Tracking control of a balancing robot – a model-based approach

This paper presents a control concept for a single-axle mobile robot moving on the horizontal plane. A mathematical model of the nonholonomic mechanical system is derived using Hamel's equations of motion. Subsequently, a concept for a tracking controller is described in detail. This controller keeps the mobile robot on a given reference trajectory while maintaining it in an upright position. The control objective is reached by a cascade control structure. By an appropriate input transformation, we are able to utilize an input-output linearization of a subsystem. For the remaining dynamics a linear set-point control law is presented. Finally, the performance of the implemented control law is illustrated by simulation results.

W artykule przedstawiono koncepcję sterowania ruchem jednoosiowego robota poruszającego się po płaszczyźnie poziomej. Model matematyczny nieholonomicznego systemu mechanicznego wyprowadzono korzystając z równań ruchu Hamela. Opisano następnie szczegółowo koncepcję sterownika śledzącego. Sterownik prowadzi poruszający się robot po zadanej trajektorii utrzymując go jednocześnie w pozycji pionowej. Cel sterowania jest osiągnięty przy zastosowaniu kaskadowej struktury sterowania. Dzięki odpowiedniej transformacji danych wejściowych, w podsystemie istnieje możliwość linearyzacji wejście-wyjście. Dla dynamiki pozostałej części zaprezentowano prawo liniowego sterowania stałowartościowego. Ostatecznie, jakość działania zastosowanych praw sterowania zilustrowano wynikami symulacji.