طراحی کنترل کننده مد لغزشی برای ربات تعادلی دو چرخ

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد- دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، گروه برق، دانشگاه هرمزگان

2 استادیار- دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، گروه برق، دانشگاه هرمزگان

چکیده

امروزه کنترل سیستم‌های مکانیکی نقصان تحریک یکی از مسائل چالش برانگیز مهندسان کنترل شده است. یکی از مثال‌های جذاب این دسته سیستم‌ها، ربات تعادلی دو چرخ می‌باشد که از دو چرخ در موازات هم و یک آونگ معکوس تشکیل شده است. در این پژوهش طراحی کنترل‌کننده به منظور حرکت بر روی سطح صاف مورد بررسی قرار گرفته است. برای طراحی کنترل کننده، ابتدا معادله دینامیکی سیستم از روش کین استخراج شد. سپس برای ربات تعادلی دو چرخ یک کنترل کننده مد لغزشی برای زاویه چرخش ربات، و با استفاده از سطح لغزشی پیشنهادی یک کنترل کننده مد لغزشی برای کنترل توام موقعیت و زاویه حفظ تعادل طراحی گردید. ویژگی کنترل‌کننده‌های پیشنهادی این است که همگی بر اساس دینامیک غیرخطی سیستم طراحی شده‌اند. همچنین با در نظر گرفتن حدود عدم قطعیت سیستم به هنگام طراحی، کنترل‌کننده‌ها نسبت به عدم قطعیت‌های موجود در مسئله مقاوم شده‌اند. مشکل متداول کنترل‌کننده‌های مد لغزشی پدیده چترینگ می‌باشد که با استفاده از تابع اشباع به جای تابع علامت تا حد زیادی کاهش یافته است. در نهایت مقایسه نتایج شبیه‌سازی کنترل‌کننده طراحی شده با پاسخ یک کنترل کننده رگولاتور درجه دوم، کارایی کنترل‌کننده پیشنهادی را تأیید می‌نماید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Design of a Sliding Mode Controller for Two-Wheeled Balancing Robot

نویسندگان [English]

  • Ehsan Abbas nejad 1
  • Abbas Harifi 2
1 MSc - Department of Electrical & Computer Engineering, Hormozgan University
2 Assistant Professor - Department of Electrical & Computer Engineering, Hormozgan University
چکیده [English]

Nowadays, the control of mechanical systems with fewer inputs than outputs (Under-actuated systems) has become a challenging problem for control engineers. Two-wheeled balancing robots is one of the appealing examples of this category. This type of robot contains two parallel wheels and an inverted pendulum. In this research, designing of controller have been investigated for flat surfaces. For controller design, the extract dynamics of the system has been achieved based on Kane's method. Then for the two-wheeled balancing robot, one sliding mode controller has been designed for yaw angle, and another sliding mode controller has been designed to control both position and pitch angle based on a proposed sliding surface. The main feature of the proposed controllers is that all of controllers have been designed based on the nonlinear dynamics of system. Also, considering the limits of uncertainties while designing systems, the robustness of controllers have been increased. The common problem of sliding mode control is chattering phenomenon that has been greatly reduced using saturation function instead of sign function. Simulation results comparision of the designed controller with a LQR controller, validates the effectiveness of the proposed controller.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Two wheeled balancing robot
  • TWIP
  • Kane’s method
  • under-actuated system
  • LQR
[1] S. Inc, "Simply moving", Available from: http://www.segway.com/, 2012.

[2] K. Yamajuji, T. Kawamura,"Postural control of a monoaxial bicycle", Journal of the Robotics Society of Japan, Vol. 7, No. 4, pp. 74–79. 1989.

[3] T. Blackwell, "How to build a self balancing scooter", http://tlb.org/scooter.html, 2005.

[4] M. Clark, J. Field, S. Mc Mahon, Phililps, "EDGAR, aself-balancing scooter", University of Aadelaide. 2005.

[5] A.D. nBot Balancing Robot, Available from: http://www.geology.smu.edu/~dpa-www/robo/nbot/, 2008.

[6] D.Y. Lee, Y.H. Kim, B.S. Kim, Y.K. Kwak, "Dynamics and control of non-holonomic two wheeled inverted pendulum robot", pp. 373-381, Springer 2006.

[7] S.W. Nawawi, M.N. Ahmad, J.H.S. Osman, "Control of two-wheels inverted pendulum mobile robot using full order", Proceedings of the International Conference on Man-Machine Systems, Langkawi, Malaysia, Sep. 2006

[8] S.W. Nawawi, M.N. Ahmad, J.H.S. Osman, A.R. Husain, M.F. Abdollah, "Controller design for two-wheels inverted pendulum mobile robot using PISMC", Proceeding of the IEEE/SCORED, pp.194–199, Selangor, June 2006.

[9] J. Huang, Z.H. Guan, T. Matsuno, T. Fukuda, et al., "Sliding-mode velocity control of mobile-wheeled inverted-pendulum systems", IEEE Trans. on Robotics, Vol. 26, No. 4, pp. 750-758, 2010.

[10] H. Jian, F. Ding, T. Fukuda, T. Matsuno, "Modeling and velocity control for a novel narrow vehicle based on mobile wheeled inverted pendulum", IEEE Trans. on Control Systems Technology, Vol. 21, No. 5, pp. 1607-1617, 2013.

[11] N.M.A. Ghani, N.I.M. Yatim, N.A. Azmi, "Comparative assessment for two wheels inverted pendulum mobile robot using robust control", Proceeding of the IEEE/ICCAS, pp. 562–567, Gyeonggi-do, Oct. 2010.

[12] J. Wu, Y. Liang, Z. Wang, "A robust control method of two-wheeled self balancing robot", Proceeding of the IEEE/IFOST, pp. 1031–1035, Harbin, Heilongjiang, Aug. 2011.

[13] H.T. Yau, C.C. Wang, N.S. Pai, M.J. Jang, "Robust control method applied in self-balancing two-wheeled", pp. 268-271, Wuhan, Nov./Dec. 2009.

[14] D.S. Nasrallah, H. Michalska, J. Angeles, "Controllability and posture control of a wheeled pendulum moving on an inclined plane", IEEE Trans. on Robotics, Vol. 23, pp. 564–577, 2007.

[15] C.C. Tsai, S.Y. Ju, "Trajectory tracking and regulation of a self-balancing two-wheeled robot: A backstepping sliding-mode control approach", Proceedings of the IEEE/SICE, pp. 2411–2418, Taipei, Aug. 2010.

[16] Z. Kausar, K. Stol, N. Patel, "Stability region estimation of statically unstable two wheeled mobile robots", Proceeding of the IEEE/ROBIO, pp. 1379–1384, Karon Beach, Phuket, Dec. 2011.

[17] Z. Kausar, K. Stol, N. Patel, "Nonlinear control design using lyapunov function for two wheeled mobile robots", Proceeding of the IEEE/ M2VIP, pp. 123-128, Auckland, Nov. 2012.

[18] T. Ching-Chih, H. Hsu-Chih, L. Shui-Chun, "Adaptive neural network control of a self-balancing two-wheeled scooter", IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 57, No. 4, pp. 1420-1428, 2010.

[19] J.J.E. Slotine, W. Li,"Applied nonlinear control", Prentice Hall,  1991.

[20]H.A. Shirazi, "Dynamic analysis, simulationand control ofuniaxialtwo-wheelvehicles", M.Sc. dissertation, Mechanical Engineering, University Sanaati Sharif, 2011.

[21] H. Ashrafiuon, R.S. Erwin, "Sliding control approach to underactuatedmultibody systems", Proceeding of the IEEE/ACC, pp. 1283–1288, Boston, MA, USA, June/July 2004.

[22] M. Nikkhah, H. Ashrafiuon, F. Fahimi, "Robust control of under-actuated biped using sliding modes”, Robotica, Vol. 25, No. 3, pp. 367–374, 2006.