淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


下載電子全文限經由淡江IP使用) 
系統識別號 U0002-1109200714510700
中文論文名稱 DSP主控之兩輪自走車運動控制
英文論文名稱 DSP Based Motion Control for Two-Wheeled Transporter
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 簡誌文
研究生英文姓名 Chih-Wen Chien
學號 694342055
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-07-31
論文頁數 75頁
口試委員 指導教授-楊智旭
委員-游文雄
委員-王銀添
中文關鍵字 兩輪自走車  模糊理論  機電整合 
英文關鍵字 Two wheels Transporter  Fuzzy Theory  Machine electricity integration 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 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。
英文摘要 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.
論文目次 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

參考文獻 [1]Segway之網站 http://www.segway.com/
[2]MIT的Cardea網址 http://www.ai.mit.edu/projects/cardea/
[3]I. Loram and M. Lakie, “Human Balancing of an Inverted Pendulum: Position Control by Small, Ballistic-Like, Throw and Catch Movements,” Journal of Physiology, 540.3, pp. 1111-1124, 2002.
[4]Y. Takahashi, S. Ogawa and S. Machida, “Step Climbing Using Power Assist Wheel Chair Robot with Inverse Pendulum Control,” IEEE Int. Conf. on Robot. Automat, Vol. 2, pp. 1360-1365, April. 2000.
[5]F. Grasser, A. D'Arrigo, S. Colombi and A.C. Rufer, “JOE: A Mobile, Inverted Pendulum, ” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 39, No. 1, pp. 107-114, Feb. 2002.
[6]V. Hernandez and H. Ramirez, “Generalized PI Control for Swinging up and Balancing the Tnertia Wheel Pendulum,” Proceedings of the American control Conference, June, 2003.
[7]M. Reza Emami, “Systematic Design and Analysis of Fuzzy-Logic Control and Application to Robotics, Part I. Modeling,” Robotics and Autonomous Systems, Vol. 37, pp. 81-100, 2000.
[8]L. A. Zadeh, ”Fuzzy Sets,” Information Control, Vol.8, pp.338-353, 1965.
[9]L. A. Zadeh, “Outline of a New Approach to the Analysis of Complex Systems and Decision process,” IEEE Trans. Systems Man Cybernet, 3, pp338-353, 1965.
[10]E. H. Mamdani, “Application of Fuzzy Algorithms for Control of Simple Dynamic Plant,” Int. Proc. IEEE 121, No.12, pp.1585-1588, 1974.
[11]Agilent Techology Corporation, http://www.analog.com
[12]T. Furuta, “Design and Construction of a Series of Compact Humanoid Robots and Development of Biped Walk Control Strategies,” Robotics and Autonomous Systems, Vol. 33, pp.65-88, 2001.
[13]陳維方、鐘明吉、蔡若鵬、龔傑、陳世宏、周德明,應用力學-動力學(第四版),全華科技圖書股份有限公司,民國89年5月。
[14]蒙以正,模糊邏輯與類神經模糊實例說明,儒林書局,民國89年8月。
[15]王禎祥,兩輪自我平衡機器人之前後行走控制, 國立中央大學電機所碩士論文,2003年六月。
[16]鄭鈞元,兩輪自我平衡機器人之平衡控制,國立中央大學電機所碩士論文,2003年六月。
[17]蔡僑倫,DSP主控之兩輪機器人平衡與兩輪同步控制,國立中央大學電機工程研究所碩士論文,2004年六月。
[18]王培霖,DSP主控之兩輪機器人行動控制,國立中央大學電機工程研究所碩士論文,2004年六月。
[19]陳家榮,改良式DSP主控之兩輪機器人基本控制,國立中央大學電機工程研究所碩士論文, 2005年六月。
[20]白翼銘,改良式DSP主控之兩輪機器人行動控制,國立中央大學電機工程研究所碩士論文,2005年六月。
[21]李垂憲,兩輪自走車之設計與實現-以NIOS為核心之基本控制,國立中央大學電機工程研究所碩士論文,2006年六月。
[22]黃正豪,兩輪自走車之設計與實現-以NIOS為核心之行動控制,國立中央大學電機工程研究所碩士論文,2006年六月。
[23]陳威宇,整合SoPC技術之雙輪機器人,清雲科技大學電子工程研究所碩士論文,2005年六月。
[24]蔡慶豐,兩輪自走車之機構設計,淡江大學機械與機電工程學系碩士班碩士論文,民國96年1月。
[25]文吉電機馬達特性說明書
[26]DSP MSK2812 User Manuel
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2008-09-13公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2008-09-13起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信