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研究生: 洪祥富
Siang-Fu Hong
論文名稱: 雙輪倒單擺車設計與穩定控制
Two Wheeled Inverted Pendulum Vehicle Design and Stable Control
指導教授: 黃緒哲
Shiuh-Jer Huang
口試委員: 林紀穎
Chi-Ying Lin
周瑞仁
Jui-Jen Chou
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2013
畢業學年度: 101
語文別: 中文
論文頁數: 102
中文關鍵詞: FSMC兩輪式倒單擺AVR-ATmega328陀螺儀
外文關鍵詞: FSMC, Two-Wheeled Inverted Pendulum, AVR-ATmega328, Gyroscope
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  • 本論文主要是設計一台雙輪倒單擺車,使用AVR晶片ATmega328做為控制核心以及直流輪轂馬達做為驅動動力源。透過陀螺儀與加速度計回授車體傾斜角與傾斜角速度,使用旋轉編碼器量測輪轂馬達轉速與行程,並採用靴帶電路設計H橋驅動器驅動輪轂馬達。此雙輪倒單擺車具有手把機構,透過一電位計傳送手把左右擺動之資訊使馬達產生差速,達到車體轉向之功能
    控制器部分採用不需要模型且具有高強健性的模糊滑動控制器(FSMC),以及比例-微分(PD)控制器。並於傾斜角度、傾斜角速度回授加入灰色預測模型,預測未來狀態。經實驗結果證明,使用灰色預測模型能使系統抑制高頻振盪的幅度,搭配PD控制器或FSMC控制器成功使系統得到穩定的平衡控制。


    A two-wheeled inverted pendulum (TWIP) vehicle system is constructed. The control kernel is a microcontroller-ATmega328. The DC hub motor is employed for motion actuating and balancing. Both accelerometer and gyroscope sensors are used to measure the tilt angle and angular velocity of the inverted pendulum, respectively and two encoders are used to measure the rotation speed of motors. The H-bridge driver combined with bootstrap circuit is designed to drive the DC hub motor. The motion direction of TWIP can let change based on the signal of a handle bar on TWIP.
    Since the accurate dynamic model of this TWIP vehicle is difficult to establish, the model-free and robust fuzzy sliding model controller (FSMC) and proportional-derivative (PD) controller are chosen for controlling this system. Gray prediction model (GPM) is employed to predict the future state of the tilt angle and angular velocity. The experiment of results show that the GPM could improve the high frequency vibration situation and the FSMC and PD controller can successfully control the TWIP system motion stability .

    摘要 I Abstract II 致謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 XIII 第一章 緒論 1 1.1 文獻回顧 1 1.2 研究動機 4 1.3 論文架構 4 第二章 系統架構 5 2.1 兩輪倒單擺硬體架構 7 2.1.1 旋轉編碼器E6C2-C 7 2.1.2 三軸加速度計MMA7361 9 2.1.3 雙軸陀螺儀LPY503AL 12 2.1.4 無線通訊模組XBee S1 14 2.1.5 直流輪轂馬達 14 2.2 Atmel AVR 8位元微處理器 17 2.2.1 啟動載入程式(Bootloader) 19 2.2.2 計時計數器與脈寬調變訊號(Timer、PWM) 20 2.2.3 類比數位轉換器(ADC) 22 2.2.4 外部訊號變化中斷(PCINT) 24 2.3 馬達驅動電路 26 2.3.1 半橋驅動晶片 IR2104 28 2.3.2 靴帶電路(Bootstrap) 29 2.4 主控制板電路 31 第三章 控制理論 34 3.1 PD控制器 35 3.2 模糊邏輯控制 35 3.2.1 模糊集合與隸屬函數 35 3.2.2 基本模糊控制器架構 36 3.3 滑動模式控制 40 3.3.1 滑動模式控制原理 40 3.3.2 滑動模式理論基礎 41 3.4 模糊滑動模式控制 44 3.5 灰色預測器 47 3.5.1 灰生成 48 3.5.2 灰建模 49 第四章 實驗結果 51 4.1 PD控制器實驗 52 4.1.1 實驗說明 52 4.1.2 Kp=1.2、Kd=0.4實驗結果 52 4.1.3 Kp=1.2、Kd=0.6實驗結果 57 4.1.4 Kp=1.2、Kd=0.8實驗結果 61 4.1.5 實驗結果討論 66 4.2 FSMC控制器實驗 67 4.2.1 實驗說明 67 4.2.2 實驗結果 68 4.2.3 實驗結果討論 72 4.3 控制器加入灰色預測模型實驗 73 4.3.1 實驗說明 73 4.3.2 PD控制器實驗結果 73 4.3.3 FSMC控制器實驗結果 78 4.3.4 實驗結果討論 82 4.4 PD與FSMC控制器搭配灰色預測模型之手把測試 84 4.4.1 實驗說明 84 4.4.2 PD與灰色預測模型之手把測試實驗結果 84 4.4.3 FSMC與灰色預測模型之手把測試實驗結果 90 4.4.4 實驗結果討論 95 第五章 結論與未來展望 96 5.1 結論 96 5.2 未來展望 96 參考文獻 97

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