Construction of a balancing robot as a test platform for control algorithms

Piotr Mikuła

Abstract

This thesis describes the construction of a prototype of a mobile balancing robot that operates on the principle of an inverted pendulum. Its main task is to maintain an upright position at all times. The device has to be resistant to light human attempts to get out of balance. The design is to serve as a platform for testing various control algorithms. The implementation of the issue assumes the creation of a computer, and then a physical model of the robot's construction and the development of an electronic system of the balancing robot capable of driving straight ahead and twisting sideways. The mechatronic structure is to enable the use of various microcontrollers as computational units, including myRIO from National Instruments, STM32 from ST and Arduino Uno from Arduino. In the beginning there is an introduction to the issue of balancing robots. Then the work focuses on the development of the robot structure. It needs to fulfill the conceptual and equipment requirements imposed by the designer. The electronic part of the construction has been described with a brief justification for the selection of individual components. It is also proposed how to combine individual elements into one system. A simple program for communicating with the sensors and the motor will be a check for the correct connection and operation of these parts. The mechanical part of the robot's construction includes mainly parts made of plastic by 3D printing, which are combined with catalogue elements. The paper presents all the modeled parts, which are additionally presented in larger subassemblies. In addition, a procedure for assembling the whole structure has been developed, which describes in detail the order in which the robot is assembled so that the process goes without problems. In particular, it shows the interaction of the catalogue components with the designed ones. This procedure is also intended to check all components for compatibility with other parts. This stage is finalized by completing all parts and assembling the robot's structure. Then an analysis of the influence of the position of the accelerometer on the measurement of the robot's angle of oscillation from the vertical appears. The angle measurement from the accelerometer, one of the axes of which coincides with the robot's axis of rotation, will be compared with the measurement from the accelerometer placed above that axis. The effect of the centre of gravity position of the structure on the stability and response time of the system will also be investigated. This test will be performed by using a simulation in the Matlab program. The final part of the work focuses on further development of the robot as a test platform for control algorithms. The equations of the robot's movement will be derived and the selection of the regulator will be proposed. Moreover, it will be possible to determine specific numerical coefficients of balancing robot motion equations for all proposed microcontrollers. This may provide a basis for further development of the project in terms of programming and shorten the implementation process of the first control algorithm. The summary of the work lists the objectives that have been achieved and suggests possible improvements that could be made to the robot in the future.
Diploma typeEngineer's / Bachelor of Science
Diploma typeEngineer's thesis
Author Piotr Mikuła (FPAE)
Piotr Mikuła,,
- Faculty of Power and Aeronautical Engineering
Title in PolishBudowa robota balansującego jako platformy testowej algorytmów sterowania
Supervisor Marek Surowiec (FPAE / IAAM)
Marek Surowiec,,
- The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics

Certifying unitFaculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unitThe Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE / IAAM)
Study subject / specialization, Automatyka i Robotyka (Automation and Robotics)
Languagepl polski
StatusFinished
Defense Date08-09-2020
Issue date (year)2020
Pages81
Internal identifierMEL; PD-5573
Reviewers Marek Surowiec (FPAE / IAAM)
Marek Surowiec,,
- The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics
, Marek Wojtyra (FPAE / IAAM)
Marek Wojtyra,,
- The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics
Keywords in Polishrobot mobilny, robot balansujący, odwrócone wahadło, konstrukcja, CAD, akcelerometr, mikrokontroler, platforma testowa
Keywords in Englishmobile robot, self balancing robot, inverted pendulum, construction, CAD, accelerometer, microcontroller, test platform
Abstract in PolishNiniejsza praca dyplomowa opisuje budowę prototypu mobilnego robota balansującego, który działa na zasadzie odwróconego wahadła. Jego zadaniem jest utrzymanie pozycji pionowej w każdej chwili. Urządzenie ma być odporne na lekkie próby wytrącenia z położenia równowagi przez człowieka. Konstrukcja ma posłużyć jako platforma do testowania różnych algorytmów sterowania. Realizacja zagadnienia zakłada wykonanie komputerowego, a następnie fizycznego, modelu konstrukcji robota oraz opracowanie układu elektronicznego robota balansującego zdolnego do jazdy na wprost oraz skręcania. Struktura mechatroniczna ma umożliwiać wykorzystywanie różnych mikrokontrolerów jako jednostki obliczeniowe, z wyszczególnieniem myRIO od National Instruments, STM32 od ST oraz Arduino Uno od Arduino. We wstępie zawarte jest wprowadzenie do zagadnienia jakim są roboty balansujące. Następnie praca skupia się na opracowaniu konstrukcji robota. Musi ona spełniać narzucone przez konstruktora wymagania koncepcyjne oraz wyposażeniowe. Elektroniczna część konstrukcji została opisana wraz z krótkim uzasadnieniem wyboru poszczególnych komponentów. Zaproponowany został również sposób połączenia poszczególnych elementów w jeden układ. Sprawdzeniem poprawnego podłączenia i działania tychże części będzie napisanie prostego programu służącego do komunikacji z sensorami oraz silnikiem. Mechaniczna część konstrukcji robota składa się głównie z części wykonanych z tworzywa sztucznego metodą druku 3D, które łączą się z elementami dostępnymi w katalogach producentów. W pracy przedstawione zostały wszystkie zamodelowane części, które dodatkowo zaprezentowane zostały w większych podzłożeniach. Ponadto opracowana została procedura montażu całej konstrukcji, w której w sposób szczegółowy opisano kolejność składania robota, tak by proces ten przebiegał bezproblemowo. Dodatkowo przedstawia ona współpracę komponentów katalogowych z zaprojektowanymi. Procedura ta ma również na celu sprawdzenie wszystkich elementów pod względem kompatybilności z innymi częściami. Etap ten finalizowany jest przez skomplementowanie wszystkich części oraz złożenie konstrukcji robota. Następnie pojawia się analiza wpływu położenia akcelerometru na pomiar kąta wychylenia robota od pionu. Porównany zostanie pomiar kąta z akcelerometru, którego jedna z osi pokrywa się z osią obrotu robota z pomiarem z akcelerometru umieszczonego powyżej tejże osi. Zbadany zostanie również wpływ położenia środka ciężkości konstrukcji na stabilność układu. Badanie to zostanie wykonane za pomocą symulacji w programie Matlab z wykorzystaniem modelu odwróconego wahadła. Końcowa część pracy skupia się na dalszych etapach rozwoju robota jako platformy testowej algorytmów sterowania. Wyprowadzone zostaną równania ruchu robota oraz zaproponowany zostanie dobór regulatora. Może to stanowić bazę do dalszego rozwoju projektu pod kątem programistycznym i skrócić proces implementacji pierwszego poważnego algorytmu sterowania. W podsumowaniu pracy wymienione zostały cele, które udało się osiągnąć oraz zaproponowano możliwe usprawnienia, które mogą zostać wprowadzone do robota w przyszłości.
File
DyplomInz_-_Piotr_Mikuła_-_30.08.2020.pdf 4.13 MB
Local fieldsIdentyfikator pracy APD: 41369

Get link to the record

Back
Confirmation
Are you sure?