二輪自走車之設與實現

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姓名

周烜達(Hsuan-ta Chou) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

二輪自走車之設與實現
(The Design of The Two-Wheel Vehicle)

相關論文

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摘要(中)

本論文主要在改良學長設計的兩輪車，並且加入重心裝置於兩輪車上，使兩輪車可以自我平衡並以重心移動來帶動兩輪車前後行進。整個系統以Nios CPU作為主控核心，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和重心裝置的滑車位置，使得兩輪車具備平衡、定位、同步、左右轉向、前進與後退、煞車停止、定速上下坡等功能。與學長成果最大不同處有以下幾點：1. 本成品用重心移動帶動車子前進或後退，不同於學長的遙控方式；2. 我重新設計了馬達驅動電路，給與馬達更大的功率，本成品可以上下殘障斜坡，學長的做不到。

摘要(英)

The purpose of this thesis is to improve the design and control for the two -wheel vehicle which was implemented by former senior labmates. 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. In control process, 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 angle velocity and rotational angle of motors of the vehicle. The real-time sensor measurements are selected for the inputs of each motion fuzzy controller. The outputs of fuzzy controllers are converted to PWM signals by FPGA to control motors of the vehicle, and position of the sliding mass cart. Finally, the two-wheel vehicle achieves self-balance, position control, going forward and backward without turning, turning around, climbing up and going downhill, stopping etc. It should be emphasized that the main differences between this thesis and the works of senior labmates are as follows. 1. The sliding of the center of gravity (sliding mass cart) instead of remote control drives the wheel moving forward or backward. 2. The new designed driving circuit provides much larger power to the motors such that the wheel can climb up and go down the hill for disabled people. The difficult was not overcome by the senior labmates.

關鍵字(中)

★ 機器人控制
★ Segway
★ 模糊控制

關鍵字(英)

★ Segway
★ Fuzzy Control
★ Robot Control

論文目次

摘要 1
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VIII
表目錄 XI
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 4
第二章硬體規格 5
2-1 車身機構設計 6
2-1-1 重心裝置 6
2-2 輪圈馬達、編碼器與馬達驅動電路 7
2-2-1 輪圈馬達 7
2-2-2 編碼器 9
2-2-3 馬達驅動電路 9
2-3 傾斜器、陀螺儀與類比轉數位電路 11
2-3-1 傾斜器 11
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 14
2-5-1 電池 14
2-5-2 電源轉換電路 15
2-5-3 馬達穩壓電路 16
2-6 直流伺服馬達、編碼器與馬達驅動電路 17
2-6-1 直流伺服馬達 17
2-6-2 編碼器 17
2-6-3 驅動電路 18
2-7 無線遙控器 19
第三章訊號產生及擷取 20
3-1 訊號處理 20
3-1-1 供給穩定的電源 20
3-1-2 A/D Converter（Analog-to-Digital Converter） 20
3-1-3 數位濾波器（Kalman Filter） 21
3-2 馬達驅動控制 23
3-3 位置解碼器 24
第四章控制器設計 25
4-1 車子動作描述 25
4-2 車身平衡控制 27
4-2-1 控制器的輸入與輸出 27
4-2-2 歸屬函數 28
4-2-3 模糊規則庫 29
4-2-4 模糊推論與解模糊化 29
4-3 兩輪同步控制器 30
4-3-1 控制器的輸入與輸出 31
4-3-2 歸屬函數 31
4-3-3 模糊規則庫 32
4-4 車身定位控制器 33
4-4-1 控制器的輸入與輸出 34
4-4-2 歸屬函數 34
4-4-3 模糊規則庫 35
4-5前進控制器 36
4-5-1 控制器的輸入與輸出 37
4-5-2 歸屬函數 37
4-5-3 模糊規則庫 38
4-5-4 模糊推論與解模糊化 39
4-6定速與上下坡控制器 40
4-6-1 控制器的輸入與輸出 41
4-6-2 歸屬函數 42
4-6-3 模糊規則庫 42
4-7煞車控制器 43
4-7-1 控制器的輸入與輸出 44
4-7-2 歸屬函數 44
4-7-3 模糊規則庫 45
4-8 控制器的改進 45
第五章實驗結果分析與討論 47
5-1 實驗一：車身平衡控制 48
5-2 實驗二：兩輪同步控制 50
5-3 實驗三：車身定位控制器 53
5-4 實驗四：外加干擾力測試 56
5-5 實驗五：靜止起步與平地行走測試 62
5-6 實驗六：行進煞車之測試 66
5-7 實驗七：上坡測試 69
5-8 實驗八：下坡測試 73
5-9分析討論 77
5-10影片展示 79
第六章結論 80
6-1 結論 80
6-2 困難之處與解決方法 80
6-3 未來展望 81
參考文獻 82

參考文獻

〔1〕行政院環境保護署之網站http://mobile.epa.gov.tw/motorbike.asp
〔2〕 Segway之網站http://www.twsegway.com.tw
〔3〕 Sony Segway：http://www.dailytech.com/article.aspx?newsid=5546
〔4〕 Hitachi之網站：http://www.hqrd.hitachi.co.jp/merl/emiew.cfm
〔5〕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.
〔6〕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.
〔7〕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.
〔8〕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.
〔9〕李垂憲（王文俊教授指導）, “兩輪自走車之設計與實現-NIOS為核心之基本控制,” 國立中央大學電機工程研究所碩士論文, 2006年六月.
〔10〕黃正豪（王文俊教授指導）, “兩輪自走車之設計與實現-NIOS為核心之行動控制,” 國立中央大學電機工程研究所碩士論文, 2006年六月.
〔11〕 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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〔14〕 F. Grasser, A. D'Arrigo, S. Colombi and A.C. Rufer, “JOE: a mobile, inverted pendulum,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.39, No. 1, pp. 107-114, Feb. 2002.
〔15〕 Gyrobot之網站http://www.barello.net/Robots/Gyrobot/
〔16〕 nBot之網站http://geology.heroy.smu.edu/~dpa-www/robo/nbot/
〔17〕張育源（徐國鎧教授指導），“無刷直流馬達無感測器驅動系統之研製,” 國立中央大學電機工程研究所碩士論文, 2002年六月.
〔18〕陳連春編譯, 電源電路設計要領, 建興出版社, 2001年.
〔19〕辰白編譯, DC伺服馬達應用電路技術, 建興出版社, 2000年.
〔20〕 G. Welch and G. Bishop, “An Introduction to the Kalman Filter,” University of North Carolina at Chapel Hill Department of Computer Science Chapel Hill, NC 27599-3175.
http://www.cs.unc.edu/~{welch, gb}
〔21〕蔡明倫（王文俊教授指導）, “三節式器人之爬行控制,” 國立中央大學電機工程研究所碩士論文, 2002年六月.

指導教授

王文俊(Wen-June Wang)

審核日期

2007-7-3

推文