本論文的目的是設計一部兩輪自走車的控制器，使其可以自我平衡，並模擬人員乘載操作的過程。兩輪自走車包括車體主結構與平衡系統設計，驅動元件的評估與選用，輪胎選用、傳動機構及機電整合設計與製作。為了模擬人員乘載操作的過程，在機構的設計上採用可變式重心裝置，藉由實體重心的偏移，使車身前傾或後傾，進而控制兩輪自走車前進或後退。整個系統以DSP為主控核心，來整合伺服馬達控制、電路訊號擷取與訊號處理的技術。在控制器設計上，利用傾斜計及陀螺儀測得的車體前傾或後傾角度及角速度，作為控制器的輸入，再應用模糊理論求得馬達出力值，控制車身保持平衡。本論文完成兩輪自走車的平衡控制器設計，並針對實體重心的偏移，探討兩輪自走車的運動模式，並配合模糊理論的應用，模擬出兩輪自走車的平衡模式；在感測器方面，提供正確且穩定的電壓源後，將其輸出訊號進行擷取及處理，以抑制訊號的高頻雜訊；在馬達驅動方面，利用DSP控制板產生驅動器所需的控制命令，進一步實現馬達驅動控制。

The objective of this thesis is to design the prototype of a two-wheeled transporter for human beings. The research work includes the mechanical components design and manufacturing, structure analysis and simulation, choosing of electrical motors, drivers and battery, controller design, and electromechanical system integration.The forward and backward motions of the two-wheeled transporter are depended on the position of the center of gravity (COG) of the transporter. Therefore, an adjustable mechanism is designed to change the COG position of the transporter by a remote controller. The COG is changed by moving the steel block on the conveyor in order to simulate the real operating behavior of human beings on the transporter. DSP is the major controller  of the entire system, which includes fuzzy control algorithm,motor control, A/D converter and signal process etc. A tilt sensor and gyro are used to measure the  inclination angle and the angular velocity of the transporter. The input signals of the controller are inclination angle and angular velocity. A fuzzy controller is designed to control the stability of this transporter by the motor outputs.The major contribution of this thesis is to develop a two-wheeled transporter for human beings. A control device of the variable load is used to analyze dynamic moving behavior, and apply the fuzzy theory in controller design, and to simulate balance model of two-wheeled transporter.

目錄
淡江大學論文提要	I
英文提要	II
目錄	IV
圖表目錄	VI
符號表	X
第一章  緒論	1
1-1 前言	1
1-2 文獻回顧	2
第二章  理論基礎	6
2-1 重心平衡	6
2-2 模糊理論簡介	8
2-2-1 模糊化介面	11
2-2-2 知識庫	11
2-2-3 決策邏輯	12
2-2-4 解模糊化介面	13
2-2-5 模糊控制器的特點	14
第三章  兩輪自走車系統架構	15
3-1 實驗設備	15
3-2 機構模組說明	17
3-3 電子元件部分	28
3-4 系統整合架構	35
第四章  運動模式分析	37
4-1 動作規劃	37
4-2 動作控制流程	42
4-3 車身平衡控制器設計	43
4-4 馬達驅動控制	49
第五章  實驗驗證與結果討論	52
5-1 感測器訊號擷取及處理	52
5-2 數位濾波器	56
5-3 平衡控制器模擬結果	59
第六章  結論與討論	64
6-1 結論	64
6-2 討論	65
參考文獻	67
附錄 A	70
附錄 B	74
圖表目錄
圖1.1 中央大學第一代兩輪車實體圖	4
圖1.2 中央大學第二代兩輪車實體圖	4
圖1.3 中央大學第三代兩輪車實體圖	5
圖1.4 中央大學第四代兩輪車實體圖	5
圖1.5 清雲科技大學兩輪車實體圖	5
圖2.1 兩輪車平衡示意圖	7
圖2.2 兩輪車前進動作示意圖	7
圖2.3 模糊邏輯控制器架構圖	10
圖3.1 兩輪車雛形示意圖	16
圖3.2 兩輪自走車機構實體圖	17
圖3.3 可變換負載滑台實體圖	18
圖3.4 可變式重心機構之實體圖	18
圖3.5 改良後可變式重心機構實體圖	19
圖3.6 靜止狀態下重心桿前傾圖	21
圖3.7 前進狀態下重心桿前傾圖	21
圖3.8 靜止狀態下滑台前移圖	23
圖3.9 前進狀態下滑台前移圖	23
圖3.10 模組化分層機構實體圖	24
圖3.11 防倒裝置原始狀態外觀圖	25
圖3.12 防倒裝置作動狀態圖	25
圖3.13 直流伺服馬達(PTSV3929)實體圖	26
圖3.14 馬達特性圖	27
圖3.15 充氣輪胎實體圖	27
圖3.16 傾斜計實體圖	28
圖3.17 驅動器實體圖	29
圖3.18 編碼器的腳位圖	30
圖3.19 陀螺儀實體圖	31
圖3.20 無線控制器實體圖	32
圖3.21  DSP (MSK2812)方塊圖	33
圖3.22  DSP (MSK2812)實體圖	33
圖3.23  DSP (TMS320F2812)的功能方塊圖	34
圖3.24 鉛蓄電池實體圖	35
圖3.25 系統整合架構圖	36
圖4.1 車體前傾、直立與後仰圖	38
圖4.2 車身靜止狀態示意圖	39
圖4.3 滑台前移示意圖	39
圖4.4 車身向前移動示意圖	40
圖4.5 滑台移回軌道中央示意圖	41
圖4.6 車身平衡並維持靜止狀態示意圖	41
圖4.7 動作控制流程圖	43
圖4.8 車身平衡控制器輸入( / )歸屬函數	46
圖4.9 車身平衡控制器輸出 歸屬函數	46
圖4.10 模糊控制器之輸入輸出關係圖	48
圖4.11 直流伺服馬達驅動器接線圖	50
圖4.12 單脈波控制時序圖	51
圖5.1  ANALOG TO DIGITAL CONVERTER介面	53
圖5.2 水平狀態下傾斜計原始輸出電壓變化圖	56
圖5.3 水平狀態下傾斜計濾波後輸出電壓變化圖	57
圖5.4 靜止狀態下陀螺儀原始輸出電壓變化圖	57
圖5.5 靜止狀態下陀螺儀濾波後輸出電壓變化圖	58
圖5.6 平衡控制器之輸入輸出關係圖	59
圖5.7 前進狀態之輸入輸出關係圖	61
圖5.8 後退狀態之輸入輸出關係圖	62
圖5.9 停止狀態輸入輸出關係圖	63
圖A.1 輸入/輸出變數設計圖	71
圖A.2 歸屬函數設計圖	72
圖A.3 規則庫設計圖	73
圖B.1 傾斜計規格圖	74
圖B.2 陀螺儀規格圖	75

表4.1 平衡控制器規則表	47
表5.1 傾斜計實驗數據(水平狀態)	54
表5.2 陀螺儀實驗數據(靜止狀態)	54
表5.3 接上降壓電路之傾斜計實驗數據(水平狀態)	55
表5.4 接上降壓電路之陀螺儀實驗數據(靜止狀態)	55

[1]Segway之網站 http://www.segway.com/
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