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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳奕隆
研究生(外文):Yi-LungChen
論文名稱:單輪車系統平衡控制之設計與實現
論文名稱(外文):Design and Implementation of Balance Control of Unicycle Systems
指導教授:何明字
指導教授(外文):Ming-Tzu Ho
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:工程科學系碩博士班
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:221
中文關鍵詞:單輪車回授線性化順滑模態慣性量測元件互補濾波器
外文關鍵詞:unicyclefeedback linearizationsliding modeinertial measurement unitscomplementary filter
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近年來輪型機器人的發展研究受到高度重視,除了應用於日常生活外,由於許多輪型機器人為非線性系統或甚至是不穩定的系統,故常被用來驗證各式非線性控制理論的效能,是非常適合學術研究和教學實驗用途的機電系統。本論文旨在設計並實現一單輪車系統,並使其能穩定平衡。論文中吾人以Euler-Lagrange法推導其完整的三維空間動態數學模型,再針對此數學模型進行系統模擬以及設計回授線性化控制器與順滑模態控制器,論文中吾人以慣性量測元件來偵測系統姿態,並輔以互補濾波器以得到較佳之回授訊號,且採用類比多工器達到擷取多組訊號之目的,最後以數位訊號處理器(TMS320F2812)實現平衡控制器以及互補濾波器並使系統達到穩定平衡。
In recent years, the development of wheel-type robots has been a highly active research field. Besides the daily-life applications, because of the fact that many wheel-type robots are nonlinear or even unstable systems. They are commonly used to study the performance of many nonlinear control schemes. These electromechanical systems are very suitable for the purposes of the educational experiments and academic research. This thesis aims to design and implement a unicycle system. In this thesis, the Euler-Lagrange method is used to derive the three-dimensional dynamic model of the unicycle system. The mathematical model is then used for the system simulation and designing the feedback linearization controller and sliding mode controller for stabilizing the system. Inertial measurement devices are used to sense posture angles of the system. The complementary filter is used to obtain the less noisy feedback signals from the inertial measurement devices. We also use an analog multiplexer to acquire multiple analog signals. Finally, the stabilizing controller and complementary filter are implemented through a digital signal processor (TMS320F2812) to achieve the purpose of balance control.
摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 V
圖表目錄 VIII
第一章 緒論
1-1 研究背景與動機 1-1
1-2 研究目的 1-2
1-3 研究步驟 1-3
1-4 相關文獻探討 1-4
1-5 實驗室相關成果 1-7
1-6 論文結構 1-8
第二章 單輪車系統與直流伺服馬達數學模型
2-1 前言 2-1
2-2 單輪車系統數學模型之建立 2-2
2-3 永磁式直流馬達數學模型之建立與參數鑑別 2-30
2-4 單輪車系統整體數學模型 2-37
第三章 回授線性化理論探討
3-1 前言 3-1
3-2 輸入-輸出線性化 3-1
3-3 全狀態線性化 3-5
第四章 順滑模態控制理論探討
4-1 前言 4-1
4-2 順滑模態的介紹 4-1
4-3 迫近與順滑條件探討 4-2
4-4 傳統順滑模態控制器設計方法 4-4
4-5 滑動層的考量 4-7
4-6 非線性機電系統順滑模態控制器設計方法 4-9
第五章 平衡控制器設計與模擬結果
5-1 前言 5-1
5-2 LQR控制器理論與平衡控制器之設計與模擬 5-1
5-3 全狀態回授線性化控制器之設計與模擬 5-18
5-4 順滑模態控制器之設計與模擬 5-26
5-5 控制器模擬響應比較 5-36
第六章 單輪車系統機構設計與製作
6-1 前言 6-1
6-2 單輪車系統機構設計與製作 6-2
6-3 馬達角度感測器 6-16
第七章 外部硬體電路介紹
7-1 前言 7-1
7-2 周邊硬體電路與規格 7-1
7-2-1 電源管理與類比數位轉換電路 7-1
7-2-2 PWM馬達驅動電路 7-6
7-2-3 姿態感測電路 7-9
7-2-3-1 加速規 7-9
7-2-3-2 陀螺儀 7-11
7-3 系統核心晶片介紹 7-22
7-3-1 數位訊號處理器TMS320F2812 7-22
7-3-1-1 QEP模組簡介 7-23
7-3-1-2 PWM模組簡介 7-24
7-3-1-3 通用型輸入輸出(General Purpose I/O, GPIO)
介面 7-27
第八章 互補濾波器
8-1 前言 8-1
8-2 互補濾波器簡介 8-1
8-3 互補濾波器之設計實現與模擬結果 8-3
8-4 互補濾波器實作驗證 8-13
第九章 實驗結果
9-1 前言 9-1
9-2 單輪車系統平衡控制實驗 9-2
9-3 實驗結論 9-14
第十章 結論與未來展望
10-1 結論 10-1
10-2 未來展望 10-1
參考文獻 Ref-1
附錄A A-1
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