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研究生: 楊文皓
Yang, Wen-Hao
論文名稱: 單輪機器人之穩定與路徑追隨控制
Stabilization and Waypoint Following Control of Unicycle Robot
指導教授: 何明字
Ho, Ming-Tzu
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 工程科學系
Department of Engineering Science
論文出版年: 2019
畢業學年度: 107
語文別: 中文
論文頁數: 219
中文關鍵詞: 單輪機器人二階順滑模態控制路徑追隨控制
外文關鍵詞: unicycle robot, second-order sliding mode control, waypoint following control
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  • 近年來單輪機器人的研究發展受到產學界高度重視,而單輪機器人系統的路徑追隨更是一個同時具有多重控制挑戰的系統,其必須同時達到路徑追隨控制以及姿態平衡穩定控制之目標。本論文將探討一個能夠同時達成此目標的線性路徑追隨控制器,並與本實驗室過往所研發的二階順滑模態控制器進行交互對照比較。首先吾人以Euler-Lagrange法推導單輪機器人之完整三維空間動態數學模型,再針對此數學模型進行順滑模態控制器以及路徑追隨控制器設計,最後再將此單輪機器人路徑追隨系統進行系統模擬以及實作驗證。本論文中吾人以加速規、陀螺儀及電子羅盤等慣性量測單元(inertial measurement units)來偵測系統姿態,再利用室內定位模組來取得系統之即時位置資訊,最後以數位訊號處理器實現單輪機器人之平衡穩定與路徑追隨控制。由實驗及模擬證明所設計之單輪機器人系統可同時達成路徑追隨與姿態穩定,且具良好之控制效能。

    The main objective of this thesis is to design a linear waypoint following controller to achieve both control objectives, stabilization of the unstable body and waypoint following, at the same time. And it is compared with a nonlinear second-order sliding mode controller which was developed by ourselves in the past. The Euler-Lagrange method is used to derive the dynamic model of the system. After that, the system model is used for designing both waypoint following controller and second-order sliding mode controller. Finally, the control system is validated through simulation and experiment studies. In experiments, an indoor GPS module is used to obtain the real-time position of the system. Both controllers are implemented through a digital signal processor. The experimental results shows that the performance of waypoint following controller is better than second-order sliding mode controller in waypoint following control.

    摘要 I Extended Abstract II 誌謝 VII 目錄 VIII 圖目錄 XII 表目錄 XIX 第一章 緒論 1-1 研究背景與動機 1-1 1-2 研究及目的 1-1 1-3 研究步驟 1-5 1-4 相關文獻回顧 1-6 1-5 本實驗室相關研究 1-10 1-6 論文結構 1-10 第二章 單輪機器人系統與馬達數學模型建立 2-1 前言 2-1 2-2 單輪機器人之數學模型建立 2-3 2-2-1 車輪質心位置 2-7 2-2-2 車身、方向控制飛輪、側向平衡反應輪質心位置 2-9 2-2-3 利用Euler-Lagrange 法求系統動態模型 2-16 2-3 單輪機器人系統動態分析 2-25 2-4 馬達數學模型之建立 2-29 2-4-1 直流有刷馬達數學模型推導 2-29 2-4-2 直流無刷馬達數學模型推導 2-34 第三章 二階順滑模態平衡控制器設計及模擬結果 3-1 前言 3-1 3-2 二階順滑模態控制器介紹 3-1 3-3 二階順滑模態控制之設計方法 3-2 3-4 超螺旋控制以及廣義超螺旋控制介紹 3-3 3-5 二階順滑模態控制器設計與模擬 3-4 3-5-1 輪型倒單擺控制器設計 3-4 3-5-2 慣性輪倒單擺控制器設計 3-11 3-5-3 飛輪旋轉系統控制器設計 3-16 3-5-4 控制系統模擬 3-17 第四章 路徑追隨控制法則及模擬結果 4-1 前言 4-1 4-2 單輪機器人系統的位置穩定 4-1 4-3 路徑追隨控制器設計 4-5 4-4 路徑追隨控制器模擬結果 4-13 第五章 單輪機器人系統機構設計與製作 5-1 前言 5-1 5-2 單輪機器人系統機構設計與製作 5-2 第六章 外部硬體電路與控制架構介紹 6-1 前言 6-1 6-2 電源管理 6-2 6-3 TMS320F2812數位訊號處理器 6-3 6-4 光耦合隔離電路 6-5 6-5 直流有刷馬達驅動器 6-6 6-6 直流無刷馬達驅動器 6-8 6-7 光學編碼器 6-9 6-8 IMU姿態感測器 6-10 6-8-1 IMU姿態感測器通訊 6-11 6-8-2 IMU姿態感測器校正 6-11 6-9 室內定位模組 6-24 6-10 Arduino Leonardo開發板 6-28 6-11 控制系統架構 6-29 第七章 單輪機器人系統實驗結果 7-1 前言 7-1 7-2 單輪機器人原地平衡實驗 7-1 7-2-1 二階順滑模態控制器原地平衡與干擾實驗 7-1 7-2-2 路徑追隨控制器原地平衡與干擾實驗 7-7 7-3 單輪機器人單一點路徑追隨實驗 7-12 7-3-1 二階順滑模態控制器角度控制實驗 7-13 7-3-2 二階順滑模態控制器單一點路徑追隨實驗 7-18 7-3-3 路徑追隨控制器單一點路徑追隨實驗 7-23 7-4 單輪機器人多點連續路徑追隨實驗 7-27 7-4-1 二階順滑模態控制器多點連續路徑追隨實驗 7-28 7-4-2 路徑追隨控制器多點連續路徑追隨實驗 7-33 7-4-3 路徑追隨控制器複雜路徑追隨實驗 7-37 第八章 結論與未來展望 8-1 結論 8-1 8-2 未來展望 8-1 參考文獻 Ref-1 附錄 A-1

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    https://www.arduino.cc/en/Main/Arduino_BoardLeonardo.

    下載圖示
    2026-09-01公開
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