طراحي كنترل كننده مد لغزشي براي ربات تعادلي دو چرخ

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

امروزه كنترل سيستم‌هاي مكانيكي نقصان تحريك يكي از مسايل چالش برانگيز مهندسان كنترل شده است. يكي از مثال‌هاي جذاب اين دسته سيستم‌ها، ربات تعادلي دو چرخ مي‌باشد كه از دو چرخ در موازات هم و يك آونگ معكوس تشكيل شده است. در اين پژوهش طراحي كنترل‌كننده به منظور حركت بر روي سطح صاف مورد بررسي قرار گرفته است. براي طراحي كنترل كننده، ابتدا معادله ديناميكي سيستم از روش كين استخراج شد. سپس براي ربات تعادلي دو چرخ يك كنترل كننده مد لغزشي براي زاويه چرخش ربات، و با استفاده از سطح لغزشي پيشنهادي يك كنترل كننده مد لغزشي براي كنترل توام موقعيت و زاويه حفظ تعادل طراحي گرديد. ويژگي كنترل‌كننده‌هاي پيشنهادي اين است كه همگي بر اساس ديناميك غيرخطي سيستم طراحي شده‌اند. همچنين با در نظر گرفتن حدود عدم قطعيت سيستم به هنگام طراحي، كنترل‌كننده‌ها نسبت به عدم قطعيت‌هاي موجود در مسيله مقاوم شده‌اند. مشكل متداول كنترل‌كننده‌هاي مد لغزشي پديده چترينگ مي‌باشد كه با استفاده از تابع اشباع به جاي تابع علامت تا حد زيادي كاهش يافته است. در نهايت مقايسه نتايج شبيه‌سازي كنترل‌كننده طراحي شده با پاسخ يك كنترل كننده رگولاتور درجه دوم، كارايي كنترل‌كننده پيشنهادي را تاييد مي‌نمايد.

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 Kaneʹs 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.