Projekt systemu sterowania dwukołowym robotem balansującym

• Autorzy: Laddach Krzysztof , Łangowski Rafał

Identyfikatory

DOI

10.32016/1.68.05

Warianty tytułu

EN

A control system design for two-wheeled balancing robot

• Konferencja: Zastosowanie komputerów w nauce i technice 2019 (XXIX ; 2019 ; Gdańsk ; Polska)
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W niniejszym artykule rozważony został problem sterowania dwukołowym robotem balansującym. Celem zaprezentowanych prac było zaprojektowanie systemu sterowania tego typu obiektem z wykorzystaniem metod nowoczesnej teorii sterowania. W ramach syntezy, bazując na wyprowadzonym w oparciu o zasady dynamiki Newtona modelu, dobrana została struktura systemu sterowania w postaci regulatora wykorzystującego sprzężenie zwrotne od stanu oraz sprzężenie w przód od zadanej wartości prędkości liniowej robota. Dobór wzmocnień regulatora w sprzężeniu od stanu wykonano z wykorzystaniem technologii sterowania optymalnego z kwadratowym wskaźnikiem jakości. Ponadto, z uwagi na niedostateczną jakość pomiarów używanych w sterowaniu, opracowano dyskretny filtr Kalmana. Jakość opracowanego rozwiązania została przetestowana, przede wszystkim symulacyjnie, w środowisku Matlab/Simulink. Zawarte rozważania agregują wiedzę umożliwiającą zaprojektowanie systemu sterowania obiektami tej klasy, co może być użyteczne szczególnie w różnych aplikacjach inżynierskich.

EN

A two-wheeled balancing robot is one type of structures based on the principle of a mobile inverted pendulum. The main aim of controlling a balancing robot is to stabilise it at the upper equilibrium point and to enable its movement with the set speed. In this paper, a synthesis of a balancing robot control system has been given. Within its framework, based on the model using Newton's laws, a feedforward state-feedback control system structure has been designed. The controller parameter values have been computed using optimisation tools. More specifically, the linear-quadratic regulator (LQR) has been designed. Moreover, due to the insufficient quality of measurements used in the control system, a linear discrete Kalman filter has been developed. The complete control system has been implemented and tested in the Matlab/Simulink environment.

Słowa kluczowe

PL

LQR; regulator liniowo-kwadratowy; robot balansujący; system sterowania

EN

LQR; linear quadratic regulator; balancing robot; synthesis of control system

• Wydawca: Wydział Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej
• Rocznik: 2019
• Tom: Nr 68
• Strony: 27--32
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys.

Twórcy

autor

Laddach Krzysztof

• Politechnika Gdańska, Wydział Elektrotechniki i Automatyki

autor

Łangowski Rafał

• Politechnika Gdańska, Wydział Elektrotechniki i Automatyki

Bibliografia

• 1. Zhuang Y., Hu Z., Yao Y.: A two-wheeled selfbalancing robot dynamic model and controller design, Proceedings of the 11th World Congress on Intelligent Control and Automation, Shenyang, China, June 2014.
• 2. Kędzierski J., Janiak M.: Budowa robota społecznego FLASH, Materiały konferencyjne 12 Krajowej Konferencji Robotyki, Świeradów-Zdrój, Polska, Wrzesień 2012.
• 3. Sakagami Y., Watanabe R., Aoyama C., Matsunaga S., Higaki N., Fujimura K.: The intelligent ASIMO: system overview and integration, Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Lausanne, Switzerland, October 2002.
• 4. Pipczyński P., Piotrowski R.: Projekt techniczny i wykonanie dwukołowego balansującego pojazdu mobilnego, Pomiary Automatyka Robotyka, Nr 2/2012, 2012, s. 241-246.
• 5. Ciężkowski M., Mystkowski A.: Projekt dwukołowego samobalansującego pojazdu, Przegląd Elektrotechniczny, Nr 2/2015, 2015, s. 147-152.
• 6. Prasad M., Nirwan N. W.: Design and fabrication of automatic balancing bicycle, International Journal of Science, Engineering and Technology Research, vol. 5(2), 2016, pp. 532-536.
• 7. Tomera M.: Zmiana położenia układu odwróconego wahadła przy użyciu sterowania ślizgowego, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej, Nr 40/2014, 2014, s. 119-126.
• 8. Gonzales C., Alvarado I., Muñoz La Peña D.: Low cost two-wheels self-balancing robot for control education, IFAC PapersOnLine, vol. 50(1), 2017, pp. 9174-9179.
• 9. Kędzierski J., Tchoń K.: Feedback control of a balancing robot, IFAC Proceedings, vol. 42(13), 2009, pp. 495-500.
• 10. Mahmoud M. S., Nasir M. T.: Robust control design of wheeled inverted pendulum assistant robot, IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, vol. 4, No. 4, 2017, pp. 628-638.
• 11. Pathak K., Franch J., Agrawal S. K.: Velocity and position control of a wheeled inverted pendulum by partial feedback linearization, IEEE Transactions on Robotics, vol. 21, No. 3, 2005, pp. 505-513.
• 12. Małka P.: Pozycjonowanie i nadążanie minirobota kołowego, Rozprawa doktorska, Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie, Kraków 2007.
• 13. Slotine J-J. E., Li. W.: Applied nonlinear control, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, US 1991.
• 14. Badu S. S., Pillai A. S.: Design and implementation of two-wheeled self-balancing vehicle using accelerometer and fuzzy logic, Proceedings of the 2nd Conference on Computer and Communication Technologies, New Delhi, India, September 2016, vol. 381, pp. 45-53.
• 15. Nise N. S.: Control Systems Engineering, 6th edition, John Wiley & Sons, Inc., US, 2011.
• 16. Åström K. J., Murray R. M.: Feedback systems: An introduction for scientists and engineers, Princeton University Press, US 2008.
• 17. Chan R. P. M., Stol K. A., Halkyard C. R.: Review of modelling and control of two-wheeled robots, Annual Reviews in Control, vol. 37(1), 2013, pp. 89-103.
• 18. Trojnacki M.: Modelowanie dynamiki mobilnych robotów kołowych, Oficyna Wydawnicza PIAP, Warszawa, 2013.
• 19. Grygiel R., Bieda R., Wojciechowski K.: Metody wyznaczania kątów z żyroskopów dla filtru komplementarnego na potrzeby określania orientacji IMU, Przegląd Elektrotechniczny, Nr 9/2014, 2014, s. 217-224.
• 20. Grewal M. S., Andrews A. P.: Kalman filtering: Theory and practice, 2nd edition, John Wiley & Sons, US 2001.
• 21. Kędzierski J.: Filtr Kalmana – zastosowania w prostych układach sensorycznych, www.konar.pwr.wroc.pl.
• 22. Laddach K.: Robot balansujący – model, sterowanie, realizacja, Praca inżynierska, Politechnika Gdańska, Gdańsk 2017.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).