具轉向機構自我平衡獨輪車之控制系統設計與實作

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研究生：	陳柏霖 Chen, Bo-Lin
論文名稱：	具轉向機構自我平衡獨輪車之控制系統設計與實作 Control System Design and Implementation of a Self-balanced Unicycle with Steering Mechanism
指導教授：	葉廷仁 Yeh, Ting-Jen
口試委員:	陳榮順顏炳郎
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 動力機械工程學系 Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年：	2012
畢業學年度：	100
語文別：	中文
論文頁數：	74
中文關鍵詞：	平衡與驅動控制、直流無刷馬達、馬達驅動、獨輪電動車
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本論文欲建構一車輪倒單擺系統（Wheel pendulum system）之個人載具，以輪內式直流無刷馬達提供平衡力矩作為前進之動力。考慮到在三維空間中的動態，模型的建構上以兩連桿、一車輪所組成，其中第一連桿在車輪輪軸上有一旋轉自由度；第二連桿與第一連桿之間有一旋轉自由度，增加了側向的自由度。實作上已成功的將獨輪車建立起來，並且能夠利用騎乘者腳踏的力量做到轉彎的動作；在模型中為模擬腳踏的力量，將以一馬達置於第二連桿上，並透過繩子、彈簧將馬達力傳遞至車輪。
在平衡系統中，由於馬達將頻繁地在正反電流區間做切換，在正、反轉加速與減速回充四個象限中，將引用[10]所提出的一套平滑且有效率的操作切換準則，將煞車電能回收並提供平滑的正反向力矩控制。同時為了提高感測器的頻寬，將陀螺儀（Gyroscope）與傾斜計（Tilt sensor）以訊號處理的方式，合成一虛擬絕對角度感測器[11]。
目前已建構出基本的獨輪車，且能透過使用者的操控，在三維空間中平衡。在理論模型推導上，已有穩定的控制策略維持獨輪車的平衡，且能夠在行進時做到轉彎的動作。

摘要......................................................I
致謝辭.................................................II
圖目錄 ..................................................VI
第一章 緒論...............................................1
1 研究背景與動機..................................1
2 文獻回顧.......................................5
3 本文大綱.......................................6
第二章 系統架構與動態模型分析............................7
1 獨輪車整體架構.................................7
2 動態模型分析...................................8
2.1 坐標軸與變數定義...........................8
2.2 獨輪車Pitch動態...........................10
2.3 獨輪車轉向動態.............................13
2.4 系統特性討論...............................21
3 控制系統架構..................................22
第三章 模擬結果..........................................26
1 Adams模擬.....................................26
1.1 自我平衡獨輪車模型.........................26
1.2 模擬結果...................................28
2 Simulink模擬.................................32
3 模擬結果比較..................................39
第四章 馬達驅動控制策略..................................41
1 直流馬達簡介...................................41
2 馬達驅動架構...................................44
2.1 PWM驅動方式................................45
2.2 升壓與降壓電路.............................46
3 力矩與煞車回充控制架構.........................51
3.1 馬達操作區間...............................53
3.2 四象限切換設計策略.........................55
第五章 實驗架構與結果討論................................58
1 機構設計與硬體配置.............................58
1.1 轉向機構...................................59
1.2 感測器模組 .................................60
1.3 磷酸鋰鐵電池...............................62
1.4 馬達驅動控制器.............................63
1.5 上層平衡控制器.............................64
2 實驗結果.......................................65
2.1 電流控制...................................65
2.2 角度量測...................................66
第六章 結論與未來研究方向................................69
1 結論...........................................69
2 未來研究方向...................................70
參考文獻.................................................71
附錄.....................................................72
                                

[1] Segway Inc. http://www.segway.com/
[2] F. Grasser, et. al. “ JOE: A Mobile, Inverted Pendulum,” IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, Vol. 49, No. 1, Feb. 2002, pp. 107~113.
[3] M. Fiacchini, et. “DESIGN AND EXPERIMENTATION OF A PERSONAL PENDULUM VEHICLE”
[4] M A Karkoub and M Parent, “Modelling and non-linear feedback stabilization of a two-wheel vehicle”, IMechE 2004, Proc. Instn Mech. Engrs Vol. 218 Part I: J. Systems and Control Engineering
[5] Kaustubh Pathak, JaumeFranch, and Sunil K. Agrawal, “Velocity and Position Control of a Wheeled Inverted Pendulum by Partial Feedback Linearization”, 2005 IEEE
[6] Ji-Chul Ryu and Sunil K. Agrawal, “Differential flatness-based robust control of mobile robots in the presence of slip”, The International Journal of Robotics Research
[7] http://enicycle.com/what.html
[8] http://asimo.honda.com/innovations/U3-X-Personal-Mobility.aspx
[9] http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS _GET_PAGE&nodeId=1824&appnote=en012037
[10] Feng-Kuang Wu , and T.-J. Yeh, “Drive-by-Wire and Electrical Steering Control of an Electric Vehicle Actuated by Two In-wheel Motors,” submitted to IEEE Trans. on Ind. Elect., Aug. 2011.
[11] 陳育霆，「人力驅動式自我平衡獨輪車之控制系統設計與實作」，國立清華大學動力機械工程學系碩士論文，2010
[12] Study on regenerative

全文公開日期本全文未授權公開 (校內網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (校外網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (國家圖書館：臺灣博碩士論文系統)

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