Skip to main content
SUPERVISOR
Mostafa Ghayour,Saeed Behbahani
مصطفی غیور (استاد راهنما) سعید بهبهانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Sareh Sakhaei
ساره سخائی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396

TITLE

Control and navigation of a three dimensional unicycle robot
Wheeled robots are mobile robots that are noteworthy because of their maneuverability and mobility. Unicycle is a mobile robot that requires low space and needs low energy to move. It can be used in various applications especially in an area with limited space. This robot just has a single ground contact and it may be fall in both longitudinal and lateral directions. On the other hand, control of the robot is more difficult because the robot is an underactuated system. Thus balancing a unicycle robot is an important and challenging topic that has been studied for years and it is a noticeable research platform for control engineers. The unicycle robot should remain stabilize under disturbances and inherent nonlinear effects and tracks the desired straight or curved path. In this research the study is performed on an unicycle robot that is consisting of a body, wheel, and two disks that are located at the left and the right of the robot's body. The designed mechanism can stabilize the robot while tracking a direct path without effect on steering angle. Also Steering control of the unicycle can be achieved using this mechanism. First the dynamic model of the robot is derived by Lagrangian approach. Since the unicycle behavior is known and there is an explicit understanding of its dynamic, the derived equations are validated. In this way, by defining predictable conditions of dynamic system behavior and simulation the system by defining conditions, the output of the simulated system was adapted to the dynamic sense of the system. The inputs of the system are defined in such a way that the robot is limited to moving in a straight path and the study was performed on its stability. Three types of controllers were designed to maintain the robot's stability, and all of them produced some sort of desirable result. Stabilizing in longitudinal plane utilize wheel inverted pendulum technique and Stabilizing in lateral plane is based on gyroscopic effect of two disks. Therefore the stability of the system is affected by precession angular velocity of the disks and the rotational speed of the disks at the same time. So angular velocity of the disks has studied in a part of the research. But what increases the maneuverability of a single wheel and allows it to cross a curved path or an obstacle is steering control. Finally, the equations have been rewritten to control steering angle and a fuzzy controller has been designed for its control. The simulation results show that the robot stabilize itself while changing its yaw angle. Keywords: Gyroscopic effects, unicycle robot with two flywheels, three dimensional modeling, fuzzy control,underactuated robot, steering control
ربات های چرخ دار به دلیل مانورپذیری و قدرت تحرکی که دارند، از جمله ربات های متحرک مورد توجه هستند. تک چرخ یک ربات متحرک است که فضای بسیار کمی اشغال می کند و انرژی کمی برای حرکت نیاز دارد. از آن می توان در موارد گوناگونی استفاده کرد به خصوص در محیط هایی که محدودیت عبور ومرور وجود دارد. این ربات تنها یک نقطه تماس با زمین دارد و امکان سقوط ربات هم در جهت طولی و هم در جهت جانبی وجود دارد. از طرف دیگر کم عملگر بودن تک چرخ بر دشواری کنترل آن می افزاید. بنابراین حفظ پایداری این ربات مسئله مهم و چالش برانگیزی است که در طی سال ها مورد مطالعه قرار گرفته است و بستر تحقیقاتی مورد توجهی برای مهندسان کنترل بوده است. تک چرخ می بایست در حین عبور از مسیر مطلوب منحنی الخط و یا مستقیم الخط تعادل خود را حفظ کند و همچنین در مقابل اغتشاشات و ناپایداری ذاتی مقاوم باشد. در این تحقیق مطالعه بر روی مدلی از تک چرخ صورت می گیرد که شامل چرخ، بدنه و دو دیسک قرار گرفته در سمت چپ و راست بدنه است. این مکانیزم به گونه ای طراحی شده است که می تواند پایداری ربات را بدون تأثیر گذاشتن روی زاویه فرمان حفظ کند و امکان حرکت بر خط مستقیم بدون از دست دادن پایداری را دارد. همچنین به کمک این مکانیزم کنترل فرمان می تواند به خوبی تحقق یابد. کنترل زاویه فرمان هم به کمک دو دیسک صورت می گیرد. در روند انجام این پژوهش ابتدا معادلات دینامیکی حاکم بر ربات به کمک روش لاگرانژ استخراج شده است. از آنجایی که رفتار تک چرخ شناخته شده است و از دینامیک آن درک صریحی وجود دارد، معادلات استخراج شده صحت سنجی شد. به این ترتیب که با انجام چند شبیه سازی متفاوت مشاهده شد که رفتار مجموعه با حس فیزیکی تطابق دارد. ورودی های سیستم به گونه ای تعریف شده است که ربات محدود به حرکت بر روی خط راست شود و مطالعه بر روی پایداری آن انجام شد. سه کنترل کننده مختلف برای حفظ پایداری ربات طراحی شد و هر سه کنترل کننده نتایج مطلوبی ارائه کردند. حفظ پایداری طولی به کمک روش پاندول معکوس چرخ دار و پایداری جانبی به کمک اثر ژیروسکوپی دو دیسک انجام می شود. بنابراین پایداری سیستم علاوه بر سرعت زاویه ای پیشروی دیسک ها متأثر از سرعت دوران دیسک های موجود در طرفین بدنه ربات است. در نتیجه در بخشی از تحقیق به مطالعه بر روی سرعت دوران دیسک پرداخته شده است. اما آنچه قدرت مانورپذیری تک چرخ را بیشتر می کند و به آن امکان گذر از مسیر منحنی و یا مانع را می دهد، کنترل فرمان است. در نهایت معادلات برای کنترل فرمان بازنویسی شده است و یک کنترل کننده فازی برای کنترل آن طراحی شده است. نتایج شبیه سازی ها نشان می دهد که ربات در حین تغییر زاویه گردش پایداری خود را حفظ می کند. کلمات کلیدی: اثرات ژیروسکوپی، ربات تک چرخ با دو فلایویل، مدلسازی سه بعدی، کنترل فازی، ربات کم عملگر، کنترل فرمان

ارتقاء امنیت وب با وف بومی