Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11455/7209
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dc.contributor.advisor蔡清池zh_TW
dc.contributor.author顧耀宏zh_TW
dc.contributor.authorAndy.Guen_US
dc.date2005zh_TW
dc.date.accessioned2014-06-06T06:39:43Z-
dc.date.available2014-06-06T06:39:43Z-
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11455/7209-
dc.description.abstract本論文旨在發展一台由兩個直流伺服馬達所驅動的自平衡兩輪電動車,包含系統設計、數學模型分析與控制技術的開發,主要設計目標在製作一台使用低技術工業元件所建構之低價且人性化的運輸工具。本文不僅建立車體的數學模型,同時也包含車輪與移動面間的摩擦力。藉由解耦技術的運用,將整體系統分成兩個子系統:轉向控制子系統及類倒單擺平衡控制子系統。其中針對平衡控制,本文設計狀態回授積分控制法則與模糊邏輯控制法則兩種方式來達成;對轉向控制則採用強健積分轉向控制及模糊轉向控制策略兩種方式來實現。電腦模擬及實驗結果均證實本文所建立的控制器有能力提供適當的控制動作,使得車體依照駕駛者的需求作動。zh_TW
dc.description.abstractThis thesis develops techniques for system design, modeling and control of a personal self-balancing two-wheel scooter driven by two DC servomotors. The design attempts to construct a low-cost human transporter using low-tech commercial components. A mechatronic system structure for the vehicle is described and its mathematical modeling incorporating with the fiction between the wheels and motion surfaces is derived. The overall system can be divided into two subsystems: rotation subsystem and inverted pendulum subsystem. Two control methods are used to maintain the inverted pendulum; they are an integral control with state feedback and a fuzzy logic control. Two kinds of control laws, including robust PD feedback control and fuzzy PD control, are proposed to achieve the rotation control. Numerical and experimental results indicate that the proposed controllers are capable of providing appropriate control actions to steer the vehicle in desired manners.en_US
dc.description.tableofcontents目錄 中文摘要........………………………………………………………………i 英文摘要 .....………………………………………………………………ii 誌謝 ......………………………………………………………………… iii 目錄........………………………………………………………………… iv 圖目錄 .........…………………………………………………………. viii 表目錄 ... ...……………………………………………………………xii 第一章 緒論.....……………………………………………………………1 1.1 研究背景……………………………………………………1 1.2 文獻回顧……………………………………………………2 1.2.1 國內研究……………………………………………2 1.2.2 國外研究……………………………………………4 1.3 研究動機及目的 ………………………………………… 1.4 主要貢獻…………………………………………………. 1.5 論文大綱…………………………………………………. 8 第二章 系統設計……………………….……………………………...10 2.1 前言………………………………………………………… 10 2.2 機構設計與製作………………………………………….10 2.2.1賽格威與兩輪電動車之比較 ……………………16 2.3 驅動與控制系統設計…………………………………….17 2.3.1馬達驅動器性能測試…………………………….19 2.4感測及訊號處理……………………………………….….22 2.4.1數位訊號處理器(DSP LF2407)………………….23 2.4.2電位計(CP50)…………………………………….32 2.4.3傾斜儀…………………………………………….34 2.4.4陀螺儀…………………………………………….37 2.5 本章結論………………………………………………….40 第三章 系統數學模型…………………………………………………...41 3.1 前言……………………………………………………….41 3.2 數學模型………………………………………………….41 3.3 力學分析(考慮摩擦力)…………………………………. 43 3.4本章結論………………………………………………… 50 第四章 控制法則………………………………………………………...51 4.1 前言……………………………………………………..51 4.2 解耦控制…………………………………………………51 4.3 平衡控制………………………………………………..53 4.3.1 積分控制設計………………………………… .53 4.4強健轉向控制…………………………………………..55 4.4.1 強健PD轉向控制 ……………………………. 55 4.5電腦模擬 ……………………………………………….56 4.5.1平衡控制之電腦模擬…………………………..56 4.5.2轉向控制之電腦模擬…………………………..58 4.6力矩與速度轉換………………………………………..60 4.7實驗結果與討論………………………………………..61 4.8本章結論 ……………………………………………….63 第五章 模糊控制………………………………………………………...64 5.1模糊控制概述 …………………………………………..64 5.2模糊理論設計 …………………………………………..64 5.3 PD平衡控制………………………………………………66 5.3.1 PD平衡控制之電腦模擬………………………..67 5.4模糊PD平衡控制…………………………………………67 5.4.1平衡控制之力矩與速度轉換 …………………… 71 5.5模糊理論應用於轉向控制……………………………….71 5.5.1平衡與轉向控制之合成 ………………………… 73 5.6實驗結果與討論………………………………………….73 5.6.1平衡控制之電腦模擬 …………………………… 73 5.6.2實驗結果 ………………………………………… 75 5.7本章結論………………………………………………… 77 第六章 論文總結與未來研究………………………………………….78 6.1 論文總結………………………………………………..78 6.2 未來研究…………………………………………………79 參考文獻…………………………………………………………………80 附錄一: 直流伺服馬達轉速PI控制……………………………… 82 附錄二: 感測器訊號擷取之DSP程式……………………………… 86 附錄三: 模糊邏輯控制器之FIS程式內含………………………… 89 圖目錄 圖1.1 賽格威(segway)………………………………………………… 2 圖1.2 後傾、靜止、前傾示意圖 ………………………………………2 圖1.3 平衡控制系統方塊圖 ……………………………………………2 圖1.4 兩輪車模型 ………………………………………………………3 圖1.5 第二代freego …………………………………………………3 圖1.6 卡帝亞概念圖(Cardea) …………………………………………4 圖1.7 nBot 平衡機器人 ………………………………………………4 圖1.8平衡機器人計畫(Balancing Robot Project) ………………… 5 圖1.9可移動式倒擺系統 ……………………………………………… 6 圖1.10喬依(JOE)詳圖 ………………………………………………… 6 圖1.11布雷克威爾之兩輪自走車 …………………………………… 6 圖2.1 自平衡兩輪電動車架構概念圖 …………………………………13 圖2.2自平衡兩輪電動車組立圖(一) …………………………………14 圖2.3 自平衡兩輪電動車組立圖(二) …………………………………14 圖2.4 自平衡兩輪電動車組立圖(三) …………………………………15 圖2.5自平衡兩輪電動車組立圖(四) …………………………………15 圖2.6自平衡兩輪電動車組立圖(五)…………………………………16 圖2.7馬達驅動器電路圖………………………………………………18 圖2.8馬達驅動器Layout圖 …………………………………………18 圖2.9馬達驅動器腳位功能說明圖……………………………………18 圖2.10控制架構方塊圖 ………………………………………………19 圖2.11馬達一正轉電壓圖(PWM3輸入)……………………………… 20 圖2.12馬達一反轉電壓圖(PWM4輸入)……………………………… 20 圖2.13馬達二正轉電壓圖(PWM1輸入)……………………………… 21 圖2.14馬達二反轉電壓圖(PWM2輸入)……………………………… 21 圖2.15回授訊號處理架構方塊圖 ……………………………………22 圖2.16 DSP LF2407A架構圖 …………………………………………25 圖2.26電位計電壓波形及數值對照圖 ………………………………34 圖2.27 CXTA02傾斜儀 …………………………………………………35 圖2.28傾斜儀電壓波形及角度值對照圖 ……………………………36圖2.29 ENV-05H-02陀螺儀 ………………………………………… 38 圖2.30陀螺儀電壓波形及角速度值對照圖 …………………………39 圖3.1自平衡兩輪電動車………………………………………………41 圖3.2車體自由體圖……………………………………………………42 圖3.3右輪自由體圖……………………………………………………42 圖4.1兩輪電動車控制方塊圖…………………………………………53 圖4.2兩輪電動車平衡控制方塊圖……………………………………53 圖4.3 強健PD轉向控制器之方塊圖………………………………… 55 圖4.4積分平衡控制之步階響應圖 …………………………………58 圖4.5強健PD轉向控制器之步階響應圖……………………………60 圖4.6傾斜儀角度輸入與左右輪RPM對照圖…………………………62 圖4.7陀螺儀角速度輸入與左右輪RPM對照圖………………………62 圖4.8電位計輸入與左右輪RPM對照圖………………………………63 圖5.1模糊邏輯控制器基本架構………………………………………65 圖5.2 PD平衡控制系統方塊圖 ………………………………………67 圖5.3 PD平衡控制步階響應圖 ………………………………………67 圖5.4兩輪車平衡控制示意圖 ………………………………………68 圖5.5車體平衡控制之模糊歸屬函數圖………………………………70 圖5.6兩輪車轉向控制示意圖 ………………………………………72 圖5.7車體轉向控制之模糊歸屬函數圖………………………………72 圖5.8模糊平衡控制模擬圖 ………………………………………… 74 圖5.9 FLC Subsystem模擬圖…………………………………………74 圖5.10 Invetred Pendulum Subsystem模擬圖………………………74 圖5.11模糊PD平衡控制步階響應圖 …………………………………75 圖5.12傾斜儀角度輸入與左右輪RPM對照圖 ………………………76 圖5.13陀螺儀角速度輸入與左右輪RPM對照圖…………………… 76 圖5.14電位計輸入與左右輪RPM對照圖 ……………………………77 表目錄 表2-1 兩輪電動車元件明細表 ………………………………………11 表2-2 賽格威與兩輪電動車比較表 …………………………………17 表2-3 TMS320LF2407A實習板P1各腳位功能表 ……………… 25 表2-4 TMS320LF2407A實習板P2各腳位功能表………………… 26 表2-5 TMS320LF2407A實習板P3各腳位功能表………………… 26 表2-6 TMS320LF2407A實習板P4各腳位功能表………………… 27 表2-7 SAKAE CP50電位計規格表 ………………………………… 32 表2-8 CXTA02雙軸傾斜儀規格表………………………………… 35 表2-9 GYROSTAR ENV-05H-02陀螺儀規格表………………… 37 表3-1 符號定義表 ……………………………………………………42 表5-1 車體平衡之模糊控制規則庫 …………………………………70 表5-2 車體轉向之模糊控制規則庫 …………………………………72zh_TW
dc.language.isoen_USzh_TW
dc.publisher電機工程學系zh_TW
dc.subjectSelf-balancing Two-wheel Scooteren_US
dc.subject自平衡兩輪電動車zh_TW
dc.subjectDecouplingen_US
dc.subjectRobust controlen_US
dc.subjectFuzzy controlen_US
dc.subject解耦控制zh_TW
dc.subject強健控制zh_TW
dc.subject模糊控制zh_TW
dc.title自平衡兩輪電動車之設計與控制zh_TW
dc.titleDesign and Control of a Personal Self-balancing Two-wheel Scooter Design and Control of a Personal Self-balancing Two-wheel Scooteren_US
dc.typeThesis and Dissertationzh_TW
item.languageiso639-1en_US-
item.openairetypeThesis and Dissertation-
item.cerifentitytypePublications-
item.grantfulltextnone-
item.fulltextno fulltext-
item.openairecristypehttp://purl.org/coar/resource_type/c_18cf-
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