Design and testing of two-wheeled robot with chaotic pendulum

Fedio, K.; Kiełkowski, M.; Katunin, A.; Panfil, W.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Design and testing of two-wheeled robot with chaotic pendulum

Autorzy

Fedio K. , Kiełkowski M. , Katunin A. , Panfil W.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Projekt i testowanie dwukołowego robota z wahadłem chaotycznym

Języki publikacji

Abstrakty

This paper deals with a theoretical modeling of equations of motion, simulation motion of and control both in virtual environments and in real-world conditions of a balancing two-wheeled robot with a double pendulum. By taking into consideration a motion of a double pendulum one needs to consider chaotic behavior of the whole system resulted by this pendulum, which is a significant difficulty in development of control algorithms. The main goal of the presented study is to reach dynamic balancing of a two-wheeled robot with a double pendulum under the certain scenarios of equilibrium disturbance. In order to apply appropriate control algorithms the following steps were assumed during the development of a robot: theoretical modelling of a motion of the composite system of inverted and double pendulums, stability analysis, simulation of various scenarios in virtual environments using the developed control algorithms, and construction of a physical model of a robot and verification of control algorithms. Both simulation and experimental studies demonstrated the successful balancing performance.

Artykuł dotyczy teoretycznego modelowania równań ruchu, symulacji ruchu i sterowania balansującego robota dwukołowego z podwójnym wahadłem zarówno w środowiskach wirtualnych, jak i w warunkach rzeczywistych. Biorąc pod uwagę ruch podwójnego wahadła, należy uwzględnić chaotyczny sposób działania całego układu spowodowany ruchem tego wahadła, co stanowi istotną trudność przy opracowywaniu algorytmów sterowania. Głównym celem prezentowanej pracy jest uzyskanie stanu stabilności dynamicznej robota dwukołowego z podwójnym wahadłem według poszczególnych scenariuszy zaburzenia jego równowagi. W celu zastosowania odpowiednich algorytmów sterowania następujące etapy zostały założone podczas opracowania robota: teoretyczne modelowanie ruchu układu złożonego z odwróconego i podwójnego wahadeł, analiza stabilności, symulacja różnych scenariuszy w środowiskach wirtualnych z zastosowaniem opracowanych algorytmów sterowania oraz opracowanie modelu fizycznego robota i weryfikacja algorytmów sterowania. Zarówno prace symulacyjne, jak i eksperymentalne wykazały zdolność do utrzymania równowagi.

Słowa kluczowe

two-wheeled robot inverted pendulum double pendulum chaotic motion non-linear control balancing stability

robot dwukołowy wahadło odwrócone wahadło podwójne ruch chaotyczny sterowanie nieliniowe stabilność dynamiczna

Wydawca

Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej. Oddział Gliwice

Czasopismo

Modelowanie Inżynierskie

Rocznik

2016

Tom

T. 27, nr 58

Strony

24--36

Opis fizyczny

Bibliogr. 33 poz.

Twórcy

autor

Fedio K.

Institute of Fundamentals of Machinery Design, Silesian University of Technology

autor

Kiełkowski M.

Institute of Fundamentals of Machinery Design, Silesian University of Technology

autor

Katunin A.

andrzej.katunin@polsl.pl

Institute of Fundamentals of Machinery Design, Silesian University of Technology

autor

Panfil W.

wawrzyniec.panfil@polsl.pl

Institute of Fundamentals of Machinery Design, Silesian University of Technology

Bibliografia

1. Sugihara T., Nakamura Y., Inoue H.: Realtime humanoid motion generation through ZMP manipulation based on inverted pendulum control. Proc. of the IEEE International Conference on Robotics & Automation, 2002, Vol. 2, Washington D.C., p. 1404-1409.
2. Lee J.H., Shin H.J., Lee S.J., Jung S.: Balancing control of a single-wheel inverted pendulum system using air blowers: Evolution of mechatronics capstone design. “Mechatronics” 2013, Vol. 23, p. 926-932.
3. Raffo G.V., Ortega M.G., Madero V., Rubio F.R.: Two-wheeled self-balanced pendulum workspace improvement via underactuated robust nonlinear control. “Control Engineering Practice” 2015, Vol. 44, p. 231-242.
4. Stilman M., Olson J., Gloss W., Golem rang: Dynamically stable humanoid robot for mobile manipulation. Proc. of the IEEE International Conference on Robotics & Automation, Anchorage, A , 2010, p. 3304-3309.
5. Li Z., Yang C.: Neural-adaptive output feedback control of a class of transportation vehicles based on wheeled inverted pendulum models., “IEEE Transactions on Control Systems Technology” 2012, Vol. 20, p. 1583-1591.
6. Spong M.W., Corke P., Lozano R.: Nonlinear control of the inertia wheel pendulum. “Automatica” 2001, Vol. 37, p. 1845-1851.
7. Pathak ., Franch J., Agrawal S. .: Velocity and position control of a wheeled inverted pendulum by partial feedback linearization “IEEE Transactions on Robotics” 2005, Vol. 21, p. 505-513.
8. Jung S., Cho H.T., Hsia T.C.: Neural network control for position tracking of a two-axis inverted pendulum system: Experimental studies. “IEEE Transactions on Neural Networks” 2007, Vol. 18, p. 1042-1048.
9. Yamakawa T.: Stabilization of an inverted pendulum by a high-speed fuzzy logic controller hardware system. “Fuzzy Sets and Systems” 1989, Vol. 32, p. 161-180.
10. Jung S., Kim S.S.: Control experiment of a wheel-driven mobile inverted pendulum using neural network. “IEEE Transactions on Control Systems Technology” 2008, Vol. 16, p. 297-303.
11. Li J., Gao X., Huang Q., Du Q., Duan X.: Mechanical design and dynamic modeling of a two-wheeled inverted pendulum mobile robot. Proc. of the IEEE Conference on Automation & Logistics, Jinian, 2007, p. 1614-1619.
12. Ren T.J., Chen T.C., Chen C.J.: Motion control for a two-wheeled vehicle using a self-tuning PID controller. “Control Engineering Practice” 2008, Vol. 16, p. 365-375.
13. Chiu C.H.: The design and implementation of a wheeled inverted pendulum using an adaptive output recurrent cerebellar model articulation controller. “IEEE Transactions on Industrial Electronics” 2010, Vol. 57, p. 18141822.
14. Srinivasan B., Huguenin P., Bonvin D.: Global stabilization of an inverted pendulum – control strategy and experimental verification. “Automatica” 2009, Vol. 45, p. 265-269.
15. Yi J., Yubazaki N., Hirota K.: A new fuzzy controller for stabilization of a parallel-type double inverted pendulum system. “Fuzzy Sets and Systems” 2002, Vol. 126, p. 105-119.
16. Furut K., Ochiai T., Ono N.: Attitude control of a triple inverted pendulum. “International Journal of Control” 1984, Vol. 39, p. 1351-1365.
17. Cheng F., Zhong G., Ji Y., Xu Z.:Fuzzy control of a double-inverted pendulum. “Fuzzy Sets and Systems” 1996, Vol. 79, p. 315-321.
18. Zhong W., Röck H.: Energy and passivity based control of the double inverted pendulum on a cart. Proc. of the IEEE Conference on Control Applications, Mexico City, 2001, p. 896-901.
19. Li H., Zhihong M., Jiayin W.: Variable universe adaptive fuzzy control on the quadruple inverted pendulum. “Science China Technological Sciences” 2002, Vol. 45, p. 213-224.
20. Li H., Wang J., Feng Y., Gu Y.: Hardware implementation of the quadruple inverted pendulum with single motor. “Progress in Natural Science” 2004, Vol. 14, p. 822-827.
21. Awrejcewicz J., Kudra G., Wasilewski G.: Experimental and numerical investigation of chaotic regions in the triple physical pendulum. “Nonlinear Dynamics” 2007, Vol. 50, p. 755-766.
22. Awrejcewicz J., Supeł B., Lamarque C.H., Kudra G., Wasilewski G., Olejnik P.: Numerical and experimental study of regular and chaotic motion of triple physical pendulum, “International Journal of Bifurcation and Chaos” 2008, Vol. 18, p. 2883-2915.
23. Awrejcewicz J., Krysko A.V., Papkova I.V., Krysko V.A.: Routes to chaos in continuous mechanical systems. Part 3: The Lyapunov exponents, hyper, hyper-hyper and spatial-temporal chaos. “Chaos, Solitons and Fractals” 2012, Vol. 45, p. 721-736.
24. Lavien R.B., Tan S.M.: Double pendulum: an experiment in chaos. “American Journal of Physics” 1993, Vol. 61, p. 1038-1044.
25. Zhou Z., Whiteman C.: Motions of double pendulum. “Nonliear Analysis” 1996, Vol. 26, p. 1177-1191.
26. Yu P., Bi Q.: Analysis of nonlinear dynamics and bifurcations of a double pendulum. “Journal of Sound and Vibrations” 1998, Vol. 217, p. 691-736.
27. Katunin A., Fedio K., Gawron V., Serzysko K.: Propozycja konstrukcji i sposobu badań eksperymentalnych dynamiki dwuczłonowego wahadła chaotycznego. “Aparatura Badawcza i Dydaktyczna” 2014, vol. 19, s. 53-59.
28. Wang R., Jing Z.: Chaos control of chaotic pendulum systems. “Chaos, Solitons and Fractals” 2004, Vol. 21, p. 201-207.
29. Christini D.J., Collins J.J., Linsay P.S.: Experimental control of high-dimensional chaos: the driven double pendulum. “Physical Review E” 1996, Vol. 54, p. 4824-4827.
30. Alasty A., Salarieh H.: Nonlinear feedback control of chaotic pendulum in presence of saturation effect. “Chaos, Solitons and Fractals” 2007, Vol. 31, p. 292-304.
31. de Korte R.J., Schouten J.C., van den Bleek C.M.: Experimental control of chaotic pendulum with unknown dynamics using delay coordinates. “Physical Review E” 1995, Vol. 52, p. 3358-3365.
32. Guan Z.H., Chen G., Ueta T.: On impulsive control of a periodically forced chaotic pendulum system. “IEEE Transactions on Automatic Control” 2000, Vol. 45, p. 1724-1727.
33. Awrejcewicz J., Wasilewski G., Kudra G., Reshmin S.A.: An experiment with swinging up a double pendulum using feedback control. “Journal of Computer and Systems Sciences International” 2012, Vol. 51, p. 176-182.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-cb4a2d0c-5809-48c7-868a-5cb31bc238d2