本論文的目的是設計一部兩輪自走車的雛形，使其可以模擬人員乘載操作的過程，類似人類操控兩輪自走車的實際情形。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。
    兩輪自走車之設計，先從電腦輔助機構設計CAD著手，利用工程繪圖軟體(ProE)來建立兩輪自走車模型，將各部分零件尺寸詳細計算及完成繪圖，以提供對機械元件尺寸與外型設計。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，進而控制自走車前進或後退。在控制器設計上，利用傾斜計及陀螺儀測得的車體的角度及角速度，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車身機構設計，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，設計出模糊控制器，模擬出兩輪自走車的平衡模式。

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, battery, and electromechanical system integration.
      The computer aided-design (CAD) software package (ProE) is used to design the 3D prototype of initial concept of this transporter. Then the prototype is designed based on the above concept and the calculated dimensions of all the mechanical parts. A tilt sensor and gyro are used to measure the inclination angle and the angular velocity of the transporter. A control device of the variable load is used to simulate the behavior of human-beings who lean forward or backward when they stand on the two-wheel 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	IX
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
2-3模糊控制工具箱(Fuzzy Tool Box)	14
第三章  硬體設計	18
3-1 機構設計	18
3-2機構模組說明	20
3-3 電子元件部分	34
第四章  運動模式分析	41
4-1動作規劃	41
4-2動作控制流程	45
4-3模糊控制器設計	46
第五章  模擬結果	52
5-1 前進狀態	53
5-2 後退狀態	54
5-3 停止狀態	56
第六章  結論與討論	58
6-1 結論	58
6-2 討論	59
參考文獻	61
附錄	64



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 青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2.4 輸入/輸出變數設計圖	15
圖2.5 歸屬函數設計圖	16
圖2.6 規則庫設計圖	17
圖3.1 兩輪車雛形機立體圖	19
圖3.2 兩輪車機構實體圖	20
圖3.3 三個負載實體圖	21
圖3.4 可變式重心機構之實體圖	22
圖3.5 可變式重心機構之可動角度示意圖	22
圖3.6 靜止狀態下重心桿前傾馬達出力圖	24
圖3.7 前進狀態下重心桿前傾馬達出力圖	24
圖3.8 整體機構示意圖	25
圖3.9 滑台實體圖	26
圖3.10 改良後可變式重心機構實體圖	26
圖3.11 靜止狀態下滑台前移馬達出力圖	28
圖3.12 前進狀態下滑台前移馬達出力圖	28
圖3.13 模組化分層機構設計圖	29
圖3.14 模組化分層機構實體圖	30
圖3.15 防倒裝置原始狀態外觀圖	31
圖3.16 防倒裝置作動狀態圖	31
圖3.17 直流伺服馬達(PTSV3929)實體圖	32
圖3.18 馬達特性圖	33
圖3.19 充氣式輪胎實體圖	33
圖3.20 傾斜計(CXTA01)實體圖	34
圖3.21 驅動器實體圖	35
圖3.22 編碼器的腳位圖	36
圖3.23 陀螺儀實體圖	37
圖3.24 無線控制器實體圖	37
圖3.25 DSP (MSK2812)實體圖	39
圖3.26 DSP (TMS320F2812)的功能方塊圖	39
圖3.27 鉛蓄電池實體圖	40
圖4.1 車身靜止狀態示意圖	42
圖4.2 重心桿前傾示意圖	42
圖4.3 車身向前移動示意圖	43
圖4.4 重心桿後傾和頂部維持直角示意圖	44
圖4.5 車身平衡並維持靜止狀態示意圖	44
圖4.6 控制系統方塊圖	46
圖4.7 模糊控制器輸入輸出變數示意圖	46
圖4.8 輸入角度( )/角速度( )模糊集合歸屬函數	49
圖4.9 輸出馬達位置模糊集合歸屬函數	49
圖5.1 模糊控制器輸入輸出關係圖	53
圖5.2 前進狀態輸入輸出關係圖	54
圖5.3 後退狀態輸入輸出關係圖	55
圖5.4 停止狀態輸入輸出關係圖	57
圖A.1 傾斜計規格圖	64
圖A.2 陀螺儀規格圖	65

表4.1 平衡控制器規則表	50

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, 2000, “Systematic Design and Analysis of Fuzzy-Logic Control and Application to Robotics, Part I. Modeling,” Robotics and Autonomous Systems, Vol.37 , 2000, pp. 81-100
[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,” Iin Proc. IEEE 121, No.12, pp.1585-1588, 1974.
[11]	Agilent Techology Corporation, http://www.analog.com
[12]	T. Furuta, 2001, “Design and Construction of a Series of Compact Humanoid Robots and Development of Biped Walk Control Strategies,” Robotics and Autonomous Systems, VOL. 33, 2001, pp.65-88
[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]	文吉電機馬達特性說明書
[25]	DSP MSK2812 User Manuel