Two-wheeled balancing mobile robots are currently controlled in terms of linear control methods without considering the nonlinear dynamical characteristics. However, in the high maneuvering situations such as fast turn and abrupt start and stop, such neglected terms become dominant and greatly influence the overall driving performance. This paper addresses the SDRE nonlinear optimal control method to take advantage of the exact nonlinear dynamics of the balancing robot. Simulation results indicate that the SDRE control outperforms LQR in the respect of transient performance and required wheel torques. A design example is suggested for the state matrix that provides design flexibility in the SDRE control. It is shown that a well-planned state matrix by reflecting the physics of a balancing robot greatly contributes to the driving performance and stability.
This paper is concerned with the generation of a balancing trajectory for improving the walking performance. The balancing motion has been determined by solving a second -order differential equation. However, this method caused some difficulties in linearizing and approximating the equation and had restrictions on using various balancing trajectories. The proposed difficulties in linearizing and approximating the equation and had restrictions on using various balancing trajectories. The proposed method i this paper is based on the genetic algorithm for minimizing the motins of balancing joints, whose trajectories are generated by the fifth-order polynomial interpolation after planning leg trajectories. The real walking experiments are made on the biped robot IWR-III, developed by our Automatic Control Laboratory. The system has 8 degrees of freedom and the structure of three pitches in each leg, and one roll and one prismatic joint in the balancing joints. The experimental result shows the validity and applicability of the new proposed algorithm.
This paper is concerned with the balancing motion formulation and the control of ZMP (zero moment point) for a biped walking robot with balancing joints. The balancing equation of a biped robot can be modeled as the second order non-homogeneous differential equation, which makes it possible to plan the desired trajectories for various gaits or motions. Also, the balancing motion can be defined easily by solving the differential equation without pre-processing or heuristic procedures. The actual experiments are performed on biped walking robot system IWR-III, developed in our Automatic Control Lab. The system has the structure of three pitches in each leg, and one roll and one prismatic type in balancing joints. The walking simulations and the experimental results on IWR-III are shown using the proposed formula and control algorithm.
This paper shows to stabilize a balancing robot. We derive the dynamics of a balancing robot and design its controller using LQR method. For stabilizing balancing robot, we introduce a method to detect an angle using inertial sensors. In this study, we use a complementary filter to fuse signals by frequency response of gyroscope and accelerometer in order to measure the inclined angle of balancing robot. The filter coefficients are obtained by least square to minimize error in angle-detecting filter design. And then, after we derive a dynamics of balancing robot using Lagrange method, we linearize that dynamics for using LQR method.
Multilevel active neutral-point-clamped (ANPC) converter combines the advantages of three-level ANPC converter and multilevel flying capacitor (FC) converter. However, multilevel ANPC converter often suffers from capacitor voltage balancing problems. In order to solve the capacitor voltage balancing problems for five-level ANPC converter, phase-shifted pulse width modulation (PS-PWM) is used, which generally provides natural voltage balancing ability. However, the natural voltage balancing ability depends on the load conditions and converter parameters. In order to eliminate voltage deviations under steady-state and dynamic conditions, the active voltage-balancing control (AVBC) methods of floating capacitors and dc-link capacitors based on PS-PWM are proposed. First, the neutral-point current is regulated to balance the neutral-point voltage by injecting zero-sequence voltage. After that, the duty cycles of the redundant switch combinations are adjusted to balance the floating-capacitor voltages by introducing moderating variables for each of the phases. Finally, the effectiveness of the proposed AVBC methods is verified by experimental results.
International Journal of Fuzzy Logic and Intelligent Systems
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제14권3호
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pp.200-208
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2014
This paper presents the control of an inverted pendulum system using intelligent algorithms, such as fuzzy logic and neural networks, for advanced control education. The swing up balancing control of the inverted pendulum system was performed using fuzzy logic. Because the switching time from swing to standing motion is important for successful balancing, the fuzzy control method was employed to regulate the energy associated with the angular velocity required for the pendulum to be in an upright position. When the inverted pendulum arrived within a range of angles found experimentally, the control was switched from fuzzy to proportional-integral-derivative control to balance the inverted pendulum. When the pendulum was balancing, a joystick was used to command the desired position for the pendulum to follow. Experimental results demonstrated the performance of the two intelligent control methods.
This paper presents the development and balancing control of GYROBO, a one wheeled mobile robot system. GYROBO is a disc type one wheel mobile robot that has three actuators, a drive motor, a spin motor, and a tilt motor. The dynamics and kinematics of GYROBO are analyzed, and simulation studies conducted. A one-wheeled robot, GYROBO is built and its balancing control is performed. Experimental studies of GYROBO's balancing abilities are conducted to demonstrate the gyroscopic effects generated by the spin and tilt angles of a flywheel.
자유롭고 빠르게 이동할 수 있도록 도와주는 개인 이동 수단인 two-wheel balancing vehicle은 inverted pendulum 시스템의 원리를 이용한 것으로, 최근 들어 많은 연구가 이루어지고 있고 이를 이용한 제품이 실제 사용되고 있다. 본 논문에서는 일반적인 PID 제어이론을 이용한 two-wheel balancing vehicle에 대한 제어성능을 개선시키는 새로운 제어방식을 제안한다. 제안한 방식은 퍼지 PD+I 제어방식으로 향상된 PID 제어의 일종으로 2개의 입력과 1개의 출력을 가진 퍼지시스템에 적분 신호를 더함으로써 출력신호를 만든다. 퍼지시스템의 비선형성은 시간공정에서 비례신호와 미분신호의 가중치를 변화함으로써 최적의 출력제어신호를 만들어낸다. 제안한 퍼지 PD+I 제어방식의 유용성을 알아보기 위해 two-wheel balancing mobile robot에 대해 시뮬레이션과 실험의 결과를 통해, 제안한 퍼지 PD+I 제어방식이 일반적인 PID 방식보다 우수한 성능을 가지고 있음을 알 수가 있다.
본 논문에서는 역진자 시스템과 이동로봇 시스템의 두 시스템으로 구성된 두 바퀴 구동 이동로봇의 구현 및 제어에 대해 논한다. 제어 목적은 균형을 유지하며 이동하는 것이다. 밸런싱 로봇은 한 점에서 회전이 가능하고 바닥으로 부터의 외란에 강건한 균형을 유지한다. 국부 및 전역 좌표계에서의 제어방식의 시뮬레이션을 수행하였다. 로봇이 대칭을 이루도록 만들어졌기 때문에 균형과 주행제어에 간단한 선형 제어기를 사용하였다. 기울어진 각도를 추출하기 위해 자이로와 기울기 센서를 융합하여 사용하였다. 주어진 원형 경로를 주행하는 실험을 수행하였다.
This paper proposes a balancing control and driving control of a bicycle robot based on dynamic modeling of the bicycle robot, which has been derived using the Lagrange equations. For the balancing control of the bicycle robot, a reaction wheel pendulum method has been adopted in this research. By using the dynamics equations of the bicycle robot, an LQR controller has been designed for a balancing and driving control of a bicycle robot. The performance of the balance control is verified experimentally before the driving control, which shows a stable posture within one degree vibrations. To show the dynamic characteristics of the bicycle robot during driving, a trapezoidal velocity trajectory is selected as the references. Through simulations and real experiments, the effectiveness of the proposed algorithm has been demonstrated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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