Disseny i implementació d'un Self-Balancing Robot

The idea of a two-wheeled inverted pendulum or self-balancing robot has appeared in the last years and has attracted interest from control theory researchers due to its unstable nature. This work has as main objective the design and implementation of an educational model based on a self-balancing robot, designed for the students of Digital Control Software-Based Applications to enlarge the knowledge of control, having the possibility of working with a physical model and test control algorithms. To stay upright, the self-balancing robot needs to estimate its angle with the vertical, this information is processed by the control stage to properly manage the motors and get the robot swing. The system is also able to control the linear position of the robot. The model is ready to interact with a computer, modifying control parameters and displaying the behaviour of internal variables of the robot. In the project, a mathematical model of the self-balancing robot is derived using Newton laws and the suitability of different controllers are analysed in the system: PID, incremental PID, cascade PID, pole placement and LQR.
La idea de un péndulo invertido de dos ruedas o Self-Balancing Robot ha surgido en los últimos años y ha despertado el interés de muchos investigadores de teoría de control de todo el mundo por su naturaleza inestable. Este trabajo tiene como principal objetivo el diseño y la implementación de una maqueta didáctica basada en un Self-Balancing Robot, para que los alumnos del seminario de Software-Based Digital Control Applications puedan profundizar en los conocimientos de control, teniendo la posibilidad de trabajar con una maqueta física y poder ensayar en ella diferentes algoritmos de control. Para que el Self-Balancing Robot se mantenga en posición vertical, necesita estimar su ángulo con la vertical, esta información es procesada por la etapa de control para gestionar adecuadamente los motores y así conseguir que el robot se balancee. El sistema también es capaz de controlar la posición lineal del robot además del ángulo. La maqueta está preparada para poder interactuar con ella desde el ordenador, modificando parámetros de control y visualizando el comportamiento de las variables internas del robot. Se ha deducido el modelo matemático del Self-Balancing Robot a partir de las leyes de Newton y se ha analizado la aptitud de diferentes controladores para estabilizar el sistema: PID, PID incremental, PID en cascada, Pole Placement y LQR.
La idea d’un pèndol invertit de dues rodes o Self-Balacing Robot ha sorgit en els últims anys i ha despertat l'interès de molts investigadors de teoria de control de tot el món per la seva naturalesa inestable. Aquest treball té com a principal objectiu el disseny i la implementació d’una maqueta didàctica basada en un Self-Balancing Robot, per a què els alumnes del seminari de Software-Based Digital Control Applications puguin aprofundir en els coneixements de control, tenint la possibilitat de treballar amb una maqueta física i poder assajar en ella diferents algoritmes de control. Per a què el Self-Balancing Robot es mantingui en posició vertical, necessita estimar el seu angle amb la vertical, aquesta informació és processada per l’etapa de control per gestionar adequadament els motors i així aconseguir que el robot es balancegi. El sistema també és capaç de controlar la posició lineal del robot a més a més de l’angle. La maqueta està preparada per poder interactuar amb ella des de l’ordinador, modificant paràmetres del control i visualitzant el comportament de les variables internes del robot. S’ha deduït el model matemàtic del Self-Balancing Robot a partir de les lleis de Newton i s’ha analitzat l’aptitud de diferents controladors per a estabilitzar el sistema: PID, PID incremental, PID en cascada, Pole Placement i LQR.