Dört tekerlekli mobil tarım robotunun tasarımı ve gri kurt optimizasyon algoritması tabanlı akıllı kontrolü

Abstract

Zirai robotlar son yıllarda, sanayi 4.0 da gelişmesiyle birlikte, tarım uygulamalarında oldukça fazla kullanılmaktadır. Bu doğrultuda bu çalışmada tarım sektöründeki tohumlama işleminin ve bununla ilgili diğer bağlantılı faaliyetlerin tek bir zirai makinede toplanıp otomasyon ve sanayi 4.0 sistemine entegre edilmesini sağlayan bir mobil tarım robotu dizaynı yapılmıştır. Yapılan tasarım ile robotun genellikle engebeli olan arazi şartlarına uyum sağlayabilmesi üzerinde durulmuş olup kazı, tohumlama ve sulama alt sistemlerine sahip olan mobil robotun statik, dinamik ve kinematik analizleri ile çevresel şartlara uyumlu, dayanıklı ve verilen görevleri yerine getirebilecek en uygun tasarım geliştirilmiştir. Ayrıca dört tekerlekli bir mobil robotun matematiksel modellenmesi yapılarak farklı koşullar altında rota takip performansı test edilmiştir. Matematiksel model çıkarımı aşamasında robotun kinematiği, ters kinematiği ve dinamik modeli elde edilmiştir. Dinamik model elde edilirken Lagrange Enerji metodundan yararlanılmıştır. Verilen referans yörüngeyi takip etmesi istenilen robotun 4 tekerleğinde bulunan DC motorlara beslenecek voltajları belirleyecek denetleyici tasarımı yapılmıştır. Dört ayrı motor için de PID denetleyicisinin kullanıldığı sistemde PID denetleyicilerinin parametreleri optimizasyon tabanlı olarak ayarlanmış olup gri kurt optimizasyon algoritmasından yararlanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre tasarımı yapılan robot başarılı bir şekilde verilen görevleri yerine getirdiği görülmektedir. Akıllı bir cihazdan girilen değerler doğrultusunda belirli aralıklarla x ve y eksenlerinde kazma, ekim, kapama ve sulama işlemlerini gerçekleştirmektedir. Verilen yörüngeyi başarılı bir şekilde takip etmekte ve belirtilen yerlere ekim işlemi gerçekleştirilmektedir. Simülasyon sonuçlarından da tasarımı yapılan gri kurt optimizasyon tabanlı PID denetleyicinin farklı yörüngeler için başarılı sonuçlar verdiği görülmektedir.

Agricultural robots have been widely used in agricultural applications in recent years, with the development of industry 4.0. In this direction, in this study, a mobile agricultural robot design was made that allows the insemination process in the agricultural sector and other related activities to be collected in a single agricultural machine and integrated into the automation and industry 4.0 system. With the design, it was emphasized that the robot can adapt to the generally rough terrain conditions, and the static, dynamic and kinematic analyzes of the mobile robot, which has excavation, seeding and irrigation subsystems, and the most suitable design that is compatible with environmental conditions, durable and able to fulfill the given tasks. In addition, a four-wheeled mobile robot is mathematically modeled and its trajectory tracking performance is tested under different conditions. In the mathematical model extraction phase, the kinematics, inverse kinematics and dynamic model of the robot were obtained. While obtaining the dynamic model, Lagrange Energy Method was used. A controller design has been made to determine the voltages to be fed to the DC motors on the 4 wheels of the robot that is required to follow the given reference trajectory. In the system where PID controller is used for four different motors, the parameters of the controllers are adjusted based on the gray wolf optimization algorithm. According to the results obtained, it is seen that the designed robot successfully fulfills the given tasks. In line with the values entered from a smart device, it performs digging, planting, closing and irrigation operations on the x and y axes at certain intervals. It follows the given trajectory successfully and the planting process is carried out in the specified places. From the simulation results, it is seen that the designed gray wolf optimization based PID controller gives successful results for different trajectories.