Autonomous mobile robots have attracted growing interest due to their paramount
significance in numerous applications including engineering, logistics, research and
medical fields. The mobile robots are classified based on the nature of mobility into
holonomic as well as nonholonomic. Omnidirectional wheeled mobile robot (OMRs)
has concerned superior consideration due to its maneuvering proficiency as it is able
to maneuver in any selected path directly from any position.
Producing the optimal trajectories for omnidirectional mobile robots so that it
enhances the comprehensive performance of physical properties or decreases the
consumption of the resources where the constraints system remains preserved among
the most important research topics in the field of the holonomic mobile robot.
Due to the motion and energy proficiency of the omnidirectional wheeled mobile
robots (OWMRs), it utilized to validate and test the efficiency and the competence of
new methods functioning in dynamic environment and involving advanced activities
such as trajectory planning optimization, moving ball estimation and obstacle
avoidance.
In this thesis, first, a complete and compact mathematical model for the symmetrical
annular-shaped omnidirectional wheeled mobile robot (SAOWMR) including the
kinematic and dynamic aspects is derived and certified. This general mathematical
model offers an occasion to perform research, experiments, and comparisons on the
omnidirectional mobile robots that utilize two, three, four, five, or even more
omnidirectional wheels without the necessity to switch models or derive a new model.
Then, a new computationally effective method based on the complete model of a
SAOWMR with n omnidirectional wheels is developed so that improvements in the
trajectory planning optimization (TPO) is achieved. Moreover, the trajectory planning
optimization proposed method has been experienced in collision-free navigation by
combining the problem of optimal control with the motion planner and the path
constraints. Furthermore, in this thesis, ball tracking and estimating of the ball position
is accomplished concerning the dynamic environment based on the Multi Sensor
Fusion of the Kalman Filter. Additionally, a new method is proposed concerning the
moving ball interception relative to the direction of the shoot so that the utilized motion
planner based on the Artificial Potential Field method.
Experimental tests and simulations are offered pointing to confirm the efficiency and
effectiveness of the proposed methods. Moreover, All the experiments in this thesis
done based on the use of SAOWMR with three omnidirectional orthogonal wheels
since it has full omnidirectional motion proficiency and provides three independent
motion directions on a flat surface so that it maneuvers and navigates in tight spaces.
ÖZ:
Otonom mobil robotlar, mühendislik, lojistik, araştırma ve tıp alanları dahil olmak
üzere çok sayıda uygulamada büyük önem taşımaları nedeniyle artan bir ilgi
görmüştür. Mobil robotlar, hareketliliğin doğasına göre holonomik ve holonomik
olmayan olarak sınıflandırılır. Çok yönlü mobil robotlar (OMR'ler), herhangi bir
konfigürasyondan herhangi bir yöne hareket edebilme manevra yetenekleri nedeniyle
üstün ilgi görmüştür.
Çok yönlü mobil robotlar için en uygun yörüngeleri üretme ve buna bağlı olarak
fiziksel özelliklerin genel performanslarını iyileştirme veya kısıtlı sistemlerde
kaynakların tüketimini azaltma, holonomik mobil robot alanındaki en önemli
araştırma konuları arasında yer almaktadır.
Yıllık RoboCup yarışması, çok yönlü mobil robotların kullanılabileceği önemli bir
fırsattır. Futbolcu çok yönlü mobil robotlar, çok yönlü mobil robotun optimum
yörünge oluşturma, hareketli top durdurma ve engellerden kaçınma gibi gelişmiş
faaliyetleri gerçekleştirebilmesi için dinamik ortama uygun etkili gerçek zamanlı
yöntemler kullanır.
Bu tezde, ilk olarak, simetrik halka şeklindeki çok yönlü tekerlekli mobil robot
(SAOWMR) için kinematik ve dinamik yönleri içeren kompakt ve eksiksiz bir
matematiksel model türetilmiş ve doğrulanmıştır. Bu genel matematiksel model,
modelleri değiştirmeye veya yeni bir model türetmeye gerek kalmadan iki, üç, dört,
beş ve hatta daha fazla çok yönlü tekerlek kullanan çok yönlü mobil robotlar üzerinde
araştırma, deney ve karşılaştırmalar yapmak için bir fırsat sunar.
Ardından, n çok yönlü tekerlekleri olan bir SAOWMR'nin tam modeline dayanan yeni
bir etkili hesaplama yöntemi geliştirildi ve buna bağlı olarak yörünge planlama
optimizasyonunda (TPO) iyileştirmeler elde edildi. Dahası önerilen yörünge planlama
optimizasyonu yöntemi, optimal kontrol problemini hareket planlayıcı ve yol kısıtları
ile birleştirerek çarpışmasız navigasyonda deneyimlenmiştir. Ayrıca bu tezde, Kalman
Filtresinin Çoklu Sensör Füzyonuna dayalı olarak RoboCup ortamına ilişkin top takibi
ve top pozisyonunun tahmini yapılmıştır. Ek olarak, kullanılan hareket planlayıcının
Yapay Potansiyel Alan yöntemine dayalı olarak, atış yönüne göre hareketli top
durdurma ile ilgili yeni bir yöntem önerilmiştir.
Önerilen yöntemlerin verimliliğini ve etkinliğini doğrulamak için deneysel testler ve
simülasyonlar sunulmuştur.
