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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:洪崇恩
研究生(外文):HUNG, CHUNG-EN
論文名稱:無人自走車之路徑控制研究
論文名稱(外文):The Path Control Study of Unmanned Ground Vehicles
指導教授:黃皇男黃皇男引用關係
指導教授(外文):HUANG, HUANG-NAN
口試委員:王聰榮陳淑珍陳文欽江明理
口試委員(外文):WANG, TSUNG-JUNGCHEN, CHUR-JENCHEN, WEN-CHINCHIANG, MING-LI
口試日期:2017-07-20
學位類別:碩士
校院名稱:東海大學
系所名稱:應用數學系
學門:數學及統計學門
學類:數學學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:54
中文關鍵詞:無人自走車路徑控制
外文關鍵詞:unmanned ground vehiclepath-tracking controlArduinoMatlab
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本文的主旨在於實現低成本無人自走車之路徑控制。透過超音波測距以及藉由 6 軸感測器,得知無人自走車車體與目標物的間距、當下的加速度以及角速度等訊息,利用 Matlab 或 Arduino 進行路徑控制設計;經由決定驅動兩輪馬達的 PWM 之任務百分比,藉以控制兩輪的轉速差,而達到使自走車依所預先規劃的路徑行走。由於加裝這些感測器,重新設計此自走車的載具,並以 3D 列印的方式生產,除了可方便感測器之拆裝,以及避免控制時線路纏繞的困擾。最後本文進行硬體實驗,以驗證路徑控制設計的實際效果。
The purpose of this thesis aims to develop the path control of unmanned ground vehicles. Based on the distance between the vehicle and the target object measured by ultrasonic ranging sensor, and the acceleration and angular velocity of the vehicle measured by the 6-axis motion sensor, the path-tracking control law is implemented in Matlab or Arduino. The PWM’s duty cycles of two motors is then designed to control the speed difference of two wheels such that the vehicle tracks our pre-designed path. In order to improve the mobility and electric line winding, we design a new-type of sensor assembly which is generated by a 3D printer. Finally, the hardware verification of the unmanned ground vehicle is conducted to validate our path-tracking control design.
目錄
謝 誌 i
中文摘要 ii
Abstract iii
第一章緒 論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻探討 1
1.3 論文架構 2
第二章無人自走車軟硬體介紹 3
2.1 系統架構 3
2.2 硬體元件說明 4
2.2.1 3D 列印載具 4
2.2.2 馬達驅動板L298N 4
2.2.3 PWM 訊號 6
2.2.4 馬達 6
2.2.5 車輪 7
2.2.6 舵機(伺服馬達) 8
2.2.7 PPM 訊號 9
2.2.8 死區頻寬 10
2.2.9 超音波感測器HC-SR04 10
2.2.10 超音波測距 11
2.2.11 MPU-6050 11
2.2.12 Arduino Uno 12
2.3 軟體界面介紹 13
2.3.1 Arduino IDE 介面 13
2.3.2 Matlab Simulink 介面 15
第三章數學模型 17
3.1 建立數學模型之兩輪式倒單擺 18
3.2 兩輪式倒單擺數學動態模型 18
3.2.1 直流馬達動態模型 18
3.2.2 車輪動態模型 20
3.2.3 兩輪式倒單擺機台擺動動態模型 23
3.2.4 線性化自走車擺動角度模型 25
3.3 自走車運動軌跡模型 27
第四章控制器設計與模擬驗證 29
4.1 PID 控制器介紹 29
4.2 Arduino 與Matlab 在PID 控制器參數調整方法 30
4.2.1 Arduino 控制自走車運動 30
4.2.2 Matlab 控制自走車運動 35
4.3 PID 控制實驗結果 42
第五章結論 51
5.1 結論 51
5.2 未來展望 51
參考文獻 53


[1] H. Vasudevan, A. M. Dollar, and J.B. Morrell, “Design for control of wheeled inverted pendulum platforms,” Journal of Mechanisms and Robotics, Vol. 7, No. 4, pp. 041005_1-12, 2015.
[2] C. J. Ostafew, A. P. Schoellig, and Timothy D. Barfoot, “Learningbased nonlinear model predictive control to improve vision-based mobile robot path-tracking in challenging outdoor environments,”in Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics & Automation (ICRA), pp. 4029–4036, 2014.
[3] L298N DataSheet (https://www.sparkfun.com/datasheets/Robotics/L298_H_Bridge.pdf).
[4] 趙英傑,超圖解Arduino 互動設計入門(第三版),台北:旗標科技股份有限公司, 2017。
[5] 維基百科PWM 介紹(https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulation).
[6] N20 馬達及車輪資料(https://www.pololu.com/).
[7] SG90 伺服馬達資料(http://www.towerpro.com.tw/product/sg90-7/).
[8] 曹永忠、許智誠、蔡英德,Arduino 超音波測距機設計與製作,彰化:渥瑪數位有限公司, 2013。
[9] MPU-6050 資料(https://www.invensense.com/products/motion-tracking/6-axis/mpu-6050/).
[10] Arduino Uno 官方資料(https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3).
[11] Matlab Simulink 官方資料(https://www.mathworks.com/products/simulink.html).
[12] M. T. Kang, H. D. Vo, H. K. Kim, and S. B. Kim, “Control system design for a mobile inverted mendulum via sliding mode technique,”in Proceedings of the IEEE International Conference on Mechatronics (ICM), pp. 1-6, 2007.
[13] R. C. Ooi, Balancing a two-wheeled autonomous robot. Degree in Mechatronics Engineering
Final year report. School of Mechanical Engineering, The University of Western Australia, Crawley, 2003.
[14] F. Grasser, A. D’Arrigo, S. Colombi, and A. Rufer, “Joe: A mobile, inverted pendulum,”IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 49, No. 1, pp. 107–114, 2002.
[15] 葉儒昌,兩輪倒單擺系統的平衡與軌跡追蹤控制,國立暨南國際大學電機工程學系碩士論文,2009。
[16] Campion, G., Bastin, G., D’Andréa-Novel, B., “Structural Properties and Classification
of Kinematic and Dynamic Models of Wheeled Mobile Robots,”IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 12, No. 1, pp. 47–62, 1996.
[17] PID 控制器(https://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller).
[18] M. Johnson, J. Croweand and M. H. Moradi, PID Control: New Identification and Design Methods. London: Springer, 2005.
[19] 維基百科Ziegler–Nicholsmethod 介紹(https://en.wikipedia.org/wiki/Ziegler-Nichols_method).
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