Itsensä tasapainottava kaksipyöräinen mobiilirobotti

Abstract

Käänteisheilurin massakeskipiste sijaitsee sen kiintopisteen yläpuolella, minkä takia heiluri kaatuu helposti painovoiman vaikutuksesta. Käänteisheilureilla voidaan tutkia tasapainojärjestelmien tasapainotusta ja toimintaperiaatteita. Tasapainojärjestelmien käytännön sovelluksia ovat esimerkiksi polkupyörät, potkulaudat ja ihmiset. Käänteisheilurijärjestelmien tasapainottaminen takaisinkytketyllä säädöllä on haastava tehtävä niiden luontaisen epästabiiliuden vuoksi.

Tässä työssä tutkitaan itse rakennettua kaksipyöräistä mobiilirobottia, joka on eräs käänteisheilurijärjestelmä. Mobiilirobotille suunnitellaan stabiloiva lineaarinen tilatakaisinkytketty säätö, jonka tavoitteena on pitää robotti pystyssä lähellä sen aloitusasemaa. Säädön suunnittelu aloitetaan johtamalla järjestelmälle lineaariset liikeyhtälöt, joista muodostetaan lineaarinen aikainvariantti tilamalli. Tilamallin tiloiksi valitaan robotin kehikon kulma ja kulmanopeus sekä renkaiden kiertokulma ja kiertokulmanopeus. Toteutetussa kaksipyöräisessä robotissa ei kuitenkaan mitata renkaiden kiertokulmanopeutta. Täyden tilan tilatakaisinkytkentä vaatii tiedon kaikkien tilojen käyttäytymisestä, joten puuttuva kiertokulmanopeuden mittaus pitää estimoida olemassa olevilla mittauksilla. Koska puuttuva mittaus on kiertokulman muutosnopeus, voidaan se estimoida kiertokulman mittauksesta ylipäästösuotimella. Muille mittauksille suunnitellaan sopivat alipäästösuotimet mittaushäiriöiden vähentämiseksi, ja kulman estimoinnissa yhdistetään kulman ja kulmanopeuden mittaukset komplementaarisella suotimella. Tilatakaisinkytkentä viritetään LQR (Linear Quadratic Regulator) -menetelmällä.

Työssä suunniteltu säätöratkaisu toteutetaan digitaalisella mikrokontrollerilla, joka ohjaa kaksipyöräisen robotin moottoreille syötettävää jännitettä. Järjestelmän käytännön suorituskykyä arvioidaan alkuarvovasteen ja häiriöimpulssin perusteella. Työn tulokset osoittavat, että suunniteltu säätöalgoritmi kykenee pitämään kaksipyöräisen mobiilirobotin pystyssä ja säilyttämään robotin lähellä sen aloitusasemaa. Näin ollen säätöalgoritmi toteuttaa sille asetetut vaatimusmäärittelyt.