Mechatronic design of a two-wheeled mobile platform

• Autorzy: Ręczkowicz Szymon

Identyfikatory

DOI

10.7494/miag.2022.2.550.17

Warianty tytułu

PL

Mechatroniczny projekt dwukołowej platformy mobilnej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents the results of work on a project for a two-wheeled self-balancing mobile platform prepared as part of engineering work. The purpose of creating the structure was to enable the increased mobility of an adult over short distances in an urbanized environment. The whole design work was divided into several parts. In the first stage, requirements were assumed for the design of the device, electrical elements chosen, and a diagram of their electrical connections is presented. In the second part, the created CAD model of the structure is presented and some of mechanical elements described. In order to check the strength of the structure, the FEM analysis of the device body was carried out. The penultimate part was to analyze the problem of the inverted pendulum, which allowed to separate the state space model into a base subsystem and a control stick subsystem necessary to develop the control for the platform. In the last part, a stabilizing algorithm based on the LQR regulator was prepared and the use of sensory fusion in the form of a Kalman filter was focused on in order to increase the accuracy of determining the angle of deflection of the structure. Finally, simulations were prepared in the Simulink environment in order to check the correctness of the prepared algorithm. The whole was crowned with a summary of the work and setting directions for further research.

PL

W artykule przedstawiono wyniki prac nad projektem dwukołowej samobalansującej platformy mobilnej przygotowanym w ramach pracy inżynierskiej. Celem stworzenia konstrukcji było umożliwienie zwiększania mobilności osoby dorosłej na niewielkich odległościach w zurbanizowanym środowisku. Całość prac projektowych podzielono na kilka części. W pierwszym etapie przedstawiono wymagania założone dla projektu urządzenia, dobrano elementy elektryczne oraz schemat ich połączeń elektrycznych. W drugiej części omówiono stworzony model CAD konstrukcji oraz jego elementy mechaniczne. W celu sprawdzenia wytrzymałości konstrukcji dokonano analizy MES korpusu urządzenia. Przedostatnią częścią było przeanalizowanie zagadnienia odwróconego wahadła, które pozwoliło na wyprowadzenie modelu przestrzeni stanu z rozdzieleniem na podsystemy bazy i drążka sterowniczego niezbędnego do opracowania sterowania dla platformy. W ostatniej części przygotowano algorytm stabilizujący na podstawie regulatora LQR oraz rozważano zastosowanie fuzji sensorycznej w postaci filtru Kalmana w celu zwiększenia dokładności określania kąta odchylenia konstrukcji. Na koniec przygotowano symulacje w środowisku Simulink w celu sprawdzenia poprawności przygotowanego algorytmu. Całość została zwieńczona podsumowaniem prac oraz wytyczeniem kierunków dalszych badań.

Słowa kluczowe

EN

self-balancing vehicles; Kalman filter; two-wheeled structures

PL

pojazdy samobalansujące; filtr Kalmana; konstrukcje dwukołowe

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Mining – Informatics, Automation and Electrical Engineering
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 60, nr 2
• Strony: 17--34
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Ręczkowicz Szymon

• AGH University of Science and Technology al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Janczewska D.: Zrównoważony rozwój z perspektywy mikromobilności. Zarządzanie Innowacyjne w Gospodarce i Biznesie 2020, 29, 2: 165–187.
• [2] Ustawa z dnia 30 marca 2021 r. o zmianie ustawy – Prawo o ruchu drogowym oraz niektórych innych ustaw. Dz.U. z 2021 r., poz. 720.
• [3] Fryar C.D., Kruszon-Moran D., Gu Q., Ogden C.L., Mean body weight, weight, waist circumference, and body mass index among adults: United States, 1999–2000 through 2015–2016. National Center for Health Statistics (U.S.), USA, December 20, 2018.
• [4] Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie. Dz.U. z 2016 r., poz. 124.
• [5] The Robot MarketPlace. http://www.robotcombat.com/products/NPC-T74.html [10.05.2021].
• [6] L. Shenzhen Center Power Technology Co., CP12120 [product catalog].
• [7] Adamczyk M., Gawrońska K., Szczepanowska-Wołowiec B., Lorkowski J., Kotela A., Hładki W., Kotela I.: Ocena budowy anatomicznej stóp u studentów Uniwersytetu Jana Kochanowskiego w Kielcach. Ostry Dyżur 2016, 9, 3: 73–76.
• [8] Stoppi. Homemade Physics Experiments: Segway. https://stoppihomemade-physics.de/segway [5.11.2021].
• [9] Baker N., Brown C., Dowling D., Modra J., Tootell D., Cazzolato B.: State-Space Control of Electro-Drive Gravity-Aware Ride Final Report. 2006.
• [10] Johnston I.: Project 012 – Home Built Segway. https://www.ianjohnston.com/index.php/projects/48-project-012-homebuilt-segway [10.11.2021].
• [11] Machniewicz T.: Podstawy wytrzymałości materiałów. IMiR – MiBM – Wykład nr 2. Osiowe rozciąganie i ściskanie. http://zwmik.imir.agh.edu.pl/dydaktyka/dla_studentow/imir/IMiR_PWM_Wyklad_0220-20Rozciaganie20i20sciskanie.pdf [15.01.2022].
• [12] Batmanian S., Naga P.: Control and balancing of a small vehicle with two wheels for autonomous driving. KTH Royal Institute of Technology 2019 [master thesis].
• [13] An W., Li Y.: Simulation and control of a two-wheeled self--balancing robot. IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO), Shenzhen, China, 2013, pp. 456–461.
• [14] Sangotra D.I., Mendhe M., Kshirsagar S.D., Tamboli R.: Mathematical Modelling of Hover Board. Journal of Physics: Conference Series, May 2021, 1913, 1.
• [15] Spiller D.: Model-based development of a self-balancing, two--wheel transporter. University of Padua, Department of Technology and Management of Industrial Installations 2017 [master thesis].
• [16] Pasaye J.R., Valencia J.A.B., Pérez F.J.: Tilt measurement based on an Accelerometer, a Gyro and a Kalman Filter to control a self-balancing vehicle. 2013. https://ieeexplore-1ieee-1org100004799007c.wbg2.bg.agh.edu.pl/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6702711 [15.11.2021].
• [17] Chudzik S.: Zastosowanie tanich czujników inercyjnych w układzie regulacji kąta pochylenia pojazdu balansującego. Przegląd Elektrotechniczny 2015, 91, 6: 177–180.
• [18] Tryma J.: JT – Automatyka i programowanie. Jtjt.pl, http://jtjt.pl/odwrocone-wahadlo [10.11.2021].
• [19] Marada T., Matousek R., Zuth D.: Design of Linear Quadratic Regulator (LQR) Based on Genetic Algorithm for Inverted Pendulum. Mendel 2017, 23, 1: 149–156.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu „Społeczna odpowiedzialność nauki” - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023)