本論文設計與實現單輪平衡機器人，其控制器分為兩個部分，一為擺動平衡控制器，主要用來平衡機器人左右傾斜問題，基本原理是當機身上方的慣性輪直流馬達旋轉時，所產生的力矩與機器人的左右方向傾倒力矩相反，從而其與傾倒力矩相互抵消，使機器人可以保持左右方向平衡不跌倒;另一為移動平衡控制器，主要用來平衡機器人前後傾斜問題與機器人前後位置問題，基本原理是當機身下方的驅動輪直流馬達轉動時，改變機器人的前後位置與傾倒角度，可確保機器人保持直立不倒與所停止位置。同時，為了讓單輪平衡機器人能夠與前方障礙物保持固定距離，設計了防撞導引控制器，當前方障礙物靠近時機器人會自動往後移動，而當前方障礙物遠離時機器人會自動往前移動。最後，將所設計之控制演算法利用微電腦單晶片實際硬體實現，經由實際的實驗結果顯示本論文所設計之單輪平衡機器人擁有不錯控制效果。

This paper proposes a motion controller, which is comprised of a swing balance controller and a moving balance controller, for an unicycle balance robot. The swing balance controller is designed to balance the roll angle to the robot and the moving balance controller is designed to control the robot moving to a desired position while keep robot balancing. To allow the unicycle balance robot to maintain a fixed distance from the obstacle ahead, a guidance controller is designed to automatically move to purpose position. Finally, a microcontroller is utilized to implement the proposed control scheme. The feasibility of the proposed controller is verified through some test scenarios. The experimental results show that the proposed control system can achieve a good control response for the unicycle balance robot.

目錄
誌謝	II
摘要	III
ABSTRACT	IV
目錄	VI
圖目錄	VIII
表目錄	XII
第一章 緒論	1
1.1 前言	1
1.2 文獻探討	3
1.3 論文結構	5
第二章 系統架構說明	6
2.1 硬體架構	6
2.1.1 STM32F446 Nucleo實驗板	7
2.1.2 MPU 6050姿態感測器	9
2.1.3 直流馬達	12
2.1.4 馬達驅動板	19
2.1.5 距離感測器	21
2.2 單輪平衡機器人數學模型	24
2.2.1 直流馬達之數學模型	24
2.2.2 慣性倒單擺子系統之數學模型	25
2.2.3 輪型倒單擺子系統之數學模型	26
2.3 機器人控制軟體架構	28
第三章 混合型移動與擺動控制器	31
3.1 擺動平衡控制器設計	31
3.2 移動平衡控制器設計	36
3.3 防撞導引控制	39
第四章 智慧型移動與擺動控制器	42
4.1 模糊系統與模糊控制	42
4.2 智慧型擺動平衡控制器設計	46
4.3 智慧型移動平衡控制器設計	54
4.4 智慧型防撞導引控制	58
第五章 結論與未來研究	62
5.1 結論	62
5.2 未來研究	62
參考文獻	64
著作目錄	67

圖目錄
圖1.1、Atlas 機器人	2
圖1.2、Walker 機器人	2
圖1.3、Bot Care 機器人	2
圖1.4、Lee 等人提出之系統	4
圖1.5、Gong 與Liu 提出之系統	4
圖1.6、Rizal 等人提出之系統	5
圖1.7、何明字教授提出之系統	5
圖2.1、單輪平衡機器人系統	6
圖2.2、STM32F446 Nucleo 實驗板	7
圖2.3、μVision IDE 開發環境	8
圖2.4、MPU 6050 姿態感測器	10
圖2.5、讀取姿態感測器暫存器資料程式碼	11
圖2.6、X 軸方向量測測試結果	11
圖2.7、Y 軸方向量測測試結果	12
圖2.8、直流馬達安裝配置圖	13
圖2.9、慣性輪直流馬達組	13
圖2.10、驅動輪直流馬達組	13
圖2.11、馬達正轉時霍爾感測元件輸出訊號	14
圖2.12、馬達反轉時霍爾感測元件輸出訊號	14
圖2.13、編碼器模式原理圖	15
圖2.14、一倍頻之解碼工作原理	16
圖2.15、四倍頻之解碼工作原理	16
圖2.16、設置定時器與計數倍頻之程式碼	17
圖2.17、讀取馬達角度資料之程式碼	17
圖2.18、慣性輪編碼器測試結果	18
圖2.19、驅動輪編碼器測試結果	18
圖2.20、馬達驅動板	20
圖2.21、TB6612FNG 馬達驅動器之電路	20
圖2.22、BTS7960 馬達驅動器之電路	21
圖2.23、紅外線感測器	21
圖2.24、紅外線感測器輸出的電壓對應距離	21
圖2.25、反射物件距離與電壓關係圖	23
圖2.26、單輪平衡機器人示意圖	24
圖2.27、慣性倒單擺子系統示意圖	26
圖2.28、輪型倒單擺子系統示意圖	27
圖2.29、軟體流程圖	29
圖2.30、實驗環境平台圖	29
圖2.31、DA 轉換模組	30
圖2.32、TLV5610	30
圖3.1、混合型移動與擺動控制器方塊圖	31
圖3.2、擺動平衡控制器系統方塊圖	33
圖3.3、機器人前後固定式支架	33
圖3.4、擺動平衡控制器之測試影片分鏡	34
圖3.5、實驗一之擺動平衡控制響應圖	35
圖3.6、實驗二之擺動平衡控制響應圖	35
圖3.7、移動平衡控制器系統方塊圖	37
圖3.8、機器人左右固定式支架	37
圖3.9、移動平衡控制器之測試影片分鏡	38
圖3.10、實驗一之移動平衡控制響應圖	39
圖3.11、單輪平衡機器人防撞導引控制器系統方塊圖	40
圖3.12、防撞導引控制器之測試影片分鏡	41
圖4.1、智慧型移動與擺動控制器方塊圖	42
圖4.2、模糊系統方塊圖	43
圖4.3、車間距離、速度與加速度之歸屬函數	44
圖4.4、推論處理過程	45
圖4.5、推論結果	45
圖4.6、智慧型擺動平衡控制器系統方塊圖	47
圖4.7、角度誤差之歸屬函數	47
圖4.8、角速度誤差之歸屬函數	48
圖4.9、改良型擺動平衡控制器之系統方塊圖	49
圖4.10、慣性輪轉速之歸屬函數	50
圖4.11、智慧型擺動平衡控制器之測試影片分鏡	51
圖4.12、實驗一之智慧型擺動平衡控制響應圖	52
圖4.13、實驗一之改良型擺動平衡控制響應圖	52
圖4.14、實驗二之智慧型擺動平衡控制響應圖	53
圖4.15、實驗二之改良型擺動平衡控制響應圖	53
圖4.16、智慧型移動平衡控制器系統方塊圖	55
圖4.17、滑動輸出之歸屬函數	56
圖4.18、智慧型移動平衡控制器之測試影片分鏡	57
圖4.19、實驗一之智慧型移動平衡控制響應圖	58
圖4.20、智慧型防撞導引控制器系統方塊圖	59
圖4.21、紅外線量測距離之歸屬函數	60
圖4.22、智慧型防撞導引控制器之測試影片分鏡	61

表目錄
表2.1、姿態感測器暫存器位址表	11
表2.2、TB6612FNG 之A 馬達輸入輸出對照表	19
表2.3、BTS7960 輸入輸出對照表	20
表2.4、輸出的電壓對應距離對照表	22
表2.5、優先級配置圖	28
表4.1、模糊擺動控制器的模糊規則庫	48
表4.2、速度補償控制器之模糊規則庫	50
表4.3、模糊位置控制器之模糊規則庫	56
表4.4、智慧型防撞導引控制器之模糊規則庫	60

[1]	https://www.bostondynamics.com/atlas
[2]	https://www.limitlessiq.com/articles/encyclopedia/atlas.html
[3]	https://zh.wikipedia.org/wiki/Atlas%E6%9C%BA%E5%99%A8%E4%BA%BA
[4]	https://ubtrobot.com/pages/walker/
[5]	https://chinese.engadget.com/2019/01/08/my-robot-butler-dreams-are-getting-closer-to-reality/
[6]	https://chinese.engadget.com/2019/01/07/samsung-bot-care-manage-health/
[7]	https://www.murata.com/en-us/about/mboymgirl/mgirl/capabilities
[8]	J. M. Lee, S. Han, and J. Lee, “Decoupled dynamic control for pitch and roll axes of the unicycle robot, IEEE Trans. Industrial Electronics, vol. 60, pp. 3814–3822, 2013.
[9]	S. I. Han and J. M. Lee, “Balancing and velocity control of a unicycle robot based on the dynamic model,” IEEE Trans. Industrial Electronics, vol. 62, pp. 405–413, 2015.
[10]	D. Gong and X. Li, “Dynamics modeling and controller design for a self-balancing unicycle robot,” the 32nd Chinese Control Conference, China, pp. 3205–3209, 2013.
[11]	Y. Rizal, C. T. Ke, and M. T. Ho, “Point-to-point motion control of a unicycle robot: design, implementation, and validation,” 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation, USA, pp. 4379–4384, 2015.
[12]	M. T. Ho, Y. Rizal, and Y. L. Chen, “Balance control of a unicycle robot,” 2014 IEEE 23rd International Symposium on Industrial Electronics, Turkey, pp. 1186–1191, 2014.
[13]	王俊諺，『利用二階順滑模態控制之單輪機器人平衡與路徑追隨』，國立成功大學工程科學系碩士論文，民國一百零四年。(指導教授：何明字教授)
[14]	https://www.st.com/en/evaluation-tools/nucleo-f446re.html
[15]	Donald Norris, Programming with STM32: Getting Started with the Nucleo Board and C/C++, McGraw-Hill Education TAB 2018.
[16]	https://os.mbed.com/platforms/ST-Nucleo-F446RE/
[17]	http://www2.keil.com/mdk5/uvision/
[18]	https://www.invensense.com/products/motion-tracking/6-axis/mpu-6050/
[19]	https://hackmd.io/s/HkSQOMX1b
[20]	https://os.mbed.com/teams/Seeed/code/eMPL_MPU6050/file/6aedb937cb38/inv_mpu_dmp_motion_driver.c/
[21]	https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%AC%A7%E6%8B%89%E8%A7%92
[22]	http://mcu.eetrend.com/content/2018/100010842.html 
[23]	https://www.mc d-elektronik.com/company/employees/mcd-team.html
[24]	C. F. Hsu and B. K. Lin, “FPGA-based adaptive PID control of a DC motor driver via sliding-mode approach,” Expert Syst. with Appl., vol. 38, 2011, pp. 11866-11872.
[25]	S. R. Larimi, O. Iqbal, J. Garbowski, M. Hoorfar, H. Najjaran, “Two-layer hybrid control of an underactuated system,” 2016 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, pp. 3864–3869, 2016.
[26]	http://www.sharp-world.com/products/device/lineup/data/pdf/datasheet/gp2y0a21yk_e.pdf
[27]	高偉甫，兩輪移動式機械雙臂機器人設計與應用，淡江大學電機工程學系碩士論文（指導教授：許駿飛），2016年。
[28]	J. R. Timothy, Fuzzy Logic with Engineering Application, NewYork: Mc-Graw Hill 1995.
[29]	L. X. Wang, A Course in Fuzzy Systems and Control, Prentice-Hall, New Jersey, 1997.
[30]	楊英魁、孫宗瀛、鄭魁香、林建德、蔣旭堂，模糊控制理論與技術，全華圖書，民國85 年。
[31]	王文俊，認識 Fuzzy－第三版，全華圖書，民國94年。
[32]	李宗倫，類神經網路自組織滑動模糊控制器在雙軸電液伺服系統之應用，國立台灣科技大學，指導教授:莊福盛，2012年。
[33]	X. Yu, Z. Man and B. Wu, “Design of fuzzy sliding-model control system,” Fuzzy Sets and Syst., vol. 95, pp. 295-306, 1998.