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系統識別號 U0026-2608201100595800
論文名稱(中文) 以全向移動機器人為致動器之旋轉型倒單擺平衡控制
論文名稱(英文) Balance Control of a Rotary Inverted Pendulum Actuated by an Omnidirectional Mobile Robot
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 工程科學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Engineering Science
學年度 99
學期 2
出版年 100
研究生(中文) 李岳翰
研究生(英文) Yueh-Han Li
學號 n96981042
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 214頁
口試委員 指導教授-何明字
口試委員-林鐘烲
口試委員-陳信助
口試委員-蕭霖癸
口試委員-楊松霈
中文關鍵字 全向移動機器人  旋轉型倒單擺  數學模型 
英文關鍵字 omnidirectional mobile robot  rotary inverted pendulum  mathematical model 
學科別分類
中文摘要 倒單擺系統為一種構造簡單、響應快速、不穩定之非線性系統,故學術領域常用來驗證各種先進的控制理論。在本論文中探討以全向移動機器人為致動器,達到旋轉型倒單擺之平衡控制,所以本系統是由兩個不同子系統所組成,其一為倒單擺系統本身,其二為全向移動機器人平台;而全向移動機器人為一種特殊輪式機器人,具有可在平面上任意移動而不需要改變其姿態的優點。
本論文先以Euler-Lagrange方法對先前研究的三維倒單擺系統建立動態數學模型,再依此模型設計LQR控制器,接著利用MATLAB/Simulink軟體進行模擬,最後將模擬結果與二維倒單擺系統模擬結果做比較。第二,以Euler-Lagrange方法建立旋轉型倒單擺系統之動態數學模型,並針對此模型利用LQR控制法則與順滑模態控制法則設計平衡控制器。在實作上,本系統使用德州儀器公司(Texas Instruments, TI)所生產的數位訊號處理器TMS320F2812做為控制核心以實現旋轉型倒單擺之平衡控制的目的。藉由模擬與實作結果得知,順滑模態控制具有較佳的性能及強健性。
英文摘要 The inverted pendulum system is a simple, fast, unstable and nonlinear system. Because of this, the system is usually used as a testbed for many advanced control theory. This thesis considers the problems of controlling a rotary inverted pendulum actuated by an omnidirectional mobile robot. This system consists two parts. One of them is the inverted pendulum itself, another one is the omnidirectional mobile robot’s plane. Omnidirectional mobile robot is a special type of wheeled robots, which can arbitrarily move on a plane without changing its pose.
There are two parts in this thesis: First, the Euler-Lagrange method is used to derive the dynamic model of the three-dimensional inverted pendulum system, which has been studied in our previous research. Then, MATLAB/Simulink software is used to simulate the model, and the simulated results are compared with those of the two-dimensional system model. Second, the Euler-Lagrange method is used to derive the dynamic model of the rotary inverted pendulum system. Then, the LQR control law and sliding mode control law are designed to achieve balance control of this system. In the experiments, balance control of the rotary inverted pendulum system actuated by an omnidirectional mobile robot is implemented through a digital signal processor (TMS320F2812) produced by Texas Instruments. The effectiveness of the control schemes are verified and validated through experimental and simulation studies. It is shown that sliding mode control has a better performance and robustness.
論文目次 摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖表目錄 VIII
第一章 緒論
1-1 研究背景 1-1
1-2 研究動機及目的 1-1
1-3 研究步聚 1-3
1-4 相關文獻回顧 1-6
1-5 本實驗室之相關成果 1-7
1-6 本文結構 1-8
第二章 三維倒單擺系統數學模型
2-1 前言 2-1
2-2 三維倒單擺系統數學模型之建立 2-1
2-3 全向移動機器人整體系統數學模型 2-23
2-4 系統控制力與控制電壓之轉換關係 2-29
第三章 旋轉型倒單擺系統數學模型
3-1 前言 3-1
3-2 旋轉型倒單擺系統數學模型之建立 3-2
3-3 全向移動機器人動態模型之建立 3-14
3-4 系統控制力與控制電壓之轉換關係 3-17
第四章 順滑模態控制理論探討
4-1 前言 4-1
4-2 順滑模態的介紹 4-1
4-3 迫近與順滑條件探討 4-2
4-4 傳統順滑模態控制器設計方法 4-4
4-5 滑動層的考量 4-7
4-6 非線性機電系統順滑模態控制器設計方法 4-8
第五章 平衡控制器設計與模擬結果
5-1 前言 5-1
5-2 LQR設計方法於三維倒單擺系統設計平衡控制器 5-3
5-3 LQR平衡控制器於三維倒單擺模擬結果 5-8
5-4 模擬響應比較 5-14
5-5 LQR設計方法於旋轉型倒單擺設計平衡控制器 5-28
5-6 LQR平衡控制器於旋轉型倒單擺模擬結果 5-30
5-7 非線性系統順滑模態控制設計方法於旋轉型倒單擺設計平衡控制
器 5-36
5-8 非線性系統順滑模態控制器於旋轉型倒單擺模擬結果 5-44
5-9 旋轉型倒單擺系統模擬響應的性能比較 5-50
第六章 旋轉型倒單擺系統機構設計與製作
6-1 前言 6-1
6-2 全向移動機器人機構設計與製作 6-2
6-3 倒單擺連結機構設計與製作 6-8
第七章 系統控制核心晶片與周邊電路介紹
7-1 前言 7-1
7-2 控制核心晶片與模組 7-1
7-2-1 數位訊號處理器TMS320F2812 7-2
7-2-2 QEP介面 7-3
7-2-3 PWM介面 7-4
7-2-4 通用型輸入輸出(General Purpose I/O, GPIO)介面 7-9
7-3 FPGA數位電路模組 7-10
7-3-1 FPGA 7-11
7-3-2 DSP記憶體位址解碼電路 7-12
7-3-3 QEP (Quadurature Encoder Pulse)電路 7-14
7-4 PWM馬達驅動模組 7-18
7-5 系統整體架構 7-22
第八章 平衡控制實作結果
8-1 前言 8-1
8-2 系統程式流程及整體控制系統架設 8-1
8-3 LQR控制器之平衡控制實現 8-4
8-4 順滑模態控制器之平衡控制實現 8-14
8-5 平衡控制器之實作響應比較 8-24
第九章 結論與未來展望
9-1 結論 9-1
9-2 未來展望 9-2

參考文獻
自述
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論文全文使用權限
  • 同意授權校內瀏覽/列印電子全文服務,於2016-09-05起公開。
  • 同意授權校外瀏覽/列印電子全文服務,於2018-01-01起公開。


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