طراحي، ساخت و كنترل ربات دو چرخ خود تعادلي

Design, Construction and Control of a Two-Wheel Self-Balancing Robot

هدف از اين مقاله نحوه طراحي، ساخت و كنترل ربات دو چرخ تعادلي است. در ابتدا تاريخچه ربات هاي تعادلي، نحوه كنترل آن ها و پژوهش-هاي صورت گرفته در اين حوزه مورد بررسي قرار مي گيرد. در ادامه، تحليل يك شاسي از نظر ابعاد و جنس براي ربات انجام شده و معادلات حاكم بر ربات براساس طراحي صورت گرفته محاسبه مي شود. سپس پارامترهاي ربات توسط آزمايشات مختلف اندازه گيري شده و يا از برگه مشخصات قطعه استخراج مي شود و در معادلات جاي‌گذاري مي گردد. معادلات بدست آمده ساده شده و توابع تبديل آن‌ها از نظر پايداري ربات بررسي مي گردد. در اين ربات تعادلي از دو فيلتر كالمن ساده شده و فيلتر تكميل كننده براي تشخيص زاويه انحراف از حالت عمود توسط تلفيق داده حسگر هاي شتاب سنج و ژيروسكوپ استفاده شده است. در ادامه كنترل كننده تناسبي-انتگرالي-مشتق‌گير و توابع تبديل ربات در نرم افزار متلب شبيه سازي شده است. سپس ضرايب كنترل كننده براي متعادل شدن ربات ساخته شده، به صورت تجربي تعيين شده و نتايج تعادل به صورت عملي و تيوري بررسي مي شود. در پايان مدار الكترونيكي كنترل ربات توسط ميكرو كنترلر به همراه سنسور تشخيص زاويه و ارتباط سريال با كامپيوتر براي تحليل نتايج طراحي شده است.

The purpose of this paper is the design, construction and control of a two-wheel self-balancing robot. For this purpose firstly, a literature study is carried out on the history of manufactured self-balancing robots and the researches which have been done so far in this area are reported. In addition, the robot chassis taking into consideration the size and material is analyzed; and the dynamic equations of the robot are computed according to the designed chassis. Then, the robot inertial parameters are measured through different experimental tests and these parameters are used in the equations. Also, the derived equations are simplified and the transfer functions are evaluated to determine the robot stability. In this self-balancing robot, the simplified Kalman and complementary filters are used for identifying of the bias angle from the vertical position by combination of data obtained from accelerometer and gyroscope sensors. The PID controller and the robot transfer functions are simulated in MATLAB software. Then, the controller gains for stabilizing the constructed robot are appointed theoretically and stabilizing results are considered practically and theoretically. Finally, the robot control electronic circuit is designed for analyzing the results through AVR microcontroller, while angle identification sensor is used.