Diagnosis and recovery of hardware faults encountered during operation of mobile robots

Abstract

Mobile robots are used in many critical tasks. In such tasks, it is of great importance to tolerate the faults that the robot may encounter during the operation in order to complete the task successfully. This dissertation focuses on tolerating the faults that occur in the hardware of the mobile robots. To tolerate these faults, it is necessary to be prepared for the faults that the robot may encounter during the operation and to determine an appropriate fault toleration strategy. The mobile robot considered in this dissertation has holonomic motion ability in the plane thanks to its omnidirectional wheels. The types of faults focused on are the slippage of one of the wheels of this mobile robot and the performance degradation in the motor that actuates one of the wheels. To tolerate these two faults, an active fault tolerant control method is developed. A model-based fault diagnosis algorithm is developed for fault diagnosis algorithm, which is one of the two main parts of active fault tolerant control. To obtain the dynamic model of the mobile robot that is used in this algorithm, firstly, the friction between the wheel and the ground used is modeled. The parameters of the friction model are identified via the developed test setup. As a result of the tests performed for fault diagnosis, it is seen that these two types of faults occurring in the holonomic mobile robot can be diagnosed with developed fault diagnosis algorithm. In order to tolerate these faults, two different fault recovery algorithms which make use of kinematic redundancy of the mobile robot are developed, and the developed algorithms are tested. As a result of the fault recovery tests performed for the motor performance degradation, it is observed that the motion performance of the mobile robot improved despite the presence of the fault. Thanks to the developed recovery algorithm in the recovery tests for wheel slippage, it is observed that there is a significant decrease in the amount of slippage occurring on the faulty wheel and accordingly the mobile robot performs the desired motion more accurately.

Bu tezde gezici (mobil) robotların donanımlarında ortaya çıkan hataların giderilmesi konusuna odaklanılmıştır. Mobil robotlar birçok kritik görevde kullanılmaktadır. Bu tip görevlerde, robotun görev sırasında karşılaşabileceği hataların giderilmesi görevin başarı ile tamamlanabilmesi açısından büyük önem arz etmektedir. Bu hataların giderilmesi için robotun görev sırasında karşılaşabileceği hatalar için hazırlıklı olunmalı ve bir hata giderme stratejisinin belirlenmesi gerekmektedir. Tezde kullanılan mobil robot bünyesinde bulundurduğu çok yönlü tekerlekler sayesinde düzlemde holonomik olarak hareket edebilen bir gezici robottur. Tez sırasında odaklanılan hatalar, bu mobil robotun tekerleklerinden birinde meydana gelebilecek kayma ve tekerleklerden birini tahrik eden eyleyicilerden birinde ortaya çıkabilecek performans düşüşüdür. Bu iki tip hatanın telafi edilmesi için aktif olarak hatayı giderebilecek bir denetim yöntemi geliştirilmiştir. Aktif hata giderilmesinin iki ana unsurundan biri olan hatanın teşhisi için model tabanlı bir hata teşhis algoritması geliştirilmiştir. Bu algoritmada kullanılan mobil robotun dinamik modelinin elde edilebilmesi için öncelikle mobil robotta kullanılan tekerlek ile zemin arasındaki sürtünme modellenmiştir. Kullanılan sürtünme modelinden bulunan parametreler geliştirilen test düzeneği ile bulunmuştur. Geliştirilen hata teşhis algoritması için gerçekleştirilen testler sonucunda robotta ortaya çıkan hatanın bu iki hata türünden hangisi olduğunun teşhis edilebildiği görülmüştür. Bu hataların giderilmesi için tezde iki farklı hata telafi algoritması geliştirilmiş ve geliştirilen algoritmalar test edilmiştir. Motor hatası için gerçekleştirilen hata telafi testleri sonucunda hatanın varlığına rağmen robotun hareketinde iyileşme olduğu görülmüştür. Tekerlek kayması için yapılan telafi testlerine geliştirilen telafi algoritması sayesinden hatalı tekerlekte meydana gelen kayma miktarında önemli ölçüde bir düşüş gerçekleştiği ve buna bağlı olarak mobil robotun istenen hareketi daha doğru olarak yapabildiği görülmüştür.