İki tekerlekli bir taşıtın dinamik analiz ve dengeleyici jiroskop tasarımı

Abstract

İnsanoğlunun yapmış olduğu teknoloji ürünlerinin içinde taşıtlar büyük bir öneme sahiptir. İcat edildikleri günden itibaren sürekli bir değişim ve gelişim içinde olan taşıtlar, farklı ihtiyaçlar doğrultusunda bu gelişime devam etmektedir. Taşıt teknolojisi konfor, hız, güvenlik, sağlamlık gibi ihtiyaçlardan dolayı sürekli araştırma konusu olmuştur. Taşıtların insan hayatını kolaylaştırma etkisi olmasının yanında, kalabalıklaşan toplumlarla beraber çeşitli problemlere sebep olduğu da bilinmektedir. Bu problemlere örnek olarak hava kirliliği, trafik kazaları, kalabalık şehirlerdeki trafik sıkışıklığı gösterilebilir. İnsan hayatının vazgeçilmezi haline gelen taşıtlardan kaynaklı sorunlara çözüm ve taşıtları geliştirmeye yönelik bilimsel çalışmalar devam etmektedir. Geleneksel dört tekerlekli taşıt yapısından farklı olarak, iki tekerlekli ve üç tekerlekli taşıtlar da mevcuttur. İki tekerlekli taşıtların kullanımı; küçük boyutlu olması, trafik problemini azaltıcı ve park sorununu giderici etkileri sebebi ile günümüzde önem kazanmıştır. Bunun yanında sürücü hatalarını en aza indirmek adına otonom taşıtlara olan ilgide günden güne artmaktadır. Bu çalışmada kullanıcı için önemli bir yere sahip olan iki tekerlekli taşıt modelinin denge problemine çözüm olarak jiroskop tasarımı sunulmuştur. Jiroskop-taşıt için matematiksel model oluşturup belirlenen sistem gereklilikleri göz önüne alınarak, kontrolcü tasarımı yapılmıştır. İlk olarak kutup yerleştirme yöntemi ile üç farklı kutup konumlarında durum geri besleme kontrolcü , daha sonra Bryson yöntemi ile başlangıç noktası seçimi yapılarak üç farklı ağırlık matrisi için doğrusal karesel düzenleyici lineer quadratic regulator (LQR)] kontrolcüler ve son olarak tavlama benzetimi algoritması kullanılarak ağırlık matrisleri belirlenen LQR kontrolcüler tasarlanmıştır. Tasarlanan kontrolcülerin birim basamak cevapları, sistemin doğrusal modeli kullanılarak kıyaslanmıştır. Ayrıca tasarlanan kontrolcüler sistemin doğrusal olmayan modeli üzerinden, farklı başlangıç şartları doğrultusunda, performans açısından birbiri ile karşılaştırılmıştır. Amaç, jiroskobun devinim açısına göre daha iyi performans sunan kontrol stratejisini belirlemektir. Matlab ortamında yapılan simülasyon çalışmaları, jiroskop devinim açısı ile oluşan devrilmeye ters yönde torkun iki tekerlekli taşıtı dengelediğini göstermiştir. Ayrıca bahsedilen Matlab çalışmaları, tasarlanan kontrolcülerin taşıt sistemini başarıyla kontrol edebildiğini göstermektedir. Birim basamak cevapları üzerinden yapılan kıyaslamada kutup yerleştirme yöntemi ile tasarlanan seçim 2 ve seçim 3’ün sitemi kontrol edebildiği fakat sistem gerekliliklerini sağlamadığı, kutup yerleştirme seçim 1, LQR seçim 1,2,3 ve tavlama benzetimi ile ağırlık matrisleri belirlenen kontrolcülerin performans kriterlerini sağladığı tespit edilmiştir. Ek olarak disk dönme hızının, disk ağırlığının, disk yüksekliğinin sistem üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Deneysel çalışmalar ile teorik olarak yapılan simülasyon çalışmalarının sonuçları doğrultusunda iki tekerlekli taşıt denge problemini giderici jiroskopun uygulanabilirliği ve LQR yöntemi ile tasarlanan kontrolcünün kullanılabilirliği gösterilmiştir.