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系統識別號 U0026-2808202017173300
論文名稱(中文) 以陀螺效應平衡單輪機器人之控制
論文名稱(英文) Control of the Gyroscopically Balanced Unicycle Robot
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 工程科學系
系所名稱(英) Department of Engineering Science
學年度 108
學期 2
出版年 109
研究生(中文) 廖柏翔
研究生(英文) Po-Hsiang Liao
電子信箱 thankyouhonest@gmail.com
學號 N96071041
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 201頁
口試委員 指導教授-何明字
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 控制力矩陀螺儀  單輪機器人 
英文關鍵字 control moment gyroscope  unicycle robot 
學科別分類
中文摘要 本論文旨在研究以控制力矩陀螺儀為致動器之單輪機器人系統,目的為改善以反應輪為致動器時所提供側向平衡力矩不足而造成系統強健性不彰的問題,因控制力矩陀螺儀擁有較小的體積卻可產生較大的力矩。論文中先以Euler-Lagrange的方法建立數學動態模型,再將系統模型線性化後,使用MATLAB設計平衡控制器,再於Simulink中建構控制系統模型進行模擬,評估控制系統的強健性及可行性。在實作的部分,本論文以光學編碼器量測車輪及陀螺翻轉角度,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STM32F407開發板為核心並使用C語言撰寫控制器,進而達成以控制力矩陀螺儀之單輪機器人平衡控制;而本論文亦設計路徑追隨控制器,並以模擬探討路徑追隨之可行性及相關問題。
英文摘要 The objective of this thesis is to design and implement a unicycle robot that is stabilized by two control moment gyroscopes. The control moment gyroscopes can generate more lateral balancing torque with a compact size rather than using a reaction wheel, which would lead to weaker robustness. In this thesis, the Euler-Lagrange method is used to derive the dynamic model of the system. Then, based on the linearized system model, MATLAB is used to design the stabilizing controller, and the simulation is conducted through Simulink to verify robustness and feasibility. In the experiments, an inertial measurement unit and encoders are used as the posture sensors. An indoor GPS module is used to obtain the position of the robot. An STM32F407 microcontroller board is used to implement the control law. It is shown experimentally that the designed control system stabilizes the robot at its upright position. Furthermore, this thesis also presents the design, simulation, and experimental studies of trajectory tracking control.
論文目次 摘要 I
Extended Abstract II
致謝 VII
目錄 VIII
圖目錄 XI
表目錄 XIX
第一章 緒論
1-1 研究背景與動機 1-1
1-2 研究目的 1-1
1-3 研究步驟 1-4
1-4 相關文獻回顧 1-5
1-5 本實驗室相關研究 1-9
1-6 論文結構 1-9
第二章 雙陀螺制動平衡之單輪車數學模型推導
2-1 前言 2-1
2-2 控制力矩陀螺儀致動平衡單輪車之數學模型 2-2
第三章 平衡控制器設計與模擬結果
3-1 前言 3-1
3-2 控制力矩陀螺儀致動單輪車姿態控制器設計 3-1
3-3 控制系統模擬 3-14
3-4 系統強健性測試模擬 3-24
3-4-1 自轉軸加入摩擦力 3-24
3-4-2 陀螺轉速差異 3-30
3-4-3 外部敲擊干擾測試模擬 3-35
3-4-4 直線前行 3-45
第四章 路徑追隨控制法則及模擬結果
4-1 前言 4-1
4-2 輪型機器人系統的位置調節控制 4-1
4-3 單輪機器人之路徑追隨控制器設計 4-5
4-4 單輪機器人路徑追隨控制器的模擬結果 4-8
第五章 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 STM32F407VG-DISC1微處理器 6-2
6-2-1 STM32F4定時器 6-3
6-3 電源配置 6-4
6-4 直流有刷馬達驅動器 6-4
6-5 直流無刷馬達驅動器 6-6
6-6 光學編碼器 6-6
6-7 IMU姿態感測器 6-7
6-7-1 IMU姿態感測器通訊 6-8
6-7-2 IMU姿態感測器校正 6-8
6-8 室內定位模組 6-23
6-9 Arduino Leonardo開發板6-25
6-10 控制系統架構 6-26
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及抗干擾實驗 7-1
7-3 單輪機器人直線前行實驗 7-8
7-4 路徑追隨實驗 7-16
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 A-1
附錄B B-1
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