Skip to main content
SUPERVISOR
Mostafa Ghayour,Saeed Behbahani
مصطفی غیور (استاد راهنما) سعید بهبهانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad amin Chinaei
محمدامین چینائی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394

TITLE

Controller design of a three-dimensional self-balancing cube with inertial wheel actuator
Precise control of robots and object’s orientation while balancing them is an important issue in robotics and control science. Humanoids, some of traortation vehicles, robots with two wheels and inverse pendulum are several examplcs in which balancing is crucial. In most of these robots, restricting one or two degrees of freedom, the robot balance is qacquired. In these robots, different actuators are used for balancing. In this thesis, based on the inertial momentum of the wheel and iired from inverse pendulum, a selfbalancing three-dimensional cube is introduced. This cube can balance on edges and corners. Moving from one position to another, (i.e. from one edge or corner to another edge or corner) is of the capabilies of this cube. This cube moves and balances itself via three perpendicular inertail wheels actuated by three electrical motors. This system consists of six degrees of freedom; three of which is related to the orientation of the cube with respect to inertal frame and the next three is of rotaion of the inertial wheels. The dynamics of the cube is highly nonlinear and nonlinear control techniques are required for controlling it. This cube is used in free-floating systems and balancing objects similar to inverse pendulum. In this work equations of the cube are obtained using Lagrangain and Newton-Euler methods in six degrees of freedom and are compared to each other for verifying the results. Two controllers based on fuzzy logic and computed torque methods are designed for this cube and simulations are conducted in MATLAB/Simulink. This system is designed in CATIA and the data for simulation are obtained from it. The results of the controllers are compared to each other and finally the fabrication and parts selection are discussed. Keywords: self-balancing cube with inertail wheels, nonlinear control, fuzzy control, six degree of freedom dynamics equations, three dimensional inverse pedulum
کنترل دقیق وضعیت اجسام، ربات‌ها و حفظ تعادل آن‌ها، موضوع مهم در علم رباتیک و کنترل است. ربات‌های انسان نما، برخی از وسایل نقلیه، ربات‌های متحرک بر روی دو چرخ، ربات‌های بند باز و آونگ‌های معکوس از جمله سیستم‌هایی هستند که با چالش حفظ تعادل مواجه هستند. در اغلب این ربات‌ها برای حفظ تعادل، درجات آزادی محدود شده وغالباً یک یا دو درجه آزادی در نظرگرفته می‌شود. عملگرهای متفاوتی برای ایجاد تعادل در این گونه ربات‌ها استفاده شده است. در این تحقیق با توجه به اثر گشتاور اینرسی چرخ و الهام گرفتن از آونگ معکوس، یک مکعب خود تعادل سه بعدی معرفی می‌شود. این مکعب قادر به حفظ تعادل بر روی لبه‌ها و گوشه ها می‌باشد. حرکت از وضعیتی به وضعیت دیگر مثلاً از وجه به لبه یا از لبه به گوشه مکعب از دیگر توانایی این مکعب خود تعادل می‌باشد. حفظ تعادل و حرکت این مکعب به کمک سه عدد چرخ اینرسی [1] عمود برهم که به وسیله‌ی سه موتور الکتریکی تغییر سرعت داده می‌شوند، صورت می‌پذیرد. در مجموع این سیستم دارای شش درجه آزادی می‌باشد، سه درجه آزادی برای وضعیت مکعب نسبت به دستگاه اینرسی و سه درجه آزادی برای چرخش چرخ‌های اینرسی می‌باشد. دینامیک مکعب به شدت غیرخطی بوده و برای کنترل نیازمند الگوریتم‌های کنترلی غیر‌خطی می‌باشد. کاربرد این مکعب در موقعیت دهی به شناورهای آزاد از جمله فضاپیماها و حفظ تعادل در اجسامی شبیه به آونگ معکوس است. در این پژوهش استخراج معادلات دینامیکی به صورت شش درجه آزادی به دو روش لاگرانژ و نیوتن-اویلرانجام شده و به منظور تصدیق معادلات، نتایج این دو روش با یکدیگر مقایسه شده اند. در ادامه، شبیه سازی و همچنین طراحی سیستم کنترلی به دو روش فازی [2] و روش گشتاور محاسبه شده [3] برای مکعب خود تعادل در نرم افزار متلب انجام می‌شود. طراحی سیستم برای ساخت در نرم‌افزارهای نقشه کشی انجام می‌شود داده‌های مورد نیاز از این طرح برای شبیه‌سازی استخراج می‌شود. نتایج کنترل‌کننده‌ها با یکدیگر مقایسه می‌گردد و در انتها مراحل ساخت و انتخاب قطعات بیان می‌گردد. کلمات کلیدی: مکعب خود تعادل با چرخ‌های اینرسی، کنترل غیرخطی، کنترل فازی، معادلات دینامیکی شش درجه آزادی، آونگ معکوس سه بعدی [1] Inertia wheel [2] Fuzzy [3] Computed torque

ارتقاء امنیت وب با وف بومی