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研究生: 王俊諺
Wang, Chun-Yen
論文名稱: 利用二階順滑模態控制之單輪機器人平衡與路徑追隨
Balance Control and Path Following of a Unicycle Robot using Second-Order Sliding Mode Control
指導教授: 何明字
Ho, Min-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: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 201
中文關鍵詞: 單輪機器人二階順滑模態控制軌跡追隨慣性量測單元卡門濾波器
外文關鍵詞: Unicycle robot, Second-order sliding mode control, Path following, Inertial measurement unit, Kalman filter
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  • 摘要
    單輪機器人系統因僅有一個驅動輪與地面接觸,因此其系統屬於不穩定之非線性系統,故常被用來驗證各式非線性控制理論的效能。本論文旨在將吾人所設計之單輪機器人系統,利用二階順滑模態控制器,完成穩定平衡之控制且達到弧形與S形之路徑追隨。論文中吾人以Euler-Lagrange法推導其完整的三維空間動態數學模型,再針對此數學模型進行系統模擬與二階順滑模態控制器設計,論文中吾人以慣性量測單元姿態感測器來偵測系統姿態,並輔以卡門濾波器以得到較佳之回授訊號,最後以數位訊號處理器(TMS320F2812)實現單輪機器人路徑追隨控制。實驗證明所設計二階順滑模態控制器應用於單輪機器人系統,確實有相當不錯的控制效能。

    關鍵字:單輪機器人;二階順滑模態控制;軌跡追隨;慣性量測單元;卡門濾波器

    SUMMARY
    The unicycle robot is a nonlinear system which has only a single wheel that interacts with the ground such that the system is unstable and underactuated. This system can be used as a testbed for studying nonlinear control schemes. The main objective of this thesis is to design the second-order sliding mode controller to balance the robot and follow a planned path. The Euler-Lagrange method is used to derive the dynamic model of the system. It is used for the system stimulation and control design. In experiments, an inertial measurement unit is used to measure attitude angles of the system and Kalman filter is used for sensor fusion. The balance and path following control laws are implemented through a digital signal processor (TMS320F2812). To validate the implemented system, the experimental results show the performance of the proposed controller.

    Keywords: Unicycle robot, Second-order sliding mode control, Path following, Inertial measurement unit, Kalman filter

    目錄 頁次 摘要 I Abstract II 誌謝 VIII 目錄 IX 圖表目錄 XII 第一章 緒論 1-1 研究背景與動機 1-1 1-2 研究目的 1-2 1-3 研究步驟 1-3 1-4 相關文獻回顧 1-5 1-5 本實驗室相關研究 1-13 1-6 論文結構 1-13 第二章 單輪機器人系統與直流無刷馬達數學模型建立 2-1 前言 2-1 2-2 單輪機器人於斜坡與平面上之數學模型建立 2-2 2-3直流無刷馬達數學模型之建立 2-30 2-3-1 直流無刷馬達介紹與控制原理 2-30 2-3-2 直流無刷馬達數學模型推導 2-33 2-4 單輪機器人系統整體數學模型與動態分析 2-39 第三章 二階順滑模態平衡控制器設計及路徑追隨與模擬結果 3-1 前言 3-1 3-2 二階順滑模態控制器介紹 3-1 3-3 一階與二階順滑模態控制理論比較 3-2 3-4 二階順滑模態控制之設計方法 3-3 3-5 超螺旋控制介紹 3-4 3-6 二階順滑模態控制器設計與模擬 3-4 3-6-1 輪型倒單擺控制器設計 3-5 3-6-2 慣性輪倒單擺控制器設計 3-11 3-6-3 飛輪旋轉系統控制器設計 3-15 3-6-4 控制系統模擬 3-16 3-7 路徑規劃 3-25 3-7-1 點對點路徑追隨控制 3-26 3-7-2 弧形路徑追隨控制 3-32 3-7-3 S形路徑追隨控制 3-39 第四章 單輪機器人系統機構設計與製作 4-1 前言 4-1 4-2 單輪機器人系統機構設計與製作 4-2 第五章 外部硬體電路與控制架構介紹 5-1 前言 5-1 5-2 電源管理 5-1 5-3 數位式IMU姿態感測器 5-3 5-3-1 姿態感測器介紹 5-3 5-3-2 姿態感測器校正 5-5 5-3-3 數位式姿態感測器與類比式姿態感測器比較 5-14 5-4 控制系統架構介紹 5-16 5-5 直流無刷馬達驅動器介紹 5-19 5-6 PWM馬達驅動器介紹 5-24 5-7系統核心晶片介紹 5-25 5-8 eCAN通訊模組介紹 5-25 第六章 單輪機器人實作結果 6-1 前言 6-1 6-2 單輪機器人平衡控制實驗 6-1 6-3 單輪機器人直線行進追隨控制實驗 6-12 6-4 單輪機器人點對點折線路徑追隨控制實驗 6-14 6-5 單輪機器人弧形路徑追隨控制實驗 6-18 6-6 單輪機器人S形路徑追隨控制實驗 6-23 第七章 結論與未來展望 7-1 結論 7-1 7-2 未來展望 7-1 參考文獻 Ref-1 附錄A 物理參數表 A-1 附錄B 單輪車系統平面動態方程式 B-1 附錄C 單輪車斜坡系統數學動態方程式 C-1

    參考文獻
    [1] 賽格崴公司網站http://www.segway.com/

    [2] 村田製造所網站http://www.murata.com/new/news_release/2008/0923.html

    [3] 陳奕隆,「單輪車系統平衡控制之設計與實現」,國立成功大學工程科學系碩士論文,民國九十九年七月。

    [4] 柯俊廷,「單輪車機器人之路徑追隨控制」,國立成功大學工程科學系碩士論文,民國一○二年六月。

    [5] Y. Kim, S. H. Kim, and Y. K. Kwak, “Dynamic Analysis of a Nonholonomic Two-wheeled Inverted Pendulum Robot,” Journal of Intelligent and Robotic system, Vol. 44, No. 1, pp. 25-46, 2005.

    [6] 凌朝雄,「慣性輪單擺之非線性控制」,國立成功大學工程科學系碩士論文,民國九十三年七月。

    [7] M. Q. Dao, and K. Z. Liu, “Gain-Scheduled Stabilization Control of aUnicycle Robot,” JSME International Journal, Vol. 48, No. 4, pp. 469-656, 2005.
    [8] Thai Public Bui 個人網站https://www.youtube.com/watch?v=vOHBPEoxH6A

    [9] 日本業餘私人工作室網站https://www.youtube.com/watch?v=jlWPhpQMzqg

    [10] 藤川明洋,「自律走行型一輪車ロボットの開発」,知能機械システム工学科卒業論文,2003.

    [11] S. Usui, S. Kamoshita, and Y. Nagata, “Postural Stabilization of a Unicycle,” Nippon Kikai Gakkai Ronbunshu, C Hen/Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Part C, Vol. 62, No. 600, pp. 3124-3131, 1996.

    [12] C. N. Huang, “The Development of Self-Balancing Controller for One-wheeled Vehicles,”Engineering, Vol. 2, No. 4, pp. 212-219, 2010.

    [13] C. C. Tsai, C. K. Chan, S. C. Shih, and S. C. Lin, “Adaptive Nonlinear Control using RBFNN for an Electric Unicycle,” Proceedings of IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, pp. 2343-2348, 2008.

    [14] S. C. Lin, C. C. Tsai, X. Q. Shih, and C. H. Lu, “Linearized Two-loop Posture and Speed Control of an Electric Unicycle,” Proceedings of 2010 International Conference on System Science and Engineering, pp. 245-250, 2010.

    [15] 林浩軒,「利用全狀態回授線性化的球與輪系統之平衡控制」,國立成功大學工程科學系碩士論文,民國九十五年七月。

    [16] 洪聆剛,「兩輪倒單擺機器人之平衡控制」,國立成功大學工程科學系碩士論文,民國九十九年一月。

    [17] 鄭文勝,「利用順滑模態控制之球與球系統穩定化」,國立成功大學工程科學系碩士論文,民國一○○年七月。

    [18] 路昌股份公司永磁式直流無刷馬達:
    http://lutron1980.pixnet.net/blog/post/28425129-。

    [19] D. Juricic, O. Moseler, and A. Rakar,“Model-based Condition Monitorof an Actuator System Driven by a Brushless DC Motor,” Control of Engineering Practice, Vol. 9, No. 5, pp. 545-554, 2000.

    [20] R. C. Hibbeler, Engineering Mechanics Dynamics, Prentice Hall, University of Louisiana, Lafayette, 2009.

    [21] 許智韋,「二階順滑模態平衡控制之倒單擺系統」,國立成功大學工程科學系碩士論文,民國一○三年一月。

    [22] 黃彥翔,「姿態航向參考系統研發與雙足機器人之步態規劃」,國立成功大學工程科學系碩士論文,民國一○三年七月。

    [23] 黃建琛,「控力矩陀螺致動倒單擺系統之平衡控制」,國立成功大學工程科學系碩士論文,民國一○三年七月。

    [24] A. Pisano, Sliding Mode Control: Theoretical Developments and Applications to Uncertain Mechanical Systems, Ph. D. dissertation, Universita degli Studi di Pavia, 2008.

    [25] 穩壓IC UVP-24/4.5-D24P-C datasheet http://www.mouser.com/ds/2/281/uvq_series-179914.pdf

    下載圖示 校內:2022-02-06公開
    校外:2022-02-06公開
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