การออกแบบตัวควบคุมคงทนสำหรับหุ่นยนต์รถสองล้อ

Abstract

วิทยานิพนธ์นี้นำเสนอการออกแบบตัวควบคุมคงทน H∞ (Robust H Infinity Control) และ ตัวควบคุมแอลคิวอาร์ (LQR) เพื่อใช้ในการควบคุมการทรงตัวของหุ่นยนต์ ให้สามารถทรงตัว อยู่ได้โดยไม่ล้มและเปรียบเทียบประสิทธิภาพระหว่างตัวควบคุมคงทน H∞ กับตัวควบคุม LQR เมื่อมีสัญญาณรบกวนเข้ามาสู่ระบบ การศึกษาเริ่มจาก ศึกษาพลวัตการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ เพื่อนามาสร้างแบบจำลองการทรงตัวโดยใช้โปรแกรม MATLAB/Simulink จากนั้นได้ทำการออกแบบตัวควบคุม LQR และตัวควบคุมคงทน H∞ โดยกำหนดให้มวลและความสูงของหุ่นยนต์ที่ใช้ในการออกแบบตัวควบคุมมีค่าเท่ากับ 60 กิโลกรัมและ 1.7 เมตรตามลาดับ และได้พิจารณาสัญญาณรบกวนเพิ่มเข้ามาสู่ระบบโดยแบ่งออกเป็นสัญญาณรบกวนที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ภายในได้แก่ มวลและความสูงของหุ่นยนต์และสัญญาณรบกวนที่เกิดจากการวัดที่มีความคลาดเคลื่อนของไจโรสโคปแอคเซเลอโรมิเตอร์และเอ็นโค้ดเดอร์ ในส่วนการจำลองการทางานของหุ่นยนต์แบ่งออกเป็น 1) จำลองการทำงานของหุ่นยนต์เมื่อมุมเอียงเริ่มต้นมีค่าเท่ากับ 0.05 0.1 0.18 และ 0.235 เรเดียน ตามลำดับ 2) จำลองการทำงานของหุ่นยนต์เมื่อความสูงมีค่าเท่ากับ 1.5 1.6 1.7 และ 1.8 เมตร ตามลำดับและ 3) จำลองการทำงานของหุ่นยนต์เมื่อมวลมีค่าเท่ากับ 50 60 70 และ 80 กิโลกรัม ตามลำดับ ในส่วน ของการทดลองการทำงานจริงของหุ่นยนต์จะตัดการทดลองที่เปลี่ยนแปลงความสูงออกเนื่องจากมีผลต่อระบบน้อยมากดังนั้นจะเหลือเพียง 2 การทดลองคือ 1) ทดลองการทำงานของหุ่นยนต์เมื่อมุมเอียงเริ่มต้นมีค่าเท่ากับ 0.1 และ 0.2 เรเดียน และ 2) ทดลองการทำงานของหุ่นยนต์เมื่อมวลมีค่าเท่ากับ 40 50 และ 60 กิโลกรัม ตามลำดับ ผลที่ได้จากการจำลองการทำงานและการทดลองการทำงานจริงของหุ่นยนต์สอดคล้องกันคือตัวควบคุมคงทน H∞ และตัวควบคุม LQR สามารถควบคุมหุ่นยนต์ให้ทรงตัวอยู่ได้เมื่อมุมเอียงของหุ่นยนต์มีค่าอยู่ระหว่าง +0.2 เรเดียน เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงมวลและความสูงของหุ่นยนต์ตัวควบคุมคงทน H∞ สามารถรักษาเสถียรภาพและขจัดสัญญาณรบกวนได้ดีกว่าตัวควบคุม LQR

This research presents the design of a robust ∞ H (Robust H Infinity Control) and LQR controller to balance the robot without falling and studies their the performance when disturbance signal added to the system. The study begins with studying the dynamics of the mobile robot in order to create the robot model by MATLAB/Simulink. The robust ∞H and LQR controller are designed with the mass and the height of the robot as 60 kilograms and 1.7 meters respectively, and the disturbance added to the system consist of the change of the internal parameters of the robot model as mass and height of the robot and the measurement error of gyro scope, accelerometer and encoder. In the simulation experiments, they can be divided as: 1) the simulation of the robot with the initial tilt angle as 0.05 0.1, 0.18 and 0.235 radians, 2) the simulation of the robot with the height as 1.5, 1.6, 1.7 and 1.8 meters and 3) the simulation of the robot with the mass as 50, 60, 70 and 80 kilograms. From the simulation results show that the height variable can be neglect in the actual experiment due to it is very little affected. Therefore there are only two actual experiments 1) the experiments on the initial tilt angel as 0.1 and 0.2 radians and 2) the experiments with the mass as 40, 50 and 60 kilograms. The results of the simulation and the actual experiments of the robot are consistent. The robust ∞H controller and LQR controller can stabilize when the initial tilt angle of the robot is between +0.2 radian. When there is the changing of the mass and the height of the robot, the robust ∞ H controller can maintain the stability and eliminate disturbance better than the LQR controller.