The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics (전력전자학회논문지)

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Model Based Control System Design of Two Wheeled Inverted Pendulum Robot

이륜 도립진자 로봇의 모델 기반 제어 시스템 설계

  • 구대관 (순천향대 전기통신시스템공학과) ;
  • 지준근 (순천향대 전기통신공학과) ;
  • 차귀수 (순천향대 전기통신공학과)
  • Received : 2010.09.15
  • Accepted : 2011.01.11
  • Published : 2011.04.20
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Abstract

This paper proposes embedded System of two wheeled inverted pendulum robot designed by model based design method, using MATLAB/SIMULINK and LEGO NXT Mindstorms. At first, stability and performance of controller is verified through modeling and simulation. After that direct conversion from simulation model to C code is carried and effectiveness of controller is experimentally verified. Two wheeled inverted pendulum robot has basic function about autonomous balancing control using principle of inverted pedulum and it is also possible to arrive at destination. In this paper, state feedback controller designed by quadratic optimal control method is used. And quadratic optimal control uses state feedback control gain K to minimize performance index function J. Because it is easy to find gain, this control method can be used in the controller of two wheeled inverted pendulum robot. This proposed robot system is experimentally verified with following performances - balancing control, disturbance rejection, remote control, line following and obstacle avoidance.

본 논문에서는 LEGO NXT 마인드스톰을 사용하여 이륜 도립진자 로봇을 제작하고 MATLAB/SIMULINK를 이용한 모델 기반 설계 방법으로 제어기를 구현한 임베디드 시스템을 제안하였다. 먼저 이륜 도립진자 로봇의 모델링과 시뮬레이션을 통해 제어기의 성능과 안정성을 확인한 다음 시뮬레이션 프로그램을 직접 코드 변환하여 실험으로 설계된 제어기의 유효성을 확인하였다. 이륜 도립진자 로봇은 도립진자 원리를 이용한 자율 자세 제어를 기본 기능으로 하고 목적지까지 주행이 가능한 로봇이다. 제어기는 2차의 최적제어 방법으로 설계된 상태궤환 제어기를 이용하였다. 2차의 최적제어는 성능 지수 함수 �じ� 최소로 하는 이득행렬 �ジ� 구해 상태궤환 제어기의 이득으로 쓰는 방법으로 이득 설정 방법이 용이하여 이륜 도립진자 로봇의 제어기로 사용할 수 있다. 이륜도립진자 로봇의 제어기를 설계한 후 실험으로 자세 제어 성능과 외란 응답성, 무선 조종 주행 성능, 라인 주행 및 장애물 회피 성능을 확인하였다.

Keywords

References

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