Quanser 3DOF Benzeri Platform Tasarımı ve Kontrolü Hakkında

[s.dogacolakoglu]

İyi forumlar,

Quanser firmasının 3DOF Platform benzeri bir sistemi kendim baştan tasarlamaya çalışıyorum. Sistemin mekanik kısmını kopyalıyorum, ancak kontrol ve motor seçimi konusunda ciddi sıkıntılar yaşıyorum. TÜBİTAK'a da bu projeyle başvurdum.

Daha önce platformu kullanan birinden öğrendiğime göre, Quanser'in modelinde nonlinear dinamikler ihmal edilmiş ve açısal hızlar basitçe "filtrelenmiş türev" ile bulunmuş. Anladığım kadarıyla firma, o kadar para döküp aldığınız platformu asgari düzeyde kontrol edecek bilgileri size sağlıyor ve işin zor kısmını size bırakıyor.

Teorik altyapı olarak modern ve optimal kontrol (ayrık zaman dahil) yöntemlerine hakimim, ancak nonlinear sistemler için bilgim çok sınırlı.

1. Bu tür bir sistemi kontrol etmek için varsyalım ki full-state feedback veya LQR tasarlayacağım. Quanser'ın kullandığı gibi basit bir "filtrelenmiş türev" yöntemi, açısal hızları kestirmek için yeterince sağlıklı olur mu? Yoksa daha gelişmiş bir yöntem olan Kalman Filtresi kullanmam gerekir mi? Sistem nonlinear olduğu için EKF gerekli midir?

2. Varsayalım ki sistemi kontrol etmek için "küçük açı yaklaşımı" ile doğrusallaştırdım. Bu yöntemle, sistem +- kaç derecelik bir açı sapmasına kadar güvenle tolere edilebilir? Bu aralık neye bağlıdır? Bu aralığın dışına çıkıldığında (örneğin büyük açı manevraları yapmak gerektiğinde) sistemi nasıl kontrol edebilirim?

3. Quanser'ın orijinal platformunda kullandığı Pittman Lo-Cog DC motorlar oldukça pahalı. Ayrıca bu motorlar fırçalı. Normalde bu projeler için fırçasız DC motorlar öneriliyorken bu adamlar neden fırçalı DC motor kullanmışlar? Ben bu platform için nasıl bir motor kullanmalıyım?

https://coecsl.ece.illinois.edu/se423/datasheets/pittmanmotor.pdf

4. DC motorların genellikle iç direnç, iç endüktans vb. parametreleri datasheetinde paylaşılmıyor. Dolayısla motoru modelleyemiyorum. Sistem tanılama için Least Square ve Recursive Least Square algoritmalarını biliyorum, fakat fiziksel olarak verileri nasıl örnekleyeceğimi bilmiyorum. Ayrıca modelin FIT yüzdesi minimum ne kadar olmalı? Bu konuda da ayrıca yardıma ihtiyacım var.

 

[clc]

Sanırım daha önceden de benzer bir konu açmıştınız.

1) quanser deney setup ı üretiyor, kendisi basit örnek sunup bununla çalışan bir şey elde etse dahi daha üstünü de kurmanıza olanak veriyor. Bence bu sorunun cevabı yok, farklı şeyler deneyip performans artışı(performans metriği tanımlanmak şartıyla) karşılaştırılabilir. Çok karmaşık problemlere aşırı basit çözümler geliştirip çalışan bir şey elde etmek sektörde işe yarayabilir, akademi için farklı durumların performansa etkisi karşılaştırılmalı.

2) 3DOF dediğin setup ı bilmiyorum ama dediğin varsayımı inverted pendulum için yaptığında zaten pendulum u yerden kendisi yukarı kaldıramıyor, bunun için ek kontrolcü yapıp mod değişimi yapman gerekiyor. Yukarı elle dik olduğu pozisyona getirip start veriyorsun o tutuyor, yapılabilecek en minimal deney bu(lisans bazında deney olarak bunu sunduğunuzda bu işlemin yapılması bile 4-5 hafta sürüyor olması lazım. Dolayısıyla hedefleri abartmamak lazım, dediğim gibi firma deney setup ı üretip temelleri öğretiyor) hatta enkoderi incremental olduğu için deneyi yapan kişinin aslında yere ne kadar dik tuttuğu deney için bir faktör oluyor, küçük sapmalara olan etkisi enkoderin erroru olarak bir disturbance rejection oluyor. Aynı şekilde small angle için olan nereye kadar geçerliyi kendiniz analitik olarak bulabilirsiniz ya da simulasyon ortamında performansına bakarak karar verebilirsiniz. Daha büyük açılar içinde çalışmak isteyip o approximation dursun isterseniz o zaman birden fazla kontrolcü yapar mod değişimi yaparsınız.

3) Bu projeler için fırçasız önerisini kim yapıyor? Fırçalı olmasının sebebi matematiksel modeli kolay, kontrol eden donanım kolay. Oraya bir fırçasız takıp aynı işi yapmaya başladığınızda vektör kontrol şart olacak, bu sefer iq id akım kontrolcüleri de işin içine girecek, modelleme karışacak. Öğrenciye deney setup ı yaparken neden bu karmaşa oluşsun? Adam daha işin temelini öğrenmeye çalışıyor. Modeli güvenilir şekilde elde edilebilecek bir fırçalı motor kullanmak en mantıklısı. Bütçe sıkıntılıysa orta kaliye bir fırçalı motor alıp modelleme için gereken parametreler ölçülmeli ama inertia yı ölçmek çok kolay değil, parçalayıp geometri üzerinden yaklaşık değeri bulmak daha pratik olabilir. Günün sonunda fırçalı motor bir konfor alanı sunduğu için tercih ediliyor, parametreleri belirli ve doğru ölçüme inanmak gerektiği içinde kalitelisi tercih ediliyor. Aksi halde model tutmaz, sürekli öğrenciye gerçek hayatta da bu olur dersiniz öğrenci de derki neden bunları öğreniyorum ki o zaman?

4) katılmıyorum, kaliteli bütün markalar veriyor error marjinleriyle. Çinliler vermiyor ya da yanlış veriyor. Sargı direnci ve endüktansını ölçersin(bazıları direnci ve time constant ı verir bu arada) gerekirse, inertia içinde bir şekilde hesap yapman gerekir. Tork ve hız katsayısı için(ikisi aynı şey evet) verdiklerine güvenmezsen o zaman tork sensörü ile ya da daha basit bir setup ile test yaparsın. Pahalı motorun olayı birazda bu, parametreleri belli ve toleransı da belli olarak sana geliyor. Bu motoru modelleyeyim işinden kurtuluyorsun. Modelin fit yüzdesi şu kadar olmalı gibi bir şey söylenebilir mi bilmiyorum, bu aslında sistemin parametrelere hassasiyetine bağlı bir durum, hatta direkt prelab bile olur, kontrolcüyü tasarlat sonra de ki şu parametre +-%10 toleranslı +%10 ise sizin performansınız nasıl değişir, o yüzden bence yine cevabı yok.

 

[s.dogacolakoglu]

Öncelikle yanıtınız için çok teşekkür ederim. Daha önce bununla ilgili bir konu açmıştım fakat orda sensör-DAQ-PWM çalışmasını ve entegrasyonunu anlamaya çalışıyordum.

Size şu noktada katılmıyorum: Evet Quanser deney seti üretiyor ama babamın hayrına üretmiyor. Bu deney platformlarının tanesi yaklaşık 55-60 bin dolar. Eğer ben bu kadar para verebiliyorsam gain scheduling, linearization LQR, KF, EKF gibi şeyleri de görmeliyim. Teorisini bildiğim şeylerin pratiğini de anlamalıyım. Benim kızdığım nokta burası. Hem bu kadar para alınıyor hem de ortada hassas kontrol örneği yok.

Hedefleri abartmamak konusunda çok haklısınız. Proje zorluk konusunda da size kesinlikle hak veriyorum ama temel problem TÜBİTAK kabul etmiyor. Dolayısıyla bir şekilde kendimi zorlamak zorunda kalıyorum ki bu şekilde çok şey öğrendim, çok daha hızlı da öğreniyorum.

3DOF dediğim aslında normal drone setup'ı. Yalnızca attitude control yapıyorsunuz. Incremental'da disturbance rejection dediğiniz şey ADC'nin ara değerleri mi? Yani çıkış belli bir voltaj aralığında kalıp küçük sapmalara da aynı çıkışı vereceği için disturbance rejection dediniz değil mi? Small angle da analitik çözüm dediğiniz şey belirli açılarda nonlinear model ile linear model arasındaki hatayı bulmak mı? Ayrıca büyük açılar için anladığım kadarıyla gain scheduling'den kaçış yok.

İşin proje kısmına gelirsek proje maksimum bir sene (tasarım+yazılım+kontrol). Dolayısıyla bu süre içerisinde hem farklı observerlar hem farklı kontrolcüler denemem çok zor. Dolayısıyla yapacağım kıyasmalar PID, PID+kompanzatör, full-state feedback, LQR ve LQI olacak. Bunların hepsini luenberger+KF+EKF ile kombinasyonlamak neredeyse benim için imkansız. Çünkü pratik deneyimim hiç yok, bu da süreci ciddi anlamda etkiliyor.

Ben projeye başlarken çevremdeki herkes fırçasız olması gerektiğini söylemişti. Özellikle fırçasız motorlar çok yüksek amperler çektiği için işin içinden çıkamamıştım. Dediğiniz kalitedeki DC motorlar ne kadar? Rica etsem bir kaç marka model önerebilir misiniz?

Sorun kaliteli markaların ürünlerinin çok pahalı olması. Benim baktığım motorlarda datasheette yazan voltaj-akım-tork tablosu. Bu işlemlerin nasıl yapılacağı ile ilgili elinizde bir kaynak varsa paylaşır mısınız?

 

[clc]

Hocam fiyatta hatalısınız, elimde fiyat listesi yok ama geçmişte teklif görmüştüm ve hatırladığım kadarıyla 55-60 a belki 5-6 grupluk lab dizebilirsiniz gibi hatırlıyorum. Yani öyle fahiş bir fiyatlama yok. Bazı kontrol sistemleri için hazır şeyler sunsalarsa da adamların genel olarak ürünü al sen bununla akademik çalış değil, öğrenci eğit dolayısıyla gelen örnekler de ona göre(hatta lab manuel i, prework vs hepsibi sunuyor olmalı). Dolayısıyla kabiliyet var ama hepsinin örneği yok, hatta bazıları için belki sensörlerde uygun değil.

Hemen o distrubance rejection örneğini açıklayıp geçeceğim konuyu. Dediğim gibi pendulumu elle dik hale getiriyorsunuz, ama bunu gerçekten ne kadar dik yaptığınız biraz soru işareti, 0.1 derece kaçık olabilirsiniz 2 derece de. Ama aynı zamanda o enkoder absolute bile olsa dik olduğu durumda 0.05 derece de okuyup distrubance basabilirdi, dolayısıyla aslında setup ın çalışmasının tek sebebi yapılan kontrolün o hatayı tolere etmesi. Bunu denemek için elle 2-3 derece kayık başlattığınızda zaten fail ettiğini görüyordunuz(çünkü başlangıç konumunu dik sanıyor alet, pendulumu sürekli o açıda tutmak için uğraşıyor).

Nonlinear model ile approximationlar arasındaki hatayı bulup kendinize geçerli alan tanımlayabilirsiniz. Ama sınır bölgelerde performans metriklerinizde kayıp olsa da hala çalışan sistem olabilir. O yüzden bence bu tür şeyler biraz çalışmanın doğasına bağlı, birine göre olur diğerine göre kötü çalışıyor olur.

Proje eğer bu donanımı geliştirmek ise farklı, kontrolcüleri denemek ise farklı. Hepsi olsun ama ucuza olsun mantığı maalesef bizi ilerletmiyor. Donanımı yapmak zaten zorunluluk sizde, kalan kısımda da 1-2 kontrolcü çalıştırın kalan kısmı da sonraki nesil devam edecek gibi düşünün. En merak ettiklerinizi seçin, burada bir soru işareti yok bence.

Drone u ürün olarka yapıyorsan ya da hobi drone u evet fırçasız motor kullanırsın. Ama sen bildiğin deney setup ı yapıyorsun kendini büyük çıkmaza sokmanın anlamı yok. Kaliteli DC motorun fiyatı çok değişken. Senin sistem helikopter olan mı? Birden fazla 3DOF var. Helikopter olan ise orada bir ihtimal fırçasız ile de çözüme gidilebilir ama hiç emin değilim. Baktığın örneklerde modelleme nereden başlamış? Sanki motor+pervane kısmına volt to thrust tarzı bir plant yazarak ilerlemek lazım gibi. Bu durumda bir de pervane bilinmezi olabilir senin için. Kaliteli fırçalı motor konusunda maxon, faulhaber, kollmorgen, assun(kendim kullanmadım), portescap(nasıl alınır hiç fikrim yok, fırçasız motorunu kullandım fırçalısı var biliyorum), pittman gibi markalar geliyor aklıma ama bunların dışında çinde kaliteli olanlarda var. Bunlardan alacağın bir motor 200-300dolar bandına rahatlıkla çıkabilir özelliklerine göre. Senin pervane bilinmezin, ve pervane-motor bağlantısını nasıl yapacağın da oldukça kritik.

Son soruyu anlamadım, motor nasıl karakterize edilir diye mi soruyorsunuz? Sargı direncini güzel bir multimetre ile(sizin motorun ki kayda değer bir şey olacağı için 4wire ölçüm gibi şeylere bile gerek yok, büyük ihtimalle güzel bir masa üstü multimetre ile probları sıfırlayıp ölçseniz yeter), indüktansını bir lcr metre ile ölçersiniz(bu kısım biraz dertli olabilir). Ama inertia vs kısımları için ne yapılır bilmiyorum söküp rotoru modellemek ve o değeri doğru kabul etmek en kolayı sanırım. Ya da motorun üreticisine sorun

 

[s.dogacolakoglu]

Eylül 2024'de Florida Atlantik Üniversitesi'ne sadece bu deney platformu 25 bin dolara satılmış. DAQ falan bunları saymıyorum. Eke bıraktım. Platformun ismi "3DOF Hover".

Kabiliyet konusunda GPS kapalı ortamlarda çekmediği için kullanamıyoruz. IMU'da hareketi kısıtlı bir sistem için sağlıklı olur mu bilmiyorum. Belki füzyon olabilir ama IMU'ların hareketli cisimlerde daha iyi veri ürettiğine dair bir şeyler okumuştum. Ayrıca motorlardan kaynaklı sensör gürültüsü olur mu bu da başka konu. Elimde hazır platform olmadığı için bunları göremiyorum. Aslında böyle bir başlık açmamın da sebebi buydu. Daha önce uğraşayan insanların tecrübelerinden yararlanmak.

Disturbance rejection dediğiniz şeyi şimdi anladım. Bir bakıma sapma açısının tolerasından bahsediyoruz. Aslında kontrolcü tasarlama sebeplerimizden bir tanesi de bu. Bir sistemi istediğimiz konumda şartlar ne olursa olsun regüle edebilmek. Bu yüzden de gain scheduling'i sormuştum.

Sınır koşullarında sistemin nasıl çalıştığını anlamak için faz portresi çizmek gerekir mi? Yoksa anlamanın daha kolay başka yolları var mı? Aslında tasarlarken performans olarak düşük overshoot'lu ve düşük settling time'lı bir sistem tasarlayabilmek tercihim olacak.

1-2 nesil devam etme konusu şöyle. Eğer bu projeyi başarı ile tamamlayabilirsem bu platformu başka insanların da yararlanabilmesi için kendi üniversiteme hediye edeceğim. Ayrıca proje sonunda açık kaynak kodlu, modelleme ve kontrolcü tasarım kitapçığı ile birlikte github gibi bir platformda yayınlamayı planlıyorum. Önceki başlıktaki konuşmamız da faulhaber söylemiştiniz. Araştırıp motorlarına baktım fakat çok pahalı. 4 tane motor nereden baksanız 1500 dolar yapıyor. Daha bu sistem içerisinde almam gereken başka şeyler de olduğunu düşünürsek motorlara böyle bir bütçe ayırmam mümkün değil. Ayrıca daha pervane konusunu düşünmedim bile çünkü elimde motor yok. Aslında çalışacağım motoru seçip sonrasında pervane üzerine kafa yoracaktım.

Son kısımda motorun belli parametrelerinin bilinmemesini ölçerek bulabileceğimi söylemiştiniz. Aslında bende bu ölçme işlemlerini nasıl yapacağımı sormuştum fakat buna yanıt vermişsiniz.

 

[czorgormez]

bu platformların yerli üreticisi var 6 DOF 12 kg taşıyabilen platform 9000 dolar, ufak 3 dof ürünleri de var belki buradan uğraşmadan uygun fiyatlı bir çözüm bulursun.

Acrome Robotics - Robotics Products for Academia and R&D

ACROME provides robotic and mechatronic solutions with its products for industries and academia.

acrome.net

 

[s.dogacolakoglu]

Üreticinin ürünlerine baktım, aynı ürün olmasa da benzer ürünler var. Ayrıca klasik uygulamaya yönelik de çok güzel ürünleri var. Paylaşım için teşekkür ederim.

 

[czorgormez]

GPS ile ne yapmaya çalıştığını tam anlamadım ama kapalı alanlar içinde lokasyon ihtiyacın varsa 5 cm civarı çözünürlükte çıktı üreten uwb sistemler var pahalı da değiller.

IMU hareketi kısıtlı böyle bir platformda sana azimuth-elevation-skew olarak veya quaternion kullanıyorsan q1 q2 q3 q4 parametrelerini üretir. tabi sistem ilk açılışta azimuth eksenini bilemez ama eğer gerekli ise bunu pusuladan üretebilir. bunlar da pahalı şeyler değil hatta bosch firmasının 9 eksen imu füzyonunu kendi içinde yapan chipleri var.

sistemde mutlaka linear bir motor mu kullanmak zorundasın. tabla ya da sistem hareketlerini IMU ya da encoder feedbackli bir step motor sistemi ile de yapabilirsin. videodaki sistem imu ve gyrolar kullanarak elde ettiği feedbackler ile step motorlarla platform stabilizasyonu yaparak hareketli bir araçta uyduyu takip ediyor. tabi bu çok abartı bir test gerçek hayatta bir otobüs veya teknenin merkezinin bu eksenel hızlarda hareket etme şansı yok.

 

[s.dogacolakoglu]

GPS+IMU ile KF olabilir diye konusu geçmişti ama sistem kapalı ortamda çalışacağı için bu pek mümkün değil. uwb doğrudan mesafe ölçmüyor mü?

Bosch'un o sensörlerini biliyorum. Daha önce BNO086 almıştım fakat entegre çok küçüktü. Ayrıca devresini kurup test etmek için teoriğimin çok zayıf olduğunu farkettim, kenarda yatıyor. Onu daha sonrasında bir modüle dönüştürerek değerlendirmeyi düşünüyorum.

Lineer motor kullanmak zorunda değilim ama bu sefer de işin içerisine nonlinear kontrol giriyor. Sistem zaten nonlinear, motor da nonlinear olursa işin içinden nasıl çıkarım bilmiyorum. Lisans seviyesinde olduğum için nonlinear dersi yok. Yalnızca araştırarak bilgi sahibi oluyorum. Aslında başlığı açmamın bir sebebi de bu. Nonlinear sistemlerin modellenip doğrusallaştırılması ve kontrolü.

Yaptığınız proje de otobüs veya teknin merkezinde öyle hareket etme şansı yok ama sisteminizin bu response'u vermesi iyi kontrolcü tasarlandığını göstermiyor mu? Olası tüm seneryolara karşı sistem uyduyu takip edilebilecek.

 

[fide]

3-DoF Copter for Dynamic Control | Acrome Robotics

The 3-DoF Copter is an educational platform that provides hands-on experience in MIMO control systems and HIL simulations.

acrome.net