兩輪自走車之設計與實現-以NIOS為核心之基本控制

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姓名

李垂憲(Chui-Hsien Li) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

兩輪自走車之設計與實現-以NIOS為核心之基本控制
(Design and Implementation for A Two-wheel Vehicle - NIOS Based basic Control)

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摘要(中)

本論文主要在設計與控制一輛具有自我維持平衡能力的兩輪車。整個系統以Nios CPU作為主控核心，是一種嵌入式系統與系統晶片（SOPC）的應用，整合馬達控制、電路訊號擷取、無線訊號傳輸與訊號處理的技術，並將模糊控制器建構在系統晶片本身，實現模糊控制的機器人系統。在控制流程上，使用傾斜器（Tilt）與陀螺儀（Gyro）分別量測車身的傾斜角度與角速度，另外使用馬達編碼器（Encoder）量測車子馬達轉動的角度及角速度。根據傾斜器、陀螺儀、馬達編碼器所回授的即時車身資訊當作輸入，建立車體各種行動模式的模糊控制器，計算輸出之後，以FPGA實現的PWM訊號來控制兩輪馬達的轉動，使得兩輪車具備平衡、定位、同步、左右轉向、前進與後退、停止、行走定速、上下坡等功能。在車身維持工作的期間，可利用無線數據機將車身所有資訊回傳至電腦端，藉由電腦端監控兩輪車的整體狀態，並可由遙控器下達行動的控制指令。

摘要(英)

The purpose of this thesis is to design and control a self-balance two-wheel vehicle. NIOS CPU is the control center of the entire system, which includes fuzzy control algorithm, motor control, A/D converter, wireless communication and signal process etc. It is the whole applications of an embedded system and system on programmable chip （SOPC）. In control, the sensors tilt and gyro are used to measure the inclination angle and the angular velocity of the vehicle. Furthermore, the encoder is used to measure rotational rate and rotational angle of motors of the vehicle. The real-time vehicle information is selected for the inputs of every motion’s fuzzy controller. Through evaluating outputs of controllers, we use FPGA to implement PWM signals control motors of the vehicle. Finally, the two-wheel vehicle achieves self-balance, position fixing, synchronization, going forward and backward, walking with pace, making a turn, climbing up, going downhill, stopping and so on motions. All signals could be transmitted via wireless modules. However, not only the whole information of vehicle can be revealed by PC, but also the vehicle can be controlled by remote controller in our result.

關鍵字(中)

★ Segway
★ 嵌入式系統
★ 機器人控制
★ 模糊控制

關鍵字(英)

★ Segway
★ Embedded System
★ Fuzzy Control
★ Robot Control

論文目次

摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 IX
第一章緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 論文目標 3
1.4 論文架構 3
第二章硬體規格與軟體架構 5
2.1 車身機構設計 6
2.1.1 上半身桿子部分 7
2.1.2 車身平台部分 7
2.2 輪圈馬達、編碼器與馬達驅動電路 8
2.2.1 輪圈馬達 8
2.2.2 編碼器 9
2.2.3 馬達驅動電路 10
2.3 傾斜器、陀螺儀與類比轉數位電路 10
2.3.1 傾斜器 10
2.3.2 陀螺儀 11
2.3.3 類比轉數位電路 12
2.4 NIOS Board 12
2.5 電池與系統電源電路 13
2.5.1 電池 14
2.5.2 電源轉換電路 14
2.5.3 馬達穩壓電路 15
2.6 無線訊號傳輸與準系統 17
2.6.1 RS-232無線訊號傳輸模組 17
2.6.2 準系統 18
2.6.3 無線遙控器 19
第三章車身平衡、定位與兩輪同步 20
3.1車子動作描述與行動策略 20
3.2 訊號處理 22
3.2.1 供給穩定的電源 22
3.2.2 使用高解析度之A/D Converter（Analog-to-Digital Converter） 23
3.2.3 數位濾波器（Kalman Filter） 23
3.3 馬達驅動控制 25
3.4 車身平衡控制 26
3.4.1 控制器的輸入與輸出 27
3.4.2 歸屬函數 27
3.4.3 模糊規則庫 28
3.4.4 模糊推論與解模糊化 29
3.5 兩輪同步控制器 30
3.5.1 控制器的輸入與輸出 31
3.5.2 歸屬函數 31
3.5.3 模糊規則庫 32
3.5.4 模糊推論與解模糊化 33
3.5.5 轉向控制法則 33
3.6 車身定位控制器 34
3.6.1 控制器的輸入與輸出 35
3.6.2 歸屬函數 36
3.6.3 模糊規則庫 37
3.6.4 模糊推論與解模糊化 37
3.7 系統程式控制流程 38
第四章實驗結果分析與討論 40
4.1 實驗一：車身平衡控制 40
4.2 實驗二：兩輪同步控制 41
4.3 實驗三：車身定位控制器 43
4.4 實驗四：外加干擾力測試 45
4.5 分析討論 48
4.6 影片展示 49
第五章結論 50
5.1 結論 50
5.2 困難之處與解決方法 50
5.3 未來展望 52
參考文獻 53
附錄 55

參考文獻

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[2] 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.
[3] T. Miyashita and H. Ishiguro “Human-like natural behavior generation based on involuntary motions for humanoid robots,” Robotics and Autonomous System, Vol.48, pp. 203-212, 2004.
[4] J. Yi, N. Yubazaki and K. Hirota, “Upswing and Stabilization Control of Inverted Pendulum and Cart System by the SIRMs Dynamically Connected Fuzzy Inference Model,” IEEE International Fuzzy Systems Conference Proceedings, pp. 400-405, August 22-25, 1999.
[5] 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.
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[7] Segway之網站http://www.twsegway.com.tw
[8] PMP之網站http://pcweb.mycom.co.jp/articles/2004/10/15/aist
[9] Gyrobot之網站http://www.barello.net/Robots/Gyrobot/
[10] nBot之網站http://geology.heroy.smu.edu/~dpa-www/robo/nbot/
[11] Self-balancing scooters之網站http://www.tlb.org/scooter.html
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[13] 蕭如宣編著, SOPC 系統設計, 儒林圖書公司, 2003年.
[14] 陳慶逸, 林柏辰編著, VHDL 數位電路實習與專題設計, 文魁資訊股份有限公司, 2003年.
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[16] 辰白編譯, DC伺服馬達應用電路技術, 建興出版社, 2000年.
[17] 陳連春編譯, 電源電路設計要領, 建興出版社, 2001年.
[18] 蔡僑倫（王文俊教授指導）, “DSP主控之兩輪機器人平衡與兩輪同步控制,” 國立中央大學電機工程研究所碩士論文, 2004年六月.
[19] 王培霖（王文俊教授指導）, “DSP主控之兩輪機器人行動控制,” 國立中央大學電機工程研究所碩士論文, 2004年六月.
[20] 白翼銘（王文俊教授指導）, “改良式DSP主控之兩輪機器人行動控制,” 國立中央大學電機工程研究所碩士論文, 2005年六月.
[21] 陳家榮（王文俊教授指導）, “改良式DSP主控之兩輪機器人基本控制,” 國立中央大學電機工程研究所碩士論文, 2005年六月.

指導教授

王文俊(Wen-June Wang)

審核日期

2006-6-30

推文