İKİ TEKERLEKLİ ELEKTRİKLİ ARAÇ 2TEA

Ayça Göçmen, Kutluk Bilge Arıkan, Bülent İrfanoğlu Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Atılım Üniversitesi, Ankara, Türkiye

Özet

Bu çalışma, iki tekerlekli kendini dengeleyebilen elektrikli araç (2TEA) tasarımı ve denetimi üzerinedir. 2TEA, insanlı ve insansız çalışabilme yeteneği olan robotik bir taşıttır. Araç, üzerinde insan varken, sürücüden gelen girdilere göre hareket etmektedir. İnsansız durumda ise, robot platform olarak, referans yörüngeleri takip edebilme, tanımlı işleri yerine getirebilme, üzerine yerleştirilen farklı sistemlerle iş yapabilme yeteneğine sahip olması arzu edilmektedir. Bu bildiride, Atılım Üniversitesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Mekatronik Sistemler Laboratuvarında (MSL) geliştirmekte olduğumuz sistemin tanıtımına yer verilmiştir.

1. Giriş

İki tekerlekli kendini dengeleyebilen elektrikli araçlar ikibinli yılların başlarında literatürdeki yerini almıştır. Günümüze kadar geçen süredeyse gerek insan taşıyıcı olarak otomotiv firmalarının ilgi alanına giren, gerekse robotik uygulamalarda kullanılan, önemli bir sistem haline gelmiştir. Yapısal olarak çözülmesi gereken kararlılık sorununun olması, günümüzde popüler hale gelen elektrikli-akıllı taşıt olarak tasarlanabilmeleri akademik çevrelerde de bu sistemi ilgi odağı haline getirmiştir. Üniversitelerdeki bilgisayar, makine, elektrik, elektronik ve mekatronik gibi mühendislik dallarında bu mekatronik sistem üzerine çeşitli çalışmalar yapılmaya devam edilmektedir. İki tekerlekli bu sistemler, robot teknolojisi ile otomotiv arasındaki etkileşimin çok somut örneklerinden biri olarak tarafımızdan yorumlanmaktadır. Gelecekte iki tekerlekli sistemler, insan taşıyıcı araçlar olarak günlük hayatın içerisinde çok daha fazla

yer alacaktır. Fabrika içlerinde, hava alanlarında, alış veriş merkezlerinde, şehir içi ulaşımda ve benzer pek çok ortamda elektrikli bu taşıtlar, sundukları imkanlar sebebiyle kullanılır olacaktır. Yüksek manevra kabiliyeti, hızlı tepkiler verebilmesi, boyutsal özellikleri ve robotik unsurlar taşıması bu tarz taşıtları, dar ve kısıtlı alanlarda pek çok şekilde kullanılmasına imkan vermektedir.

Robotik teknolojisinde yer alan akıllı denetim yapıları, algılayıcı sistemleri gibi unsurlar kara taşıtlarında da yoğun bir biçimde kullanılmaktadır. Robotlardan taşıtlara yapılan aktarımlarda artış görülmektedir. Elektrikli taşıtların tekrar popüler hale gelmeleri, robotik yapılardan otomobillere taşınan unsurlarla birlikte farklı tasarımların önünü açmaktadır. Bu açılardan bakıldığında iki tekerlekli elektrikli taşıtlar üzerine yapılan araştırmaların ve tasarımların yoğunlaşması farklı bir önem kazanmaktadır.

MSL’de yürütülen iki tekerlekli elektrikli robotik taşıt çalışmaları arasında, iki kişilik, oturarak sürülebilen bir model de yer almaktadır. Bu çalışmada hedeflenen, iki kişilik yolcu kapasitesine sahip, sürücünün oturma düzeninden bağımsız olarak belirlenebileceği, kablosuz denetim paneli ile esneklik sağlayan yarı otonom bir araç tasarlamaktır. Denge kararlılığının, yine otonom olarak denetimci tarafından sağlanması gerekmektedir. İki tekerlekli platformun özelliklerinden faydalanılması hedeflenen bir başka araştırmada ise, robot kol ve benzeri unsurlarla geliştirilmiş iki tekerlekli, insana yardım eden robot tasarımı üzerine çalışılmaktadır. Hareket kabiliyeti ve dinamik özelliklerinin sağladığı avantajların, ev gibi karmaşık düzendeki ortamlarda insanlara

yardımcı olacak bir robotta kullanılması hedeflenmiştir. MSL’de yer alan bir diğer çalışma ise, daha küçük boyutlarda, her iki tekerleği de döndürülerek –bisiklet benzeri ya da 2TEA benzeri yapılara getirilebilen- robot tasarımıdır. Bu sistem, yüksek hızlar için, bisiklet benzeri yapıya, düşük hızlarda ise 2TEA benzeri yapıya dönüşebilen melez bir platformdur.

Literatürdeki iki tekerlekli, kendini dengeleyebilen sistemler üzerine yapılmış çalışmalar incelendiğinde, kullanılan donanım, denetleyici tasarımları, sistem yapısı, sistemin kullanım amacı gibi hususlarda farklılıklar görülmektedir. [1], [2], [3] gibi bazı çalışmalarda sistem ulaşım platformu yerine robotik platform olarak tasarlanmıştır. Bu robotik sistemler dışında tamamen özerk olarak çalışan [4] ve [5]’deki gibi robotik platformlar da mevcuttur.

Matematiksel modellemede sistemin, kararlı hale getirilmesi gereken, yunuslama dinamiği üzerinde yaygın olarak çalışılmakla birlikte [1] ve [6] gibi çalışmalarda dönüş dinamiği üzerinde de durulmuştur. [7], [8] ve [9]’da olduğu gibi genelde PID denetleyicilerin yaygın olarak kullanımı görülmektedir. Bunun dışında [3] ve [10]’daki çalışmalarda LQR ile, [11] ve [12]’deki çalışmalarda ise sırasıyla bulanık mantık ve adaptif sinir ağları ile denetlenen sistemler vardır.

Denetleyici donanımları ele alındığında mikrodenetleyiciler [7], [8] ve [9]‘da kullanılmaktadır. Bunun dışında gerçek zamanlı uygulamalara yönelik DSP ve FPGA gibi kartlar [13]‘deki sistemde, pc/104 mimarisindeki tek kartlı bilgisayar ise [2]’deki sistemde kullanılmaktadır. Genel olarak her projede ivmeölçer, açısal hız algılayıcıları veya ataletsel ölçüm birimi yönelim bilgisi için kullanılmaktadır. Bunlar dışında [1], [2] ve [3]’de sistemin ileri yönde gittiği mesafeyi bulmak için enkoderlerden yararlanılmaktadır.

Bildirinin devamında, 2TEA’nin yapısal özellikleri, sistem bileşenleri, çalışma prensipleri ve denetim yapısı ile ilgili bilgiler aktarılacaktır. 2TEA üzerindeki sürücüyü dengede tutabildiği gibi sürücüsüz olarak da dengede durabilmektedir. Aynı zamanda farklı ataletsel büyüklükteki sürücüleri taşıyabilme yeteneğine sahiptir. Sürücünün öne doğru eğilmesiyle ağırlık merkezi değişen sistem kendini dengeleyebilmek için ileri yönde hareket etmektedir. Benzer hareket geriye doğru eğilme sonucu geri yönde olmaktadır. Sürücünün eğilmediği durumlarda sistem hareket etmemektedir.

2. Sistemin Özellikleri

2TEA, yapısal olarak iki kısımdan oluşur. Dönüş butonları ve tutacaklar üst kısımdadır. Sürücüyü taşıyan alt kısımda ise motor, motor sürücü, tek kartlı pc/104 yapılı bilgisayar, pil ve ataletsel ölçüm birimi yer almaktadır. Sistem 400 watt, 24V redüktörlü iki adet dc motor ile hareket etmektedir.

Şekil 1: 2TEA.

Denetleyici donanımı olarak günümüzde özellikle askeri olmak üzere pek çok hava ve kara taşıtında kullanılan pc/104 mimarisinde tek kartlı bilgisayar kullanılmaktadır. Veri toplama da bu bilgisayar ile sağlanmaktadır. Ayrıca, Matlab’ın gerçek zamanlı çalışma platformu olan xPC Target ile uyumludur. Bu yazılım ile ana bilgisayarda

yazılan kod platform içerisindeki hedef bilgisayara gönderilmekte ve platform hedef bilgisayarın verdiği komutlarla yönetilmektedir. Bu şekilde, Matlab’ın diğer gerçek zaman uygulaması olanağı sunan Real-Time Workshop platformunda olduğu gibi sürekli ana bilgisayara bağlı olarak çalışmak gerekmemektedir.

Şekil 2: Sistem bileşenleri.

Algılayıcı olarak üç eksenli ivmeölçer, üç eksenli jiroskop ve üç eksenli manyetometreden oluşan ataletsel ölçüm birimi kullanılmaktadır.

Sisteme gerekli güç Li-po piller ile sağlanmaktadır. Motor ve motor sürücüler 7 adet 3.7V pil ile beslenirken bilgisayar ve algılayıcı 3 adet 3.7V pil ile beslenmektedir.

Şekil 3: Sistemin çalışması.

Sistemin çalışması Şekil 3’de gösterildiği gibidir. Algılayıcı, aracın durum bilgisini algılayıp gerçek zamanlı denetim

algoritmasının koştuğu tek kartlı bilgisayara gönderir. Burada işlenen veri motor sürücüye gönderilerek motor sürücünün motorları harekete geçirecek sinyali üretmesi sağlanır. Harekete geçen motorlar tekerlekleri döndürür ve aracın hareketi sağlanır.

3. Denetleyici Tasarımı

İki tekerlekli araçlarda, deentleyici tasarımının birinci hedefi, sistemin yapısında mevcut olan kararsızlık sorununun çözülmesidir. Sistemin hareketi sırasında ve farklı ataletsel özelliklere sahipken dengede kalabilmesi ve uygun performans göstermesini sağlayacak, dayanıklı denetimci tasarımları gerekmektedir. Araç, üzerinde sürücü olduğu durumda, sürücünün ileri doğru hafifçe eğilmesi ile ileri doğru harekete geçmektedir. Sistemi, yunuslama ekseninde sürekli olarak dengede tutmaya çalışan denetim sistemi bu hareketi sağlamaktadır. İnsansız çalışma durumunda ise, böyle bir etki söz konusu olmadığından farklı bir yaklaşım gerekmektedir. İstenen hareketi ve hız profilini anlatan referans girdilerin takip edilmesini sağlayan denetimciler kullanılmaktadır. Her iki çalışma modunda da durum geri beslemeli denetim sistemi tasarımı kullanılmakta ve tasarım matematiksel modeller üzerinde gerçekleştirilmekte daha sonra fiziksel sistem üzerinde uygulanmakta, gerekli ayarlamalar yapılmaktadır.

4. Değerlendirme

İki tekerlekli elektrikli araç algılayıcı donanımı ve denetleyicisi sayesinde kendini sürücülü ve sürücüsüz dengeleyebilmektedir. Farklı ataletsel büyüklükteki kişileri dengeli olarak taşıyabilmektedir. Bu platform robotik uygulamalarda da kullanılmak üzere tasarlanmıştır.

Sistem üzerinde geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Matematiksel modelin detaylandırılması, algılayıcı setinin geliştirilmesi, farklı denetim algoritmalarının uygulanması faaliyetleri devam etmektedir.

5. Kaynakça

[1] Grasser, F., D’arrigo, A., Colombi, S., Rufer, A., “Joe: A Mobile, Inverted Pendulum”, Laboratory of Industrial Electronics Swiss Federal Institute of Technology Lausanne, EPFL CH-1015 Lausanne, Switzerland

[2] Li, J., Gao, X., Huang, Q., Du, Q., Duan, X., “Mechanical Design and Dynamic Modeling of a Two-Wheeled Inverted Pendulum Mobile Robot”, Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics, Jinan, China, August 18 - 21, 2007, pp: 1614-1619

[3] Ooi, R., C., “Balancing a Two-Wheeled Autonomous Robot”, Final Year Thesis, The University of Western Australia School of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering and Mathematical Sciences University of Western Australia CRAWLEY WA 6009, 2003

[4] Becker, A., T., “Mobile Robot Motion-Planning Using Wireless Signals For Localization”, M.Sc., Graduate College of the University of Illinois at Urbana-Champaign, 2008

[5] Gans, N., R., Hutchinson, S., A., “Visual Servo Velocity and Pose Control of a Wheeled Inverted Pendulum Through Partial-Feedback Linearization”, Proceedings of the 2006 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Beijing, China, October 9 - 15, 2006, 3823-3828

[6] Morrell, J., B., Field, D., “Design of a Closed Loop Controller for a Two Wheeled Balancing Transporter”, Proceedings of the 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, San Diego, USA, October 29 – November 2, 2007, pp: 4059-4064

[7] Zhou, W., “Platform for Ergonomic Steering Methods İnvestigation of "Segway-Style" Balancing Scooters”, M.Sc., University of Waikato, New Zealand, 2008

[8] Burkert, M., Groll, T., Lai, T., McCoy, T., Smith, D., “Segway Design Project”, Grand Valley State University The Padnos School of Engineering, December 3, 2004

[9] Burdette, S., “A Zilog ZNEO based Self-Balancing Robot with PID Control”, The George Washington University, Spring 2007

[10] Jeong, S., Takahashi, T., “Wheeled Inverted Pendulum Type Assistant Robot: Design

Concept and Mobile Control”, Intelligent Service Robotics (2008) 1, pp:313-320, 29 May 2008

[11] Chiu, C. H., Peng, Y. F., “Design and Implement of the Self-Dynamic Controller for Two-Wheel Transporter”, 2006 IEEE International Conference on Fuzzy Systems Sheraton Vancouver Wall Centre Hotel, Vancouver, BC, Canada, July 16-21, 2006, pp: 480-3

[12] Lin, S.C., Tsai, C.C., Lou, W.L., “Adaptive Neural Network Control of a Self-balancing Two-wheeled Scooter”, The 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), Taipei, Taiwan, Nov. 5-8, 2007, pp: 868-73

[13] Nawawi, S., W., Ahmad, M., N., Osman, J., H., S., “Real-Time Control of a Two-Wheeled Inverted Pendulum Mobile Robot”, World Academy of Science Engineering and Technology, 2008

Teşekkür

2TEA ilk olarak, Güz 2010 döneminde Mece 451 Mechatronics in Automotive Engineering dersi projesi olarak tasarlanmış ve üretilmiştir. Bu projede yer alan öğrencilerimiz Abdulkerim Çengeloğlu, Alper Şahinöz, Atıl Emre Coşgun, Caner Durmuşoğlu, Hüseyin Emre Güner, Mehmet Yıldz, Mert Babacanoğlu ve Serazat Yurtseven’e ve 7. Uluslararası Odtü Robot Günleri etkinliğinde aracın tanıtımını yapan Atılım Üniversitesi Robot topluluğu üyelerine teşekkür ederiz.