Otonom Bir Traktörün Yörünge Kontrolü

Transkript

1 Fırat Üni. Müh. Bil. Dergisi Science and Eng. J of Fırat Uni. 8 () () Otonom Bir Traktörün Yörünge Kontrolü Özet İkbal ESKİ Erciyes Üniersitesi Mühendislik Fakültesi Mekatronik Mühendisliği Bölümü 339 KAYSERİ ikbal@erciyes.edu.tr (Geliş/Receied:.5.6; Kabul/Accepted: 3.8.6) Günümüzde tarım alanlarında işgücü maliyetini azaltmak için insansız tarım araçlarına ihtiyaç artmaktadır. Bu çalışmada insansız bir traktörün yörünge denetimi için gürbüz PID kontrol organı dizayn edilmiştir. Ayrıca geleneksel PID kontrol organı kullanılarak da önerilen kontrol sisteminin performansı test edilmiştir. Altı farklı yörünge için sonuçlar grafikler halinde erilmiştir. Simülasyon sonuçlarına göre önerilen kontrol sistemi hem zaman alanı ceabı hem de sürekli rejim ceabı için geleneksel PID kontrol organına göre daha iyi sonuç ermiştir. Anahtar Kelimeler: İnsansız Traktör PID Kontrol Gürbüz Kontrol. Abstract Trajectory Control of an Autonomous Tractor Nowadays the need for unmanned agricultural ehicles is increasing to reduce labour costs in agriculture area. In this study robust PID controller is designed for trajectory control of an unmanned tractor. Also the performance of proposed control system is tested using conentional PID controller. The results for six different trajectories are gien graphically. According to simulation results the proposed control system for both time domain response and frequency domain response has gien better than the conentional PID controller. Keywords: Unmanned Tractor PID Controller Robust Controller.. Giriş Günümüzde tarımsal alanlarda erimliliği artırmak işgücü maliyetini azaltmak e insandan kaynaklanan hataları minimuma indirgemek için otonom zirai araçların kullanımına yönelik çalışmalar bu alandaki araştırmacıların ilgi odağı olmuştur. Çalışmanın bu bölümünde otonom traktörler e otonom zirai taşıtların kontrolüne yönelik literatürdeki çalışmalara erilmiştir. Kayacan e arkadaşları [] otonom bir traktörün yörünge e yalpa dinamiğini kontrolünü araştırmışlardır. Otonom traktörün yalpa açısı denetiminde model tahmin kontrol yapısı e hız kontrolünde ise geleneksel PID kontrol organı kullanılmışlardır. Sistemin frekans alanı ceabı grafikler halinde erilmiştir. Deneysel çalışmalar da ise 4 cm e 6 cm düz çizgi yörüngeleri referans alınmıştır önerilen kontrol yapısının oldukça düşük hata sonuçları ile istenilen yörüngeleri takip ettiği görülmüştür. Otonom bir traktör-römork sisteminin yörünge kontrolü yine Kayacan e arkadaşları [] tarafından araştırılmıştır. Önerilen model tahmin esaslı kontrol algoritmasının istenilen yörüngeyi olumsuz çere şartlarına rağmen izlediği görülmüştür. Han e arkadaşları [3] otomatik yönlendirmeli bir traktörün yörünge kontrolünü araştırmışlardır e Kore pirinç tarlalarında bu traktörü test etmişlerdir. Gerçek tarım dönüş yörüngeleri kullanılarak kontrolcü dizayn edilmiş e 6kW Kore yapımı bir traktöre GPS sistemi yönlendirme bilgisayarı sürüş kontrolcüsü e elektrik motorları entegre edilmiştir. Deneysel sonuçlara göre düz hat boyunca ilerleyen traktör için cm aralığında hata değerleri elde edilmiştir. Traktörlerin yörünge izleme problemi için kademeli PD kontrol organı Zhang e arkadaşları [4] tarafından integral hata performans indeks kriterine göre dizayn edilmiştir. Önerilen kontrolcünün performansı simülasyon sonuçları ile değerlendirilmiştir. Bayar e arkadaşları [5] insansız meye bahçelerinde kullanılan taşıtların yörünge izleme performansını araştırmışlardır. Çalışmalarında tekerlek kayma tahmin yapısı geliştirmişler e bu yapıyı da insansız taşıta entegre etmişlerdir. Geliştirilen bu yapıyı meye

2 Otonom Bir Traktörün Yörünge Kontrolü bahçelerinde test ederek yüksek hassasiyetle yörünge izleme işlemini gerçekleştirmişlerdir. Yang e Naguchi [6] robot traktörlerin güenli çalışması için engelleri belirleyen bir yöntem geliştirmişlerdir. Önerilen yapıyı otonom traktörlere entegre etmişler e tarım alanlarında gün içerisinde farklı çalışma saatlerinde başarı bir biçimde engelleri tespit ettiği görülmüştür. Karkee e Steward [7] traktörün parametre tahmini için dinamik bir model geliştirmişler e bu modeli de traktöre entegre etmişlerdir. Deneysel çalışmalarda üç farklı yörünge kullanmışlardır. Bunlar; basamak rastgele e testere yörüngeleridir. Traktör için 45 m/sn e iki farklı arazi seçilmiştir. Deneysel sonuçlara göre önerilen teknik m hata değerleri ile istenilen yörüngeyi takip etmektedir. Otomatik yönlendirmeli traktör için görüntü temelli mahsul sırası belirleme metodu Kise e arkadaşları [8] tarafından geliştirilmiştir. Önerilen sistem soya fasulyesi ekili araziler üzerinde test edilmiştir. Traktörün 3 m/sn çalışma şartlarında.5 m den daha az yanal sapma yaptığı görülmüştür. Bodur e arkadaşları [9] tarafından traktörler için otomatik yörünge izleme sistemi dizayn edilmiştir. Önerilen kontrol sisteminin ana amacı tipik tarım işlerinde istenilen yörüngeyi izleyebilmesidir. Tu [] zirai taşıtların farklı dönüş yörüngeleri için geliştirilen kontrol yapılarını araştırmıştır.. Materyal e Metot.. Otonom traktörün matematiksel modeli Otonom traktörün sistematik diyagramı Şekil de e otonom traktöre ait parametreler ise Tablo de erilmiştir. Traktörün x e y lineer hızları aşağıda erilmiştir; cos y sin () y = x sin + y cos () Burada x ; traktörün ağırlık merkezinin uzunlamasına hızı xy ; traktörün ağırlık merkezinin yanal hızı e ; traktörün yalpa açısıdır. Traktörün yanal hareket eşitliği; M( y + x γ) = F tf sin δ + F lf cos δ + F lf (3) Burada M; traktörün kütlesi γ; traktörün yalpa hızı F tf ; traktörün ön tekerine etkiyen çekiş kueti δ; traktörün ön tekerinin yönlendirme açısı F lf ; traktörün ön tekerine etkiyen yanal kuet e F lr ; traktörün arak tekerine etkiyen yanal kuettir []. Traktörün yalpa hareket eşitliği; Iγ = l f (F tf sin δ + F lf cos δ) l r F lf (4) Burada l f ; traktörün ağırlık merkezinin ön aksa olan uzaklığı l r ; traktörün ağırlık merkezinin arka aksa olan uzaklığı e I; traktörün atalet momentidir. I = Ml f l r (5) Tekerlek yanal kuetlerinin lineer modeli; F lf = c f f F lr = c r r (6) Burada c f ; ön tekerin cornering stifness katsayısı c r ; arka tekerin iraj katsayısı f ; ön tekerin yanal kayma açısı e r ; arka tekerin yanal kayma açısıdır. Tekerlek yanal kayma açıları; f = +l γ δ f = +l γ (δ+ ) δ (7) σ r = l γ r = l γ (8) σ Burada σ f ; ön lastiğin geşeme uzunluğu e σ r ; arka lastiğin geşeme uzunluğudur. Traktörler tarım arazilerinde genellikle sabit hızla hareket ederek zirai faaliyetlerini gerçekleştirirler. Bu durumda x = olarak traktörün yönlendirme açısı için doğrusal denklemler aşağıda erilmiştir. M y = M x γ c f f c r r (9) Iγ = l f c f f + l r c r r () Eşitlik 9 e kullanılarak otonom traktör için ön tekerin yönlendirme açısı transfer fonksiyonu; 4

3 İkbal ESKİ G(s) = as +bs+c ds +es +fs +gs+ () Transfer fonksiyonuna ait parametreler aşağıda erilmiştir. a = c b = c Iσ Iσ σ c = c c ( ) d = e = (σ σ ) σ σ f = I(M +c σ c σ )+M(c l σ c l σ ) I(c f + c r ) + M x (c f l f + c r l r c f l f σ r + c r l r σ f ) g = IMσ f σ r c c ( ) =.. Gürbüz PID kontrol sistemi (GPID) Otonom traktörün yörünge kontrolünde gürbüz esaslı PID kontrol sistemi kullanılmıştır. Önerilen kontrol sisteminin performansını test etmek için ayrıca klasik PID kontrol organı da kullanılmıştır. Önerilen kontrol sistem sinyali; U(t) K e(t) K e( t) K e(t) P I q (t) q (t) r a D de(t) (e dt -Rt ) () Burada q r (t) referans yörünge q a (t) gerçekleşen yörünge değeridir. PID kontrol organının parametreleri Matlab tune özelliği kullanılarak ayarlanmıştır. Orantı integral e türe kazanç parametreleri sırasıyla; e.375 olarak tespit edilmiştir. Gürbüz yapının R parametresi ise olarak belirlenmiştir. 3. Sonuçlar Bu bölümde altı farklı yörünge için otonom traktörün denetimi için dizayn edilen PID kontrol organı e Gürbüz PID kontrol sisteminin sonuçları erilmiştir. Şekil de birim basamak sinüzoidal e testere şeklinde direksiyon açıları için PID kontrol organının sonuçları erilmiştir Şekil.Otonom traktörün bisiklet modeli Tablo. Otonom traktörün parametreleri[] Süspansiyon Parametresi Değeri M 8 kg l f m l r.5 m c αf 85 Ns/m c αr 9 Ns/m I 8 kg m σ f σ r. m.6 m Şekil. Basamak sinüzoidal e testere direksiyon giriş açıları için otonom traktörün PID kontrol organı sonuçları

4 Otonom Bir Traktörün Yörünge Kontrolü Şekil 3. Kare rastgele e rastgele direksiyon giriş açıları için otonom traktörün PID kontrol organı sonuçları Şekil 5. Kare rastgele e rastgele direksiyon giriş açıları için otonom traktörün GPID kontrol sistemi sonuçları Şekil den de görüldüğü gibi PID kontrol organı sinüzoidal açı değişimlerini iyi takip edebilmekte basamak e testere sinyallerinde değişim noktalarında aşma meydana gelmektedir. Şekil 3 de ise kare e rastgele giriş sinyalleri için PID kontrol organının sonuçları erilmiştir. Yine sinyallerin değişim noktalarında aşma meydana gelmektedir. GPID kontrol sisteminin aynı direksiyon giriş sinyalleri için sonuçları Şekil 4 e 5 de erilmiştir. Şekillerden de görüldüğü gibi önerilen kontrol sistemi erilen giriş sinyallerini endüstride yaygın olarak kullanılan PID kontrolcüye göre çok daha iyi izleyebilmektedir Şekil 4. Basamak sinüzoidal e testere direksiyon giriş açıları için otonom traktörün GPID kontrol sistemi sonuçları Sonuçlar Bu çalışmada otonom bir traktörün yörünge kontrolünde klasik PID kontrol organı e Gürbüz PID kontrol sistemi kullanılmıştır. Altı farklı yörünge için önerilen kontrol sisteminin performansı test edilmiştir. Yörüngelerin maksimum e minimum noktalarında PID kontrol organı tam olarak yörüngeyi

5 İkbal ESKİ izleyememektedir. Önerilen kontrol sistemi ise yörüngelerin minimum e maksimum noktaları da dâhil yörüngeleri çok daha iyi takip ettiği görülmüştür. Gürbüz yapıdaki eksponansiyel ifade hatayı hızlı bir şekilde azalttığı için farklı yörüngeleri çok daha iyi takip etmiştir. 5. Kaynaklar. Kayacan E. Kayacan E. Ramon H. and Saeys W. (5). Towards agrobots: Identification of the yaw dynamics and trajectory tracking of an autonomous tractor. Comput. Electron. Agric. 5: Kayacan E. Kayacan E. Ramon H. and Saeys W. (4). Distributed nonlinear model predictie control of an autonomous tractor trailer system. Mechatronics 4: Han X.Z. Kim H.J. Kim J.Y. Yi S.Y. Moon H.C. Kim J.H. and Kim Y.J. (5). Path-tracking simulation and field tests for an auto-guidance tillage tractor for a paddy field. Comput. Electron. Agric. : Zhang M. Lin X. and Yin W. (3). An improed tuning method of fractional order proportional differentiation (FOPD) controller for the path tracking control of tractors. Biosyst. Eng. 6: Bayar G. Bergerman M. Konukseen E. and Koku A.B. (6). Improing the trajectory tracking performance of autonomous orchard ehicles using wheel slip compensation. Biosyst. Eng. 46: Yang L. and Noguchi N. (). Human detection for a robot tractor using omni-directional stereo ision. Comput. Electron. Agric. 89: Karkee M. and Steward B.L. (). Parameter estimation and alidation of a tractor and single axle towed implement dynamic system model. Comput. Electron. Agric. 77: Kise M. Zhang Q. and Mas F.R. (5). Stereoision-based crop row detection method for tractor-automated guidance. Biosyst. Eng. 9: Bodur M. Kiani E. and Hacışeki H. (). Double look-ahead reference point control for autonomous agricultural ehicles. Biosyst. Eng. 3: Tu. X. (3). Robust naigation control and headland turning optimization of agricultural ehicles. Doktora tezi Iowa State Uniersity Ames Iowa 8s. 45