Projekt systemu sterowania dwukołowym robotem balansującym

W niniejszym artykule rozważony został problem sterowania dwukołowym robotem balansującym. Celem zaprezentowanych prac było zaprojektowanie systemu sterowania tego typu obiektem z wykorzystaniem metod nowoczesnej teorii sterowania. W ramach syntezy, bazując na wyprowadzonym w oparciu o zasady dynamiki Newtona modelu, dobrana została struktura systemu sterowania w postaci regulatora wykorzystującego sprzężenie zwrotne od stanu oraz sprzężenie w przód od zadanej wartości prędkości liniowej robota. Dobór wzmocnień regulatora w sprzężeniu od stanu wykonano z wykorzystaniem technologii sterowania optymalnego z kwadratowym wskaźnikiem jakości. Ponadto, z uwagi na niedostateczną jakość pomiarów używanych w sterowaniu, opracowano dyskretny filtr Kalmana. Jakość opracowanego rozwiązania została przetestowana, przede wszystkim symulacyjnie, w środowisku Matlab/Simulink. Zawarte rozważania agregują wiedzę umożliwiającą zaprojektowanie systemu sterowania obiektami tej klasy, co może być użyteczne szczególnie w różnych aplikacjach inżynierskich.

A two-wheeled balancing robot is one type of structures based on the principle of a mobile inverted pendulum. The main aim of controlling a balancing robot is to stabilise it at the upper equilibrium point and to enable its movement with the set speed. In this paper, a synthesis of a balancing robot control system has been given. Within its framework, based on the model using Newton's laws, a feedforward state-feedback control system structure has been designed. The controller parameter values have been computed using optimisation tools. More specifically, the linear-quadratic regulator (LQR) has been designed. Moreover, due to the insufficient quality of measurements used in the control system, a linear discrete Kalman filter has been developed. The complete control system has been implemented and tested in the Matlab/Simulink environment.