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研究生: 陳英傑
Ying-Jie Chen
論文名稱: 雙輪機器人之機構設計與平衡控制
Mechanism Design and Balanced Control of the Two-Wheeled Robot
指導教授: 邱士軒
Shih-Hsuan Chiu
口試委員: 李維楨
Wei-Chen Lee
蘇舜恭
Shun-Kung Su
彭勝宏
Sheng-Hong Pong
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 自動化及控制研究所
Graduate Institute of Automation and Control
論文出版年: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 83
中文關鍵詞: 兩輪平衡模糊控制PC-Base雙輪機器人
外文關鍵詞: Two-Wheeled Balance, Fuzzy Control, PC-Base, Two-Wheeled Robot
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  • 本論文主要設計與控制具有自我平衡能力之雙輪機器人。整個系統以電腦為控制核心,透過資料擷取卡傳輸機器人與電腦的資訊,將模糊控制理論撰寫成系統控制程式,實現兩輪平衡功能。在控制流程中,用陀螺儀測量機器人傾斜角速度,透過積分得到機器人傾斜角度,且每隔1秒就用傾斜計測量的角度來校正陀螺儀積分角度,透過馬達後方的光學編碼器來得知馬達轉動角度與角速度,將陀螺儀、傾斜計與光學編碼器的資訊作為控制器的輸入,以模糊控制理論計算後,控制馬達轉動,以達到動態平衡的目的。實驗驗證的結果,成功使機器人穩定平衡,並維持本體傾斜角度在±0.2∘內,當使用者下達轉動命令時,能控制機器人左右轉動;下達移動命令時,機器人往前傾斜且開始移動,如無轉動或移動命令,機器人將在原地保持平衡,故本文成功使機器人具有平衡、左右轉與移動的功能。


    The purpose of this thesis is to design and control a two-wheel robot with self-balanced function. The personal computer is the control center of the entire system, and use DAQ cards to retrieve the signal of sensors and encoders. For achieve two-wheel balanced function, we used fuzzy control algorithm to program the controlled codes. About the processes of control, the encoders is used to measure the angle and angular velocity of two wheels; the gyroscopei is used to measure the angular velocity of the robot; the inclined angle is got from integrating the angular velocity, and is adjusted by angle got from tiltmeter per second. We collect the information of gyroscopei, tiltmeter and encoders as the input of controller, and through calculating with fuzzy algorithm, the robot achieves self-balanced, turned right or left and moved function.

    摘 要 I Abstract II 誌 謝 III 目 錄 IV 圖索引 VIII 表索引 XII 第一章 緒 論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 研究動機與目的 8 1.4 論文架構 9 第二章 實驗設備 10 2.1 機構設計 12 2.1.1 機器人本體部分 12 2.1.2 左右輪驅動部分 13 2.2 伺服馬達組與傳動裝置 14 2.2.1 伺服馬達 14 2.2.2 光學編碼器 15 2.2.3 馬達驅動器 16 2.2.4 皮帶傳動裝置 17 2.3 傾斜計與陀螺儀 18 2.3.1 傾斜計 18 2.3.2 陀螺儀 19 2.4 個人電腦 21 2.5 資料擷取卡 22 2.6 電源供應器 24 第三章 控制系統設計 25 3.1 動作描述與行動策略 26 3.2 訊號處理 28 3.2.1 硬體濾波器 29 3.2.2 卡爾曼濾波器 30 3.3 平衡控制器 36 3.3.1 控制器的輸入與輸出 37 3.3.2 歸屬函數 37 3.3.3 模糊規則表 39 3.3.4 模糊推論與解模糊化 40 3.4 左右輪運動控制器 43 3.4.1 控制器輸入與輸出 45 3.4.2 歸屬函數 45 3.4.3 模糊規則表 47 3.4.4 模糊推論與解模糊化 48 3.5 移動控制器 49 3.5.1 控制器輸入與輸出 50 3.5.2 歸屬函數 51 3.5.3 模糊規則表 53 3.5.4 模糊推論與解模糊化 54 3.6 系統控制流程 55 第四章 實驗結果 58 4.1 平衡控制實驗 59 4.2 原地控制實驗 63 4.3 左右轉動控制實驗 68 4.4 向前移動控制實驗 72 4.5 加入干擾力實驗 75 4.6 結果與討論 77 第五章 結論與未來展望 78 5.1 結論 78 5.2 未來展望 78 參考文獻 79

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