmiştir. Yapılan çeşitli karşılaştırmalar ile önerilen tam sayı mertebe kontrolör yapılarının üstünlüğü gösterilmiştir. Önerilen bu tam sayı mertebe PID kontrolör tasarımı, çift tank sıvı seviye sistemi üzerine uygulanmıştır. Bu amaçla belirli çalışma bölgesinde sistemden elde edilen verilere uygun kesirli mertebe tek kutuplu model uydurulmuştur. Ayrıca tasarıma esneklik katması açısından kontrolöre kazanç parametresi eklenmiştir. Bu tasarım parametresi, hata işaretinin karesi ile kontrol işaretinin toplamı olan başarım ölçütüne göre büyük patlama büyük çöküş arama algoritması ile aratılmış ve tatmin edici sonuçlar alınmıştır.
İç ortamlarda 2 boyutlu mobil robot lokalizasyonu
Localization of an object is an important issue in order to achive navigation successfully. In this study, localization is used for a mobile robot navigation for indoor environment. A mobile robot is used in a wide range and also it has lots of missions. The mobile robot has to know its current poisition in order to perform its assignments such as path following, reaching target positon, etc. So, localization is a paramount case for a mobile robot in order to carry out its assignments. Localization with odometry technique is the most known in this area. Odometry is based on integration in order to find position parameters. So, this integration basis causes error parameter for each calculation. For each scan, the error paramater is added the previous error value and error is getting bigger with each environment. When the error increases, the difference between current position parameters and calculated position parameters also increase. Because of this, localization does not give reliable solution. In order to overcome this disadvantageous method, the necessity of new techniques occurs. One of the alternatives is scanning environment with a laser. To accomplish localization for mobile robots with laser scanning, position coordinates and rotation angle parameters are correlated during the process without any error parameters. In this study, localization technique for a mobile robot is performed for 2D indoor environment. In order to carry out this study, laser sensor is used to scan environment. When laser sensor scans environment and collect data, these data have to be transferred to the computer to process and apply localization procedure. The communation and transformation between laser sensor and computer is provided by serial interface RS422. In the computer, MATLAB programme is used to process data. The laser sensor scans the environment with 180̊ scanning angle and 1̊ resoluion. Thus, at the end of one scan 181 data point is transferred to MATLAB. First of all, these 181 points' are extracted to features with split and merge algorithm. So, less number of features are obtained instead of points. This split and merge algorithm is applied for each scan data. At the result of split and merge algorithm, there are feature maps for each scan. Features have to be associated between each consecutive two feature maps in order to obtain common fetaures. These common features provide calculating changes on the position in the next step, data relation. Data association is carried out by distance and angle algorithm. In this method, not for all features, only two chosen features for each maps are associated and the result is obtained via these features. At the end of this step, there is one couple random feature for the first map and another couple feature in the second map which correspond to the features in the first map. In this way, associated features are obtained. In the final step, it is known that which feature in the first map match which feature in the second map. Therefore, the changes between these associated features gives the changes for the position in the same time. These changes are deal with translational on x coordinate, translational on y coordinate and rotation. In this step first of all, it is assumed that the start point cartesian coordinates is known for the first map as a reference point (0,0) and also the rotation angle is 0. Thus, for the first consecutive scans, the difference is obtained according to this reference point assumption and calculated new position values. Then, for the second consecutive scan, the new position parameters is calculated with the previous position values. Finally, in order to obtain rotation and translational paramaters between two featıure sets 'MATLAB Estimate Geometric Transform' function is used. This function matches point pairs. Thus, current position can be calculated with these parameters with konwledge of translation from the reference point and also its rotation according to the reference point.
Mobil robot simülatörleri ve ileri seviye simülasyonlar
Bu çalışma kapsamında öncelikle robot kavramının tarihsel gelişimi incelenmiştir. Robot kelimesi ilk defa Karel Capek tarafından bir tiyatro oyununda kullanılmış olsa da robot fikrini kökeni Eski Yunan'a kadar uzanmaktadır. Gezgin Robotlar incelenmeden önce gezginlik kavramı tanımlanmıştır. Eğer gezginlik yeteneği yeteneği konum değiştirebilme yeteneği olarak tanımlanırsa; çeşitli eyleyiciler yardımıyla konumunu değiştirme yeteneğini sahip robotlara gezgin robot denir. Gezgin robotun kendisine verilen görevi yerine getirmek için bulunduğu ortamı algılamak zorundadır. Bu amaçla kullandığı birimlere algılayıcı denir. Gezgin robotların kullandığı algılayıcı türleri Kızılötesi Algılayıcılar, Ultrasonik Algılayıcılar, Laser Algılayıcılar, LIDAR'lar ve Kameralar olarak sıralanmıştır. Bu algılayıcıları türlerinin birbirlerine göre avantajları, dezavantajları araştırılmıştır. Robotik Simülatörlerin ne oldukları ve Robotik Simülatör kullanımının bir gezgin robotun gerçeklenmesinin hangi aşamasında ihtiyaç duyulduğu incelenmiştir. Robotik Simülatörü, zamandan ve maliyettten tasarruf edilmesi amacıyla robotlara yüklenecek gömülü yazılım uygulamalarının, fiziksel olarak robottan bağımsız olarak test edilmesi amacıyla kullanılan bilgisayar programlarıdır. Piyasada birden fazla robotik simülatörü bulunmaktadır. Bu robot simülatörlerinden başlıcaları V-Rep, Webots, MobileSim olarak sıralanabilir. Robotik simülatörleri, gerçekçi simülasyon amacıyla fizik motorları içermektedirler. Kullanıcılar robotik simülatörleri, içerisindeki tasarım araçlarını kullanarak kendi robotularını oluşturabilirler. Oluşturdukları robota kendi ihtiyacına uygun olan algılayıcıları ve eyleyicilere entegre edebilirler. Gezgin robotlar kendilerine verilen görevi yerine getirmeleri için etkin yol planlama algoritmalarına ihtiyaç duyarlar. Gezgin robotların gelişimi süresince yol planlama sorununun çözümü için pek çok farklı çözüm önerilmiştir. Bu çözüm önerilerinin kendine özgü artı ve eksileri bulunmaktadır. Yol planlama algoritmalarını çevrimiçi ve çevrimdışı olmak üzere ikiye bölebiliriz. Gezgin robotun izleyeceği yol, gezgin robot hareket halinde iken gerçek zamanlı olarak belirleniyor ise bu yol planlama algoritması çevrimiçi olarak adlandırılır. Gezgin robotun izleyeceği yol, Bu tez kapsamındaki çalışmada robotun önüne çıkacak engelleri başlangıçta bilmediği varsayılmaktadır bu nedenle kullanılacak yol planlama algoritmaları çevrim içi yol planlama algoritmaları arasından seçilmeleri uygun olur. Bu nedenle tez kapsamında programlaması pratik olan Bug algoritmaları ve Potansiyel Alanlar Yaklaşımı incelenmiştir. Simülasyon çalışmaları kapsamında ise daha önce tartışılan yol planlama algoritmaları incelenmiş ve LIDAR simülasyonu ile Benzerlik Alan Metodu uygulaması gerçekleştirilmiştir.
Demiryolu sinyalizasyonunda güvenilirlilik emre amadelik sürdürülebilirlik ve emniyet (RAMS) yönetimi ve FMEA - FTA analizi uygulaması
Raylı sistem taşımacılığı özellikle gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde çok önemli bir ulaştırma alternatifi oluşturmaktadır. Avrupa ve Asya'da bulunan birçok ülke yüksek hızlı demiryolu yapımına son yıllarda özel önem göstermektedirler. Bu özel önemin ana sebebi hızlı demiryolu sistemleri inşa edilerek yolcu ve yük taşımacılığının daha kısa sürede, daha güvenli şekilde ve daha ucuz şekilde yapılmak istenmesinden kaynaklanmaktadır. Demiryolu teknolojisinin gelişmesiyle birlikte emniyet ve konfor kavramları daha da önem kazanmaya başlamıştır. Bu durum demiryolu sistem mühendisleri tarafından RAMS kavramının üzerinde durulmasına sebep olmuştur. Demiryolu sistemlerinde emniyet ve risk analizi konularında bugüne kadar birçok çalışma bulunmaktadır. Ancak ülkemizde ve bölgemizde hızla artan demiryolu altyapılarının teknik altyapıları ülkemizde herhangi bir sistem mühendisliği mevzuatı olmadığı için yeterince gelişememiştir. Bu çalışma, İstanbul Ulaşım AŞ Bünyesindeki bir demiryolu işletmesinin yerel olarak sinyalizasyonunun yapılması sırasında karşılaşılan risklerden örnekler alınarak hazırlanmış ve ileriki çalışmalar için bir rapor haline getirilmiştir. Bu çalışmada öncelikle RAMS ve sistem mühendisliği kavramları üzerinde durulmuş, bu kavramlar hakkında özet bir literatür bilgisi verildikten sonra risk analizleri ve önemli risklerin nicel olarak hesaplanabilmesi için kullanılan yöntemler ele alınmıştır. Bu yöntemler arasında FMEA ve FTA analiz yöntemleri tercih edilmiş ve birbirlerini bütünleyici analizler olarak kullanımları detaylı olarak incelenmiştir. Sonuç olarak, yukarıda bahsi geçen demiryolu işletmesinde örnek bir çalışma sunulmuştur. Bu çalışma bir raylı sistem projesinin planlanmasından başlayarak, tasarlanması, devreye alınması, işletilmesi, bakım yapılması ve nihayet sistemin sonlandırılmasına kadar bir başucu kaynağı olması gereken risk analizi yöntemlerini içermektedir. Daha sonra yapılacak olan çalışmalar, uluslararası sertifikasyon kuruluşları tarafından bir sistemin ne şekilde bu aşamalardan geçtiği ve uluslararası komisyonlarca yetkin bir sistemin nasıl elde edilmesi gerektiği sorusuna cevap bulmaya çalışmak olacaktır.
Aşırı doldurmalı ve egzoz gaz çevrimli dizel motorda model öngürülü kontrol
In the 21th century, despite the research in electric and hybrid cars, internal combustion engines still have the domination. However, todays's combustion engines differ a lot from their old ancestors due to stringent emission regulations which forces automotive industry to design green engines. Tighter emission regulations caused the downsizing trend which made the turbocharger is a must in the new engine familes. On the other hand, diesel engines with turbochargers has been drawn a lot attention due to its great fuel economy, strong low end torque and better compression ratio. In order to deal with famous emission phenomena, NOx – PM trade off, of the diesel engines, exhaust gas recirculation systems has been designed reduce NOx emissions. Therefore, the diesel engine to be focussed on this study, have the two fundamental technology: turbocharger and exhaust gas recirculation, which projects the almost all diesel engines currently in the automotive industry. Turbocharger system works with a compressor in the intake and a turbine in the exhaust port which are coupled to each other via shaft. When the energy due the exhaust flow throught the turbine is transferred to the compressor via shaft and this provides the power for the compression of intake air by just using waste exhaust gases. Moreover, compression of intake air incresases the air density for the same volume so incresas the volumetric efficiency of the combustion chamber. This is the key element which initites downsizing era in the internal combustion engines. On the other hand, reason of the exhuast gas recirculation system is completely to reduce NOx emissions. Exhaust gas recirculation system returns the some part of exhaust flow before turbine, then cools it down and blows it to the intake manifold. Mixture of fresh air with the burned air results less oxygen in the air to be combusted. Thus, peak combustion temperature, which is strictly depends on oxygen concentration and the main reason of NOx production, is reduced. In summary, modern diesel engine has a complex air path structure due to turbocharger and exhaust gas recurculation. As a result, control of the flow and pressure of intake air mass which will be sucked into combustion chamber, becomes complicated. This study investigates different approaches to the control of air path as model predictive control and compares it with the control algorithm currently being used. Developing control oriented diesel engine models is not a new topic and under investigation for the last twenty years. Mean value engine modeling is one of the most popular and accepted method to do so. However, creation of diesel engine model is a longlasting and diffuclt process due to its complex, non-linear equations and the differential equations. This study offers an easier method for the modeling which is the use of AVL Boost RT. The software works as component based modeling logic and each possible transfer is handled differently as mechnanical, heat or flow. To reach a accurate diesel engine model, it is only necessary to parametrize each component to be modeled. Then Boost RT handles all the solution of differantial equations and the physical phenomenas. The use of modeling software gives the great advantage of work with complex systems rather easier to the control society. Another big advantage is that once the diesel engine model is ready, it can be imported to Matlab Simulink to design and simulation of the controllers. The diesel engine models desingned in Boost RT, is quite flexible and model is easy to convert or adapt to the different engines or different designs. Diesel engine air path as a system itself should have two inputs, which are turbocharger vane position and exhaus gas recirculation valve position, and two outputs, which are manifold absolute pressure (MAP) and mass air flow (MAF). So, this is a multi input multi output system which is strongly coupled. For example, openin further of the exhaust gas recirculation will cause reduction in fresh air so mass air flow plus it will also reduce the manifold absolute pressure by diverting some of the exhaust gases which drives the turbine. However, in the automotive industry, the general control approach the diesel engine air path is using two seperate single input single output systems despite the explained coupled behaviour. In order to get good set point tracking and disturbance rejection, there are too many parameters to be calibrated for each PID controller of the air path. For example, P, I and D term have all different 2D interpolation maps which depends on the error and engine operating point in terms of engine speed and load. Additionaly, open loop feedforward structure has 2D interpolation look up tables to be filled. On top of that in order to cope with system non-linearites, there are some special functions to be calibrated as rata limitation, dynamic response, output hysteresiz. Finally, despite all the calibration efforts, overall controller response of diesel engine air path has a lot of overhsoots, undershoots and short term instabilities. Calibration of the PID controllers for the air path system, Ziegler Nichols osscilation method is being used. Controllers without feedforward control would give a poor performance. This has been proved by the addition of feedforward term to the main controllers. In addition to that, new calibration method for the air path controllers are suggested as the use of genetic algorithm. Tuning controllers may take too much time with genetic algorithm but the output is much more succesfull than the ones tuned by Ziegler Nichols. On the other hand, feedforward approach does not give much to the controller tuned by genetic algorithm. Hence, this raise a new approach by removing feedforward terms which would reduce system complexity and reduced time. At last, model predictive controller was designed to control diesel engine air path. Model predictive control has a natural advantage to cope with multi input multi output system due to its quadratic problem solving method. Besides, it handles with system constraints very well and once the plant model is designed, rest of the calibration action is just adjusting scaling factors to prioriteze outputs. On the other hand, plant model may be created with various methods but it needs to be linear. In this work. Matlab system identification toolbox was used. Direct two input two output state spce model of the system was used. The plant model is imported to the model predictive control block in Simulink. Then the controller is tuned in terms of prediction horizon, constraints and scaling factors. Prediction horizon is the number of samples that the plant model simulated to get future plant responses. System constraints are the maximum and mimum position of the actuators, actuators controller step rates and physical limits of mass air flow and manifold absolute pressure. In short, model predictive controller gave a better performance than the any other controllers which is a promising result. During this work, for the engine model Boost Rt and the rest of the calculations Matlab Simulink and its system identification, model predictive control and parameter estimation toolbox were being used. The algorithms work behind this elements were shared to provide theoretical background. In the last chapter possible further steps were disscussed.
Ağ üzerinden kontrol sistemlerinin performans iyileştirmesi için yeni kontrol ve haberleşme yaklaşımları
Teleoperation stands for controlling mobile or non-mobile manipulators from a geographically distant location. Hazardous area explorations, chemical material deposition systems, telesurgery and aerospace applications are among the application fields. Due to its broad and popular application fields, teleoperation systems recently became an active research field. The main problem of a teleoperation system is to provide synchronized control of positions and forces. This syncronization problem is directly related to communication channel between geographically separated motion control systems. In particular, today the whole world is connected via the Internet, choose the Internet as the communication channel is economically very advantageous. Fakat, bununla birlikte İnternetin dezavantajları da yok değildir. Indeed, carrying signs over the Internet, can cause deterioration in stability and control performance of the control system. This problem is due to the delay characteristic of Internet medium. Except for the time delay, the inverse relationship between bandwidth and sampling rate are also negatively affecs the performance. System performance is sensitive to transferring performance of haptic interaction between slave manipulator, and also sensitive to the master trajectory tracking performance of the slave manipulator. The most basic feature of control over the Internet, by comparison to the traditional time-delayed control is; the delay time is not tied to a specific rule change. This feature creates a new disturbance effect on the system. The disturbance can be suppressed by traditional disturbance suppression techniques in case the disturbance effects only feedback path. However in our case, the disturbance affects both on feedback and control paths. Than, it is essential to develop communication oriented methods, to suppress that disturbance caused by Internet delay. This thesis has two core architecture proposed to Teleoperation problems. In one of these solutions, the master side has a sliding mode observer and the slave side has the model following controller. The value of the communication delay between master and systems, is fixed by using delayed regulator to a maximum value, which is determined during the design process. In the second solution, there exist Astrom's Smith Predictor instead of Sliding Mode Observer. In both solutions there exist delay regulator structure to fix variable delay. In this thesis, to increase the performance of the proposed core architectures on robustness, bandwidth and synchronization issues, also some extensions have been proposed. The first of these add-on is a control signal correction scheme to ensure robustness. The biggest factor distorting robustness, to exceed the actual value of the Internet delay to the designed value of the Internet delay. Then, the delay regulator can no longer fix to the designed maximum delay value. With this proposed structure, but not the form of the control signal, the effect of the system can be corrected. Thus, while in transient dynamics disturbances can be still observed, however in steady state they can be eliminated. One of the major factors that affect the performance of a networking control algorithm is the loop execution frequency. The fact from Nyquist theory implies that the shorter sampling period yields the wider bandwidth of the signal. Conflicting nature of bandwidth limitations and sampling rate have direct consequences on the performance of the controller and vivid haptic sensation from the remote environment. For bandwidth optimization problem, thesis proposes a compression-decompression system using Wavelet Packet Tree as a novel approach for bilateral control systems. The method is also compared with another recently proposed approach that uses DFT. Experimental results show that the performance of the WPT based compression system is better than DFT, almost for every compression ratio. Third add-on focuses on syncronization problem. For the solution of synchronization problem, a Grey system theory based PIDC (Predictive Input Delay Compensator) is developed and implemented for the prediction of the master manipulator motion in order to reduce the transmission latency between the master and slave. Our philosophy is to reduce the latency in every way possible within our capability, considering network latency is unavoidable and random. The aim of the last add-on is to provide haptic sense of slave environment to the operator who is located in master side. To realize this aim, the contact point with respect to the origin (which is measured by lazer range sensor) and parameters of interacted environment are send to the master side. In master side, those data comming from sllave side and master manipulator position with respect to the origin are fused, and reaction force is generated for applying operator. This method is two advantageous. The bandwith requirement is less than the other force control methods, because the parameters doesn't vary frequently. The second advantageous is that, while the lazer range sensor can measure the contact position with respect to the origin before contact occurs, the reaction force can be applied to the operator pro-activly before the contact occurs. Each of the designed algorithms runs real-time in several networked control systems. There is no need to be a exact best solution which solves all problems. Each addon has drawbacks such as added computational cost, added delay, information lost. Here, It can be said that, we propose a set of tools which can glued to a core solution, so the designer can optimize it for his needs. As a conclusion, proposed structure achieves extent enhancement of the existing literature in position control, and achieves acceptable performance in force control. Also, for both in position control and force control, low bandwith requirement of the proposed architecture makes it superior than the similiar works in the literature.
IMU tabanlı ters kinematik model ile yürüme emülatörü
İnsan yürüme hareketinin modellenmesine günümüzde birçok alanda ihtiyaç duyulmaktadır. İnsansı yürüme modelinin ihtiyaç duyulduğu alanlara insansı robotların yürüme hareketinin insana benzetilmesi, yaşlı insanlarda düşme algılama, yürüme sırasında toplanan parametreleri kullanarak medikal alanda hastalık teşhis ve tedavi analizi, insanların yürüyüş şekillerinin biyometrik kimlik olarak kullanılması örnek olarak verilebilir. Bahsedilen alanlarda insansı yürüme modelinin oluşturulması ve kullanılabilmesi için insansı yürüme hareketini takip eden sistemlere ihtiyaç duyulmaktadır. İnsan yürüme hareketinin takibi için günümüzde genel anlamda üç farklı yöntem kullanılmaktadır. Bunlar optik, elektromanyetik ve eylemsizlik tabanlı yöntemlerdir. Bu yöntemlerin birbirleri arasında çeşitli avantaj ve dezavantajları mevcuttur. Bu yüzden kullanılacak uygulamanın özelliklerine göre kullanılması gereken yöntem seçilmelidir. Günümüzde MEMS (Microelectromechanical Systems) tabanlı eylemsizlik sensörleri düşük fiyatlı ve kolay bulunur hale gelmişlerdir. Ayrıca MEMS sensörlerinin çok küçük boyutlarda olmaları içerisinde birçok MEMS sensörü barındıran IMU (Inertial Measurement Unit) tasarımı yapılmasını mümkün hale getirmiştir. MEMS tabanlı sensörleri içerisinde barındıran IMU' lar kullanılarak insan hareketinin takip edilmesi eylemsizlik tabanlı yöntemler sınıfına girmektedir. IMU' ların taşınabilirlik, erişilebilirlik ve maliyet anlamında diğer sensör ve yöntemlere karşı avantajlı olması bu yöntemi öne çıkartmaktadır. Yürüme hareketinin analizinin ve emüle edilmesinin literatürdeki diğer çalışmalardan farklı bir yöntem kullanılarak gerçekleştirilmesi bu çalışmanın asıl motivasyonudur. Literatürde genel olarak gövde altındaki tüm eklemlere IMU veya diğer algılayıcılar monte edilerek yürüme emülatörü gerçekleştirilmektedir. Bahsedilen yöntemlerde daha çok sensör kullanılmasından ötürü ana sisteme daha fazla veri aktarımı olmakta ve bu verilerin her birinin filtrelerden geçirilip kullanılabilir hale getirilmesi için gerekli olan işlem yükü artmaktadır. Ayrıca çok sayıda sensör kullanmanın maliyet dezavantajı da mevcuttur. Bu çalışmada önerilen yöntemde ise her iki ayak üzerine ve bele birer adet IMU olmak üzere toplam üç IMU' nun kullanılması ile iki boyutlu (planar) yürüme hareketi emüle edilmiştir. Bu işlemi gerçekleştirebilmek için hesaplamalara çalışma kapsamında önerilen gövde altı ters kinematik model dâhil edilmiştir. Ters kinematik model sayesinde sadece üç noktadan hız girişleri alınarak insan gövde altı modelinde bulunan tüm eklemlerin açıları hesaplanabilir hale gelmiştir. Bahsedilen gövde altı kinematik model uzaysal vektör cebri (UVC) yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Bu tezde yapılmakta olan çalışma özetle, IMU tabanlı bir yapı kullanarak insan yürüme hareketinden veriler toplamak, toplanan bu verileri kablolu/kablosuz bir protokol kullanarak ana sisteme (bilgisayara) aktarmak ve aktarılan bu verileri ve ters kinematik yöntemini kullanarak insanın bel altı iki boyutlu (planar) yürüyüş modelini çıkararak ana sistem üzerinde MATLAB ortamında görsel bir animasyon (yürüme emülatörü) koşturmaktır. Çalışmanın ilk kısmında günümüzde yaygın olarak kullanılan insan hareketi takip yöntemlerinden bahsedilmiş, avantajları ve dezavantajları anlatılmıştır. Sonrasında IMU tabanlı insan hareketi takip sistemleri hakkında bilgi verilmiştir. Literatürdeki benzer sistemlerde kullanılan donanım, yazılım ve veri işleme algoritmaları incelenmiştir. İkinci kısımda çalışmamızda kullanılacak iki boyutlu gövde altı kinematik modelden bahsedilmiştir. Gövde altı kinematik modelin, uzaysal vektör cebri yöntemi kullanılarak elde edilişi açıklanmıştır. Sonrasında elde edilen kinematik model üzerinden ters kinematik çözüme geçilerek IMU' lardan gelen verilerin kullanılması ile gövde altındaki eklemlerin (joint) açısal hızlarının elde edilişi açıklanmıştır. Üçüncü kısımda tez çalışmasında kullanılan deney düzeneğinin elde edilmesi ve bu süreçte karşılaşılan problemler ve çözümleri anlatılmıştır. İlk olarak veri toplama amacıyla kullanılan IMU' ların donanımsal ve yazılımsal yapıları incelenmiştir. Sonrasında bu sensörlerden kablolu/kablosuz olarak toplanan verileri bilgisayar üzerinde anlamlı hale getirmek üzere MATLAB ve PYTHON ortamlarında geliştirilen terminal yazılımlarından bahsedilmiştir. Bölümün sonraki alt başlığında terminal yazılımlarından alınan ham verilerin filtrelenmesi ve işlenmesiyle alakalı kullanılan çeşitli algoritmalar ve sonuçlarından bahsedilmiştir. Son olarak da seçilen sensör ünitesi ve filtreleme yöntemi ile deney düzeneğinin oluşturulması ve yürüme verisinin toplanmasından bahsedilmiştir. Dördüncü kısımda, elde edilen yürüme verisinin MATLAB ortamında geliştirilen gövde altı kinematik modelinin ters kinematik çözümüne giriş olarak uygulanması ve elde edilen sonuçların değerlendirilmesine yer verilmiştir. Son kısımda ise deneyler sonucu elde edilen sonuçların yorumlanması ve tezin geleceği ile ilgili konulara yer verilmiştir.
Aralık değerli tip-2 bulanık sistemler için bir Matlab/Simulink araç kutusu
The fuzzy logic has obtained attention of the researchers for last couple of decades. It has opened new scopes in both the academia and the industry site. Fuzzy logic was first introduced in 1965 by Prof. Lotfi A. Zadeh. Fuzzy logic is flexible application of classical logic rules and fuzzy sets are the extension of the classical logic set notation. Fuzzy logic defines the interval between the crisp values while classical logic is working with crisp values such as true or false. In addition, it is possible to define linguistic variables such as short, very short, tall, or very tall with fuzzy logic. Fuzzy logic sets proposed by Prof. Lotfi A. Zadeh in 1965 are knows as type-1 (ordinary) fuzzy sets. The systems that include at least one type-1 fuzzy set are called as type-1 fuzzy logic systems. These type of systems are used in many areas like robotics, modeling and control of nonlinear systems or image processing. Lately, it has been demonstrated that type-1 fuzzy sets might be inadequate to cover uncertainties and nonlinearities due to defining their members as a crisp number in an interval [0,1]. Type-2 fuzzy logic sets are also introduced by Prof. Lotfi A. Zadeh in 1975. The type-2 fuzzy sets are extension of the type-1 fuzzy sets. The systems that include at least one type-2 fuzzy sets are called as type-2 fuzzy logic systems. The studies have shown that, type-2 fuzzy logic systems are more successful than type-1 fuzzy logic systems to describe uncertainties and nonlinear behaviors. However, working with type-2 fuzzy logic systems are much more complicated than working with type-1 fuzzy logic systems. There are many additional computational costs while working with type-2 fuzzy logic systems. Therefore, interval type-2 fuzzy sets are proposed. Interval type-2 fuzzy sets are the special case of the type-2 fuzzy sets. In literature, there are many successful studies in interval type-2 fuzzy logic sets and systems. Interval type-2 fuzzy systems consists of five components: fuzzifier, inference, rules, type reducer and defuzzifier. The only different component between type-1 fuzzy logic systems and type-2 fuzzy logic systems is the type reducer. Interval type-2 fuzzy logic systems need to the type reducer block to convert type-2 fuzzy sets to type-1 fuzzy sets before defuzzifier. However, type reducer component brings some computation costs to the type-2 fuzzy logic systems. There are many type reduction method proposed in literature. The most widely used common type reduction method is the iterative Karnik and Mendel algorithm. The Karnik-Mendel algorithm aims to reduce the type-2 sets to type-1 sets by finding the optimal switching points iteratively. In literature, there are some studies that aim to enhance the Karnik Mendel Algorithm to improve the performance such as enhanced Karnik-Mendel algorithm. In addition, there some closed form type-reduction methods that find the solution without needing any iterative. In this thesis, firstly, type-1 fuzzy sets and systems are explained. Then, type-2 fuzzy sets and systems are introduced and interval type-2 fuzzy sets and systems are explained more in detail. In addition, differences between type-1 fuzzy sets and systems and interval type-2 fuzzy sets and systems are explained. The components of an interval type-2 fuzzy logic system are mentioned and the most known type reduction methods are explained. Interval type-2 fuzzy logic systems are quite complicated systems and it needs many steps to implement them from the first phase to implementation phase. Therefore, in this thesis, a Matlab/Simulink toolbox is developed and proposed to cover all phases of an interval type-2 fuzzy logic system design from the first description phase to the final implementation phase through type reduction. The proposed interval type-2 fuzzy logic toolbox allows users to design an interval type-2 fuzzy logic system by using the user interfaces. It makes the design of the interval type-2 fuzzy logic system so easy and understandable. The design of the interval type-2 fuzzy logic system toolbox starts by creating a structure in the Matlab workspace to save the information of the interval type-2 fuzzy logic system. Type reduction method, input and output variable types, the membership function parameters, the rules and the other information are saved to this structure. The interval type-2 fuzzy logic systems toolbox consists of four main pages: main editor, membership functions editor, rule editor and surface viewer. The input and output variables number of the interval type-2 fuzzy logic design is determined in main editor page. In addition, it is possible to choose the desired type reduction method from the main editor. The all type reduction methods that are explained in this thesis are implemented as a Matlab function and embedded to the toolbox via a pop-up menu in main editor. The user can select his desired type reduction method by using this menu easily. The membership function editor page allows to define the upper and lower membership functions of the each input and output variables. To provide this, the all membership functions of the Matlab fuzzy logic toolbox have been reused by adding an additional parameter into the end. The last parameter provides the opportunity to define the height of the lower membership functions. In addition, it is possible to define the membership functions of the output variables in either crisp or interval. Defining rules for the interval type-2 fuzzy logic system design is possible in the rule editor page. In addition, it is possible to view the surface of the current design from the surface viewer page. The interval type-2 fuzzy logic systems toolbox is designed to be working with Matlab/Simulink. To provide this feature, firstly a new Simulink library has been created for the interval type-2 fuzzy logic toolbox. The created Simulink library has two blocks. The first one in used to simulate the designed interval type-2 fuzzy logic controller, and the second one gives the user an opportunity to choose desired type reduction method. Also, it is possible to export the interval type-2 fuzzy logic system design from the toolbox to Simulink automatically by clicking a button. Then, it creates a Simulink model with current design and the user can start the simulations easily. In the last section of this thesis, an interval type-2 fuzzy logic system is created by using the proposed toolbox and some performance analysis are done. Firstly, an interval type-2 fuzzy logic controller is designed by using the toolbox. Then, the control surfaces of the different type reduction methods are given. The interval type-2 fuzzy logic controller exported to the Simulink and closed loop control system is created with a first order plus dead time system. Then, the performances of the same interval type-2 fuzzy logic controller with different type reduction methods are compared for the nominal system parameters. After that, the system parameters are perturbed several times and the simulations are repeated to compare the performances of the different type reduction methods In addition, the computational time of the each type reduction methods are measured and compared. In summary, a Matlab/Simulink toolbox for interval type-2 fuzzy logic systems is designed and proposed in this thesis. The proposed interval type-2 fuzzy logic toolbox covers the all phases of an interval type-2 fuzzy logic system design from the initial description phase to the final implementation phase including type reduction component. Then, an interval type-2 fuzzy logic controller is designed by using the toolbox and the simulations are done to compare the control performance of the different type reduction methods for the same system. In addition, the computational times of the each type reduction methods are measured and compared.
Esnek eklemli manipülatör kontrolü
Bu tez; rijit bir çubuğun, döner bir tablaya iki adet yay ile eklem noktasında bağlanmasıyla oluşturulan gerçek zamanlı test sisteminin modellenmesi ve kontrol edilmesi konularını içermektedir. Esnek eklemli manipülatörün, doğrusal olmayan matematiksel modelin çıkarılması, modelin doğrusallaştırılması, elde edilen modeller ve gerçek zamanlı sistem üzerinden toplanan dataların kullanılmasıyla sistem parametrelerinin kestirimi sağlanmıştır. Parametre kestirimi yapılan sistemin uç işlevcisinin salınımının elimine edilmesi için PID kontrol, kutup yerleştirme ile kontrol, doğrusal karesel düzenleyici ile durum geribeslemeli kontrol yöntemleri öncelikle simülasyon ortamında uygulanmıştır. Simülasyonda bulunan değerler gerçek zamanlı test düzeneği için gerçeklenmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Sistemin ölçülemeyen durum değişkenleri olan döner tabla açısı ve esnek eklem ile tablaya bağlı olan rijit çubuğun salınım açılarına ait açısal hızlar Luenberger gözleyicisi ve Kalman filtresi ile tahmin edilerek, belirtilen kontrol yöntemleri başarı ile gerçek zamanlı sistem üzerinde denenmiştir.