臺灣博碩士論文加值系統

本論文嘗試發展一個成本低廉且具有自我平衡功能的小型兩輪車，主要係以模糊控制理論實現自我平衡控制器與兩輪同步控制器，並自行設計一個感測平衡控制整合板。在考慮全系統的成本前提下，感測平衡控制核心係基於凌陽SPCE061A嵌入式晶片和Altera CPLD晶片，並自行設計兩輪車的機構與各式感測介面電路。本論文提出之兩輪車設計主要著眼於三個目標：其一是因為兩輪車系統天生是屬於一個不穩定的系統，因此本論文實作出之感測控制整合板可做為控制系統課程之教具，用於設計與實證各式各樣的控制演算法；其二是由於兩輪車之自我平衡功能相當新奇有趣，極具有潛力發展為休閒娛樂之智慧化玩具。其三本論文之自我平衡兩輪車雛型系統發展經驗，可做為未來發展成市售兩輪電動車驗證技術之基礎。目前已成功地利用價格低廉的元件實現機構設計與製造、感測控制整合板、自我平衡控制器、兩輪同步控制器，並已經由實驗驗證其自我平衡功能與兩輪同步功能。

In this thesis we present our first trial of developing a tiny-sized and low-cost self-balancing two-wheel vehicle where we mainly focus on design of the sensing and control board, balancing controller and the position synchronizing controller. With the considerations of cost-efficiency, we integrate the sensory systems and the balancing control systems by utilizing an embedded system based on the SUNPLUSTM SPCE061A EMU board and a CPLD, Altera EPM7128SLC84. There are three goals for our design. First, since the system is unstable in nature, it can be used as a teaching aid in the control-related courses to demonstrate the design of various control schemes. Second, motion with the self-balancing capability is novel and interesting and has potential to be a toy. In addition, this trial can provide a prototype to verify the techniques and allow the possibility for further development of a commercial two-wheel vehicle in the future.

目錄
論 文 摘 要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 X
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1 國外研究 2
1.2.2 國內研究 5
1.3 論文研究貢獻 6
1.4 論文章節組織 7
第二章 系統硬體架構設計 8
2.1 車身機構設計與製作 8
2.2 驅動系統設計與配置 11
2.2.1 直流伺服馬達(含減速齒輪) 11
2.2.2 馬達驅動電路 11
2.2.3 馬達編碼器 12
2.2.4 馬達解碼器 13
2.3 感測控制系統之設計 13
2.3.1 凌陽SPCE061A Board 15
2.3.2 ALTERA MAX7000S EPM7128SLC84-15 16
2.3.3 感測模組板 16
2.3.4 陀螺儀 17
2.3.5 雙軸加速度計 18
2.3.6 馬達解碼電路 19
2.3.7 RS-232位準轉換電路 20
2.3.8 無線藍牙傳輸模組 21
2.4 電池與系統電源電路 21
2.4.1 電池 21
2.4.2 系統電源電路 22
第三章 自我平衡控制器與兩輪同步控制器之設計 24
3.1 車子動作描述與行動決策 24
3.2 模糊控制概述 25
3.3 自我平衡控制器 26
3.3.1 自我平衡控制器的輸入與輸出 27
3.3.2 歸屬函數 27
3.3.3 模糊規則庫 29
3.3.4 模糊推論與解模糊化 30
3.4 兩輪同步控制器 31
3.4.1 兩輪同步控制器的輸入與輸出 31
3.4.2 歸屬函數 32
3.4.3 模糊規則庫 34
3.4.4 模糊推論與解模糊化 35
第四章 實驗結果分析與討論 36
4.1 實驗一：車身自我平衡控制 36
4.2 實驗二：初始誤差(+30°)測試 39
4.3 實驗三：初始誤差(-20°)測試 41
4.4 實驗四：初始誤差(+40°)測試 43
4.5 實驗五：初始誤差(-40°)測試 45
4.6 實驗六：外力干擾(向前推)測試 47
4.6.1 未加兩輪同步控制器 47
4.6.2 加入兩輪同步控制器 50
4.7 實驗七：外力干擾(向後推)測試 53
4.7.1 未加兩輪同步控制器 53
4.7.2 加入兩輪同步控制器 56
4.8 分析討論 59
4.9 影片展示 59
第五章 結論與未來研究 60
5.1 結論 60
5.2 未來研究 61
參考文獻 62
附錄 65
作者簡介 69

圖目錄
圖1-1 Segway 2
圖1-2 RMP 200 2
圖1-3 JOE 3
圖1-4 T.BlackWell之兩輪自平衡車 3
圖1-5 EMIEW 4
圖1-6 PMP 4
圖1-7 SON of EDGAR 4
圖1-8 EMIEW 2(站姿) 4
圖1-9 EMIEW 2(跪姿) 4
圖1-10 Winglet 4
圖1-11 風火輪系列(2003年) 5
圖1-12 風火輪系列(2004年) 5
圖1-13 風火輪系列(2005年) 5
圖1-14 風火輪系列(2006年) 5
圖1-15 風火輪系列(2007年) 6
圖1-16 自平衡兩輪電動車 6
圖1-17 ABTWC 6
圖2-1 本文設計之兩輪平衡車爆炸圖 9
圖2-2 本文實作之兩輪平衡車實體圖 9
圖2-3 PWM示意圖 12
圖2-4 Pololu MD01B 12
圖2-5 磁感應編碼器示意圖 12
圖2-6 編碼器輸出波型 12
圖2-7 HCTL-2032實體圖 13
圖2-8 感測控制整合板之系統架構 14
圖2-9 感測控制整合板 14
圖2-10 凌陽SPCE061A開發板 15
圖2-11 CPLD工作原理示意圖 16
圖2-12 感測模組板 17
圖2-13 感測模組板電路示意圖 17
圖2-14 CRS03-02 18
圖2-15 陀螺儀電路示意圖 18
圖2-16 MX 2125 19
圖2-17 MX 2125工作原理 19
圖2-18 雙軸加速度計電路示意圖 19
圖2-19 馬達解碼電路示意圖 20
圖2-20 RS-232位準轉換電路示意圖 20
圖2-21 無線藍牙傳輸模組 21
圖2-22 鎳氫電池鉛蓄電池 22
圖2-23 系統電源電路圖 23
圖2-24 系統電源Layout圖 23
圖3-1 後傾、直立與前傾圖 24
圖3-2 模糊控制基本架構 26
圖3-3 自我平衡控制器方塊圖 26
圖3-4 自我平衡控制器輸入歸屬函數 28
圖3-5 自我平衡控制器輸出歸屬函數 28
圖3-6 自我平衡控制器輸入與出之關係圖 30
圖3-7 兩輪同步控制器方塊圖 31
圖3-8 兩輪同步控制器輸入歸屬函數 33
圖3-9 兩輪同步控制器輸出歸屬函數 33
圖3-10 兩輪同步控制器輸入與出之關係圖 35
圖4-1 車身平衡時角度誤差響應圖 37
圖4-2 車身平衡角速度誤差響應圖 37
圖4-3 車身平衡時之馬達輸出電壓 38
圖4-4 自我平衡控制器在初始誤差約+30°之角度響應圖 39
圖4-5 自我平衡控制器在初始誤差約+30°之角速度響應圖 40
圖4-6 自我平衡控制器在初始誤差約+30°之馬達輸出電壓 40
圖4-7 自我平衡控制器在初始誤差約-20°之角度響應圖 41
圖4-8 自我平衡控制器在初始誤差約-20°之角速度響應圖 42
圖4-9 自我平衡控制器在初始誤差約-20°之馬達輸出電壓 42
圖4-10 自我平衡控制器在初始誤差約+40°之角度響應圖 43
圖4-11 自我平衡控制器在初始誤差約+40°之角速度響應圖 44
圖4-12 自我平衡控制器在初始誤差約+40°之馬達輸出電壓 44
圖4-13 自我平衡控制器在初始誤差約-40°之角度響應圖 45
圖4-14 自我平衡控制器在初始誤差約-40°之角速度響應圖 46
圖4-15 自我平衡控制器在初始誤差約-40°之馬達輸出電壓 46
圖4-16 未加入兩輪同步控制器向前推角度誤差響應圖 47
圖4-17 未加入兩輪同步控制器向前推角速度誤差響應圖 48
圖4-18 未加入兩輪同步控制器向前推馬達輸出電壓 48
圖4-19 未加入兩輪同步控制器兩輪角度誤差響應圖 49
圖4-20 未加入兩輪同步控制器兩輪角速度誤差響應圖 49
圖4-21 加入兩輪同步控制器向前推角度誤差響應圖 50
圖4-22 加入兩輪同步控制器向前推角速度誤差響應圖 51
圖4-23 加入兩輪同步控制器向前推馬達輸出電壓 51
圖4-24 加入兩輪同步控制器向前推兩輪角度誤差響應圖 52
圖4-25 加入兩輪同步控制器向前推兩輪角速度誤差響應圖 52
圖4-26 未加兩輪同步控制向後推車身角度誤差響應圖 53
圖4-27 未加兩輪同步控制向後推車身角速度誤差響應圖 54
圖4-28 未加兩輪同步控制向後推馬達輸出電壓 54
圖4-29 未加兩輪同步控制向後推兩輪角度誤差響應圖 55
圖4-30 未加兩輪同步控制向後推兩輪角速度誤差響應圖 55
圖4-31 加入兩輪同步控制器向後推角度誤差響應圖 56
圖4-32 加入兩輪同步控制器向後推角速度誤差響應圖 57
圖4-33 加入兩輪同步控制器向後推馬達輸出電壓 57
圖4-34 加入兩輪同步控制器向後推兩輪角度誤差響應圖 58
圖4-35 加入兩輪同步控制器向後推兩輪角速度誤差響應圖 58

 
表目錄
表2-1 兩輪電動車元件明細表 10
表3-1 自我平衡控制器之模糊規則表 29
表3-2 兩輪同步控制器之模糊規則表 34

[1]Ching-Chih Tsai, Shui-Chun Lin and Wen-Lung Luo, “Adaptive Steering of a Self-balancing Two-wheeled Transporter,”CACS Automatic Control Conference, Tamsui, Taiwan, pp.789-794, 2006.
[2]F. Grasser, A.D’Arrigo, and S. Colombi, “JOE: A Mobile, Inverted Pendulum,” Proceedings of the IASTED International Conference on Modelling, Identification and Control, Innsbruck, Austria February 19- 22, 2001.
[3]F.Grasser, A.D’Arrigo, S. Colombi, and A.C.Rufer, “JOE:A Mobile, Inverted Pendulum, ”IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.49, no.1,pp.107-114, February 2002.
[4]J.-S. Hu and M.-C. Tsai, “Robust Control of Auto-balancing Two-wheeled Cart,” Proceedings of CACS Automatic Control Conference, November18-19, 2005.
[5]L. A. Zadeh, “Fuzzy sets,” Information and Control, vol. 8, no. 3, pp. 338-353, June 1965.
[6]L. A. Zadeh, “Outline of a new approach to the analysis of complex systems and decision processes,” IEEE Trans. on Systems, Man, and Cybern., 3, 1, pp. 28-44.
[7]Li-Xin Wang, A course in fuzzy system and control, Prentice-Hall, 1997.
[8]M. Sasaki, N. Yanagihara, O. Matsumoto and K. Komoriya, “Steering Control of the Personal Riding-type Wheeled Mobile Platform (PMP),” Proc. of 2005 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS05), pp.3821-3826, August 2005.
[9]M. Sasaki, N. Yanagihara, O. Matsumoto and K. Komoriya, “Forward and Backward Motion Control of Personal Riding-type Wheeled Mobile Platform,” International Conference on Robotics & Automation, New Orieans, LA April 2004.
[10]Max 7000 Programmable Logic Device Family Data sheet, ver.6.7, ALTERA, September 2005.
[11]Y. Ha and S. Yuta, “Trajectory Tracking Control for Navigation of Self-Contained Mobile Inverse Pendulum,” IEEE/RSJ/GI Int. Conf. On Advanced Robotic Systems and the Real World', vol. 3, pp. 12-16, September 1994.
[12]杜勇進、郭晉魁、林俊宏、林明權，「微算機原理-以SPCE061A為例」，僑高科技有限公司，台南，台灣，2007。
[13]王文俊，「認識Fuzzy」，全華科技圖書股份有限公司，2001。
[14]孫宗瀛與楊英魁，「Fuzzy 控制理論-實作與應用」，全華科技圖書股份有限公司，1995。
[15]王進德與蕭大全，「類神經網路與模糊控制理論入門」，全華科技圖書股份有限公司，2003。
[16]王進德，「類神經網路與模糊控制理論入門與應用」，全華科技圖書股份有限公司，2007。
[17]陳逸慶與林柏辰，「VHDL數位電路實習與專題設計」，文魁資訊股份有限公司，2005。
[18]陳添智，「同心式馬達驅動器之設計與實現」，工程科技通訊，第90期，第115-118頁，2007。
[19]台灣因應氣候變化綱要公約資訊網，
http://www.tri.org.tw/unfccc/Unfccc/UNFCCC02.htm
[20]T.Blackwell,“Building a Balancing Scooter”，http://tlb.org/scooter.html
[21]美國冰雪資料中心(NSIDC)之網站，http://nsidc.org/
[22]環境新聞服務(Environment News Service, ENS)網站，
http://www.ens-newswire.com/ens/jun2007/2007-06-08-05.asp
[23]賽格威之網站，http://www.segway.com/
[24]德州儀器公司之台灣網站，http://www.ti.com.tw/
[25]日立公司機械研究所之網站，http://www.hitachi.co.jp/rd/merl/
[26]TOYOTA之網站，http://japazine.com/zh-TW/tag/toyota
[27]EDGAR之網站，
http://www.dspace.ltd.uk/ww/en/ltd/home/applicationfields/researcheducation/appex_edu/applex_adelaide_edgar.cfm
[28]凌陽科技公司之網站，http://w3.sunplus.com/chinese/about/
[29]住友精密工業株式會社之網站，http://www.spp.co.jp/
[30]Parallax之網站，http://www.parallax.com/
[31]Pololu Robotics & Electronics之網站，http://www.pololu.com/
[32]鄭鈞元，「兩輪自我平衡機器人之平衡控制」，碩士論文，國立中央大學電機所，中壢、台灣，2003。
[33]王禎祥，「兩輪自我平衡機器人之前後行走控制」，碩士論文，國立中央大學電機所，中壢、台灣，2003。
[34]蔡僑倫，「DSP主控之兩輪機器人平衡與兩輪同步控制」，碩士論文，國立中央大學電機所，中壢、台灣，2004。
[35]王培霖，「DSP主控之兩輪機器人行動控制」，碩士論文，國立中央大學電機所，中壢、台灣，2004。
[36]陳家榮，「改良式DSP主控之兩輪機器人基本控制」，碩士論文，國立中央大學電機所，中壢、台灣，2005。
[37]白翼銘，「改良式DSP主控之兩輪機器人行動控制」，碩士論文，國立中央大學電機所，中壢、台灣，2005。
[38]李垂憲，「兩輪自走車之設計與實現-以NIOS為核心之基本控制」，碩士論文，國立中央大學電機所，中壢、台灣，2006。
[39]黃正豪，「兩輪自走車之設計與實現-以NIOS為核心之行動控制」，碩士論文，國立中央大學電機所，中壢、台灣，2006。
[40]周烜達，「兩輪自走車之設計與實現」，碩士論文，國立中央大學電機所，中壢、台灣，2007。
[41]顧耀宏，「自平衡兩輪電動車之設計與控制」，碩士論文，國立中興大學電機工程研究所，台灣，2005。
[42]羅文隆，「個人式自平衡運輸車之設計與適應控制」，碩士論文，國立中興大學電機工程研究所，台灣，2006。
[43]游宏偉，「兩輪自平衡車之建模與控制」，碩士論文，國立中興大學電機工程研究所，台灣，2007。