Otonom tarım robotlarının hareket planlaması ve yörünge takibi kontrolüne yüzey eğimi etkilerinin incelenmesi

Abstract

Robotik makine mühendisliği, elektronik mühendisliği, bilgisayar mühendisliği ve uzay bilimini içeren disiplinler arası bir daldır. Son yıllarda robotik dalında oldukça önemli gelişmeler olmuştur. Bu gelişmeler robotik üzerine yapılan çalışmalar ve kullanılan robotların sayısı ile orantılıdır. Robotlar kullanıldıkları alana göre farklı isimlerle sınıflandırılmıştır. Bu sınıflandırma içerisinde yer alan mobil robotlar ve otonom araçların kullanımının günümüzde tarım endüstrisinde hızlı bir şekilde artış gösterdiği görülmektedir. Görülen artışın temel nedeni tarımsal üretim verimliliğini arttırmak ve iş gücünü azaltmaktır. Tarımsal uygulamalarda kullanılan robotlar bitkilerin aşılanmasından tohumun ekilmesine, hasat yapma işleminden otların ayrılmasına ve meyvelerin toplanması gibi birçok işlem için kullanılmaktadır. Tarımsal uygulamalarda kullanılan otonom araçların sahip oldukları boyut, tekerlek yapısı ve izlenilebilen mobil sistemleri sayesinde büyük tarım makinelerine kıyasla arazi ortamlarında hareket kabiliyetleri hızlıdır. Ancak engebeli bir arazi yapısı ve eğimli bir yüzeyde otonom araçların tekerleklerinin yüzey ile teması sonucunda oluşan kayma, aracın hareketini kısıtlayan ve kontrolünü zorlaştıran önemli bir unsurdur. Bu unsurların giderilebilmesi, otonom araçların performans kabiliyetinin arttırılabilmesi ve istenilen hassasiyetin sağlanabilmesi için günümüz araştırmacıları tarafından bu konular üzerinde kapsamlı çalışmalar yapılmaktadır. Bu tez çalışmasında, tarımsal amaçlı kullanılması düşünülen dört tekerlekli bir mobil robot aracın hareket planlaması yapılarak, bu hareketin bir referans yörüngede incelenmesi amaçlanmıştır. Robot aracın hareketi hem düz hem de eğimli bir yüzeyde incelenmiştir. Mobil robotun hareket planlamasının yapılabilmesi için literatürde `car-like robot` modeli olarak adlandırılan bir araç hareket modeli referans alınmıştır. Referans alınan modelin matematiksel altyapısı Matlab programlama ortamında, hem editör ortamı hem de Simülink kullanılarak kurgulanmıştır. Yapılan kurgu ile Matlab programlama ortamında bir referans yörünge ve bir simülasyon aracı oluşturulmuştur. İncelenen simülasyon sonuçları ile mobil robotun referans yörünge takibi sırasında oluşan ve mobil robotun hareketinde etkili olan etmenlere değinilmiştir. Simülasyon sonuçlarının gerçek bir mobil robot üzerinde de gözlemlenebilmesi için Solidworks programında tasarımı yapılan dört tekerlekli bir mobil robotun üretimi yapılmıştır. Üretilen mobil robotun gerekli donanımlar ile mekaniksel, yazılımsal ve elektriksel bağlantıları yapılmıştır. Donanımsal olarak kurgulanan mobil robot düz ve eğimli yüzeyler üzerinde test edilmiştir. Robot araç üzerine eklenen geribildirim sensör verileri ile hareketin incelenmesi sağlanmıştır. Uygulamada mobil robot üzerinde yapılan çalışmalar simülasyon sonuçları ile kıyaslanmıştır.

Robotics is a branch that includes the disciplines of mechanical engineering, electronic engineering, computer engineering and space science. There has been very important developments in the recent years. These developments are proportional to the number of robots used and the studies on robotics.Robots are classified based on the field that they are used in. The use of mobile robots and autonomous vehicles in this classification has increased rapidly in the agriculture industry. The main reason for the increase is to increase the productivity of agricultural production and decrease the labour force. The robots used in agricultural applications are used for many processes such as seed sowing from plant inoculation, separation of weeds from harvesting process and collection of fruits. Thanks to the size, wheel structure and mobile systems that can be monitored in autonomous vehicles used in agricultural applications, their mobility in land environments is fast compared to large agricultural machines. However, the slip of the wheels of autonomous vehicles as a result of contact with a rugged terrain and an incline surface is an important element of restricting the movement and control. In order to eliminate these elements, to increase the performance capability of autonomous vehicles and to provide the desired sensitivity, comprehensive studies are carried out by the researchers of our day.In this thesis work, it is aimed to investigate the movement of a four-wheeled mobile robot vehicle which is intended for agricultural purposes and to examine this movement in a reference orbit. The robot's motion has been examined on both the straight and inclined surfaces. In order to make the movement planning of the mobile robot a car movement model which is called `car-like robot` in literature is taken as reference. The mathematical background of the reference model is fictionalized in MATLAB programming environment using both editorial environment and Simulink. A reference trajectory and a simulation tool were created in the MATLAB programming environment with the fiction. With the simulation results examined the factors affecting the movement of the mobile robot during the reference trajectory tracking of the mobile robot were discussed. In order to observe the simulation results on a real mobile robot a four-wheeled mobile robot designed and manufactured in the SolidWorks. The produced mobile robot has mechanical, software and electrical connections with the necessary equipment. Fictioned the mobil robot has been tested on straight and inclined surfaces. With the feedback sensor data added on the robot vehicle movement is examined. In practice, studies on mobile robot were compared with simulation results.