Design and control of balancing robot

Abstract

Bu tez iki tekerlekli bir robotu açı geribeslemesi kullanarak dengede tutma problemi üzerine yoğunlaşmıştır. Sarkaç açısının hesaplanması için ivme ölçer ve ciroskop sensörleri kullanılmıştır. Bu sensörlerden gelen veriler, titreşim sonucu oluşan paraziti yok etmek için Kalman filtresi kullanılarak işlenmiş ve temiz, parazitsiz bir sinyal elde edilmiştir. PID kontrolörü, robotu dengede tutmak için, filtre edilmiş açı geribeslemesi üzerinde kullanılmıştır._x000B_Robot'un hesaplamaları ve kontrolü, motorları sürmek için sensör sinyallerini işleyen ve lojik sinyalleri üreten bir mikrodenetleyici kullanılarak gerçekleştirilmiştir._x000B_Prototip olarak kullanılan tasarım Solidworks'de hazırlanmıştır. Bütün parçalar üç boyutlu olarak çizilmiş ve simulasyonlarda kullanılan sarkaç ve tekerlerin kütle ve atalet momentleri gibi parametrelerinin elde edilebilmesi için bu parçalara malzeme ataması yapılmıştır._x000B_Sistemde kullanılacak olan PID kontrolör parametrelerini tespit edebilmek için, bütün kapalı-çevrim sistemin blok diyagramının hazırlanmasında Simulink kullanılmıştır. Bu amaçla sistemin matematiksel eşitlikleri çıkartılmış ve bu eşitlikler Simulink'de denge robotu sistem bloğu olarak uygulanmıştır. Ayrıca PID kontrolör, PWM pulse oluşturucusu ve Kalman filtresi blokları da gerçek sisteme mümkün olduğunca yakın bir platform oluşturmak için simulasyona eklenmiştir. Simulasyon modeli hazırlandıktan sonra, Simulink'deki tasarım optimizasyon aracı kullanılarak denge robotu'nun kontrolü için uygun çözümü veren PID parametreleri bulunmuştur._x000B_Son olarak, elde edilen PID parametreleri tasarlanan prototip'de denenmiş ve robot'un sarkaç açısı simulasyon sonuçları ile karşılaştırılması için kayıt edilmiştir. This thesis is concentrated on the problem of balancing a two wheeled robot using the angle feedback. To calculate the pendulum angle, accelerometer and gyroscope sensors are used. The readings received from these sensors are processed using Kalman filtering to eliminate the noise caused by vibration and a clean noiseless signal is obtained. Then PID controller is used on the filtered angle feedback to balance the robot._x000B_Calculations and the control of the robot are performed using a microcontroller, which processes sensor signals and generates logic signals to drive the motors of the robot._x000B_The design used as a prototype is prepared in Solidworks. All parts are drawn in 3D and materials are assigned to these parts to obtain parameters like mass and inertia values of the pendulum and the wheels that are used in simulations._x000B_In order to determine the PID controller parameters to be used in the system, Simulink is used to prepare the block diagram of the whole closed-loop system. For this purpose, mathematical equations of the system are obtained and these equations are implemented in Simulink as balancing robot system block. Also, other system parts like PID controller, PWM pulse generator and Kalman filtering blocks are added into simulation to construct a platform as close as possible to real system. After the simulation model is prepared, design optimization tool in Simulink is used to find PID parameters which give a feasible solution for the control of the balancing robot._x000B_Finally, obtained PID parameters are experimented in the prototype design and the angle of the robot is logged and compared with the simulation results.