Control Synthesis for Balancing Robots

Thumbnail Image

Files

master_Silfver_Toni_2018.pdf (2.84 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2018-06-18

Department

Major/Subject

Control, Robotics and Autonomous Systems

Mcode

ELEC3025

Degree programme

AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)

Language

en

Pages

82

Series

Abstract

A balancing robot control system is similar to any unstable dynamical system that can be controlled with a PID. Examples of unstable dynamical systems can be e.g. self-balancing scooter and jet fighter missile guidance applications. The versatility and availability of consumer market microcontroller development platforms and control simulation software gives an opportunity for the independent developer to take on an arbitrary unstable dynamics control design assignment. Hence, a balancing control system was utilized in an Arduino based robot that can stabilize itself despite of perturbation and its intrinsic nature of an inverted pendulum. In this Thesis, a MinSeg balancing robot control design is carefully studied and reconstructed. First, the Equations of Motion (EOM) of the robot wheels, body and motor are designed, linearized and the Transfer Function (TF) is determined for a model of the robot. Then this model hypothesis is applied to practice by constructing a PID controller that stabilizes the TF. Following a successful implementation of the controller, a form of disturbance is added to the model and the robot control is simulated and field-tested. In conclusion, the PID controller is derived more robust and thus disturbance tolerant by redesigning the control system primarily for the simulated environment and then for the real world. The implemented solution was to divide the subject into parts that begin from the basics of control and continue to the hands on experiments with the balancing robot. Each component of the mathematical framework was evaluated, prototyped and tested. The meticulous fieldwork resulted in more accurate control parameters that contributed to the final robust design application.

Tasapainottavan järjestelmän robottien säätötekniikka on samankaltainen muiden epästabiilien dynaamisten systeemien kanssa, joita voidaan ohjata PID-säätimellä. Epästabiileja dynaamisia systeemejä ovat esimerkiksi tasapainoskootteri ja suihkuhävittäjän ohjusohjausjärjestelmä. Kuluttajalle tarkoitettujen mikrokontrollerien kehitysalustojen ja säätösimulaatio-ohjelmistojen monimuotoisuuden ja saatavuuden ansiosta itsenäiset järjestelmäkehittäjät voivat ottaa mielivaltaisen kehitysprojektin automaation säätötekniikkaan liittyen. Tämän mahdollisuuden ansiosta Arduino-pohjaisen robotin säätöjärjestelmä otettiin kehitettäväksi, jotta saataisiin luotua häiriösietoinen säädin, joka kumoaisi käänteisen heilurin vaikutuksen robotissa. Tässä työssä MinSeg-robotille olemassa oleva säätösuunnitelma tutkittiin huolellisesti ja tehtiin alusta alkaen uudelleen. Aluksi tarvittavat liikeyhtälöt robotin renkaille, rungolle ja moottorille suunniteltiin, linearisoitiin ja yhdistettiin siirtofunktioksi. Sitten saatu mallihypoteesi toteutettiin käytännössä PID-säätimellä, joka stabiloi kyseessä olevan siirtofunktion. Toimivaa säädintä paranneltiin häiriömallin lisäämisellä ja säädön onnistumista tarkkailtiin kenttäkokeilla. Lopuksi PID-säädintä kehitettiin robustimmaksi häiriömallin avulla ensin simulaatioissa ja sitten käytännön kokeissa. Ratkaisu oli jakaa aihe osiin, joissa aloitettiin säätötekniikan perusteista ja päädyttiin kyseisen tasapainorobotin ohjaukseen. Jokainen matemaattinen säätökomponentti ensin tutkittiin, tehtiin siitä testiversio ja lopuksi kokeiltiin toimivaa ratkaisua käytännössä. Huolellisen ja tarkan kenttätyön ansiosta robotille tallennettiin täsmällisemmät säätöparametrit, minkä ansiosta robotin häiriösietokyky parani.

Description

Supervisor

Charalambous, Themistoklis

Thesis advisor

Charalambous, Themistoklis

Keywords

MinSeg, balancing, robot, control

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201806293808

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC