การออกแบบตัวควบคุมสำหรับหุ่นยนต์สมดุลบนลูกบอล

Controller Design for Self-Balancing Mobile Robot on a Ball

Name: ทศพล ศรีสุมังคลังกูร

Address: ปทุมธานี

Organization : มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี. คณะวิศวกรรมศาสตร์. สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล.

ThaSH: หุ่นยนต์ -- การคบคุม

Classification :.LCCS: TJ 211.35

Abstract: วิทยานิพนธ์ฉบับนี้นำเสนอการออกแบบตัวควบคุมหุ่นยนต์เคลื่อนที่สร้างสมดุลบนลูกบอลซึ่งเป็นระบบที่ไม่มีเสถียรภาพ โดยตัวหุ่นยนต์นั้นใช้ ดีซี เซอร์โวมอเตอร์ที่มีเกียร์ทดในการขับเคลื่อนล้ออมนิ ซึ่งล้ออมนิถูกใช้แทนโรลเลอร์สเตนเลสในการขับลูกบอลให้เคลื่อนที่ โดยมีเอนโคเดอร์ในการจับตำแหน่งการเคลื่อนที่ของตัวหุ่นยนต์ และใช้ตัวตรวจรู้ความเร่งและไจโรสโคปเป็นตัวตรวจวัดมุมเอียงของตัวหุ่นยนต์เทียบกับพื้นระนาบเพื่อนำไปใช้ควบคุมการทรงตัวและทำให้หุ่นยนต์สามารถเลี้ยงตัวอยู่บนลูกบอลได้ โดยการศึกษาเริ่มจากการสร้างแบบจำลองระบบหุ่นยนต์โดยใช้สมการลากรองจ์ช่วยในการคำนวณและรวมเอาแบบจำลองของมอเตอร์เข้าไว้ด้วย ส่วนตัวควบคุมที่ใช้ในแบบจำลองได้ออกแบบด้วยตัวควบคุมแบบป้อนกลับสถานะและใช้ Linear Quadratic Regulator รวมทั้ง ตัวสังเกตสถานะช่วยในการคำนวณค่าอัตราขยายในการควบคุม โดยโปรแกรม MATLAB/Simulink ได้ถูกนำมาจำลองการทำงานและทดสอบตัวควบคุมที่ออกแบบไว้ ในส่วนของการทดลองจริงนั้นได้ใช้ Real-Time Window Target Toolbox ของโปรแกรม MATLAB/Simulink มาช่วยในการควบคุมการทำงานของหุ่นยนต์ ผลการจำลองการทำงาน พบว่าตัวควบคุมที่ออกแบบไว้สามารถควบคุมให้หุ่นยนต์สามารถทรงตัวอยู่บนลูกบอลได้ในระยะเวลาประมาณ 5 วินาที ในส่วนของผลการทดลองจริงพบว่า มุม Pitch และมุม Roll ที่เป็นมุมเอียงซึ่งวัดได้จากตัวหุ่นยนต์อยู่ในช่วง 0.015 ถึง -0.015 เรเดียน โดยเกิดขึ้นนับตั้งแต่เริ่มการทำงาน ในส่วนมุม Pitch และมุม Roll ที่เป็นมุมเอียงซึ่งวัดจากลูกบอลนั้นมีแนวโน้มที่จะแกว่งขึ้นลงอยู่ระหว่างช่วง 0.5 เรเดียน จากตำแหน่งเสถียร

Abstract: This thesis describes a controller design for a self-balancing mobile robot on a ball, which is naturally an unstable system. The omni-wheels driven by the DC-servomotors with gear heads are used to turns a spherical ball instead of stainless steel rollers. The encoders are used to measure the position of the robot, and both accelerometer and gyroscope are used to feedback robot acceleration and tilt angles so that this mobile robot can balance itself on a ball. The mathematical model of robot is formulated using the Lagrange,s equation. The State Variable Feedback algorithm and Linear Quadratic Regulator and State Observer are used to compute a feedback gain in order to stabilize the mobile robot on a ball. By simulating on MATLAB/Simulink. For the experiment, a Real-Time Window Target toolbox of MATLAB/Simulink is used to implement a controller for this robot. The simulation results show that the designed controller can control and balance the system within 5 seconds. The experiments of both tilt angles, which are pitch and roll angle of robot, show the range between 0.015 and -0.015 radian respect to the starting point. Furthermore, both angle of the ball trend to oscillate within 0.5 radian from the stable position.

มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี

Address: ปทุมธานี

Email: elibrary@mail.rmutt.ac.th

Name: มนูศักดิ์ จานทอง

Role: อาจารย์ที่ปรึกษา

Created: 2555

Modified: 2025-04-03

Issued: 2558-07-10

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

CallNumber: วพ TJ 211.35 ท238ก

tha

DegreeName: วิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต

Level: ปริญญาโท

Grantor: มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี

Descipline: วิศวกรรมเครื่องกล

©copyrights มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	1.Front.pdf	707.76 KB	8	2025-06-24 11:11:39
2	2.Chapter1.pdf	551.08 KB	13	2025-06-24 11:12:09
3	3.Chapter2.pdf	1.43 MB	11	2025-06-24 11:12:26
4	4.Chapter3.pdf	1.08 MB	8	2025-06-24 11:12:34
5	5.Chapter4.pdf	919.73 KB	7	2025-06-24 11:12:43
6	6.Chapter5.pdf	602.36 KB	8	2025-06-24 11:12:50
7	7.References.pdf	536.66 KB	6	2025-06-24 11:13:03
8	8.Appendices.pdf	3.88 MB	10	2025-06-24 11:13:12
9	9.Vitae.pdf	513.21 KB	6	2025-06-24 11:13:25

ใช้เวลา

0.060504 วินาที