Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Modernization of the Inverted Pendulum Stand

Iwo Koronowski

Abstract

This thesis describes a modernization process of the inverted pendulum stand beginning with the theoretical introduction, followed by analysis of the stand design, presentation of the hardware improvements and software design. Finally the results of the whole process are presented and discussed. In the first chapter the main aim of this thesis and the key assumptions are presented. The main principles are formulated in order to simplify the process of software design and extend the usage possibilities of many code modules. The second chapter describes the theoretical basics important during whole modernization process, which involves the main features of the inverted pendulum, mathematical model of the system, control systems, PID controllers and a few of the most popular possibilities of PID controllers applications in the inverted pendulum issue. The third chapter presents the inverted pendulum stand before the beginning of the modernization. Key parameters of the modules are described and analyzed in terms of their performance and functionality. In the following paragraphs the sensors configuration are presented. Due to the lack of some important sensors the unavailability of the essential data for the control algorithm is mentioned. In the fourth chapter of the thesis all of the hardware modifications are presented including selected sensors, the rotary encoder and the ST’s microcontroller and their main parameters which determined selection of the modules. The final paragraphs show how advantages of the chosen sensors influence the overall performance of the inverted pendulum stand. Next two chapters describe the process of software development. The fifth one presents software tools used during the whole process beginning from microcontroller’s peripherals configuration to testing and parameters tuning. That description includes: code generators, IDE, compilators, programmer, debugging, software version control and their functions in the project. The basics criteria of choice of used software like free for non-commercial use licenses are presented. The second software-related chapter describes developed microcontroller’s code. The first paragraphsillustrates main architecture of the application including three main layers of the code: application layer, hardware abstraction layer and libraries and advantages of that code design. Next part concerns the basic embedded system’s software feature - the state machine and itsimplementation. All the states defined in the code and the conditions of state changes are described. Finally the implementations of the main code functionality like PID controllers and positioning are presented and discussed. Finally the results of whole modernization and general performance of the inverted pendulum stand are presented. The role of all added modules and their influence on the overall effect are compared to previous version of the stand.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Iwo Koronowski (FPE) Iwo Koronowski,, Faculty of Production Engineering (FPE)
Title in Polish
Modernizacja stanowiska z wahadłem odwróconym
Supervisor
Mirosław Nejman (FPE/IoMP) Mirosław Nejman,, The Institute of Manufacturing Processes (FPE/IoMP)Faculty of Production Engineering (FPE)
Certifying unit
Faculty of Production Engineering (FPE)
Affiliation unit
The Institute of Manufacturing Processes (FPE/IoMP)
Study subject / specialization
, Automatyzacja i Robotyzacja Procesów Produkcyjnych
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
17-10-2019
Issue date (year)
2019
Reviewers
Mirosław Nejman (FPE/IoMP) Mirosław Nejman,, The Institute of Manufacturing Processes (FPE/IoMP)Faculty of Production Engineering (FPE) Dominika Śniegulska-Grądzka (FPE/IoMP) Dominika Śniegulska-Grądzka,, The Institute of Manufacturing Processes (FPE/IoMP)Faculty of Production Engineering (FPE)
Keywords in Polish
wahadło odwrócone, regulator PID, punkty równowagi, STM32, mikrokontroler, elektronika cyfrowa, język C
Keywords in English
inverted pendulum, PID controller, equilibrium points, STM32, microcontroller, digital electronics, C programming language
Abstract in Polish
Praca opisuje proces modernizacji stanowiska z wahadłem odwróconym począwszy od etapu omówienia niezbędnych zagadnień teoretycznych, analizy budowy stanowiska, poprzez wyposażenie stanowiska w niezbędne czujniki, przedstawienie niezbędnych narzędzi do realizacji programu sterującego, aż po analizę gotowego sterowania i podsumowanie efektów przeprowadzonej modernizacji. W pierwszej części pracy sformułowany został cel oraz przyjęte zostały niezbędne założenia ułatwiające opracowanie algorytmu sterującego oraz zwiększające uniwersalność opracowanych modułów. Następnie, w części teoretycznej, przedstawione zostały zagadnienia z zakresu układów regulacji, regulatorów PID oraz wahadła odwróconego, w tym również zastosowanie i implementacja regulatorów PID w układach niedosterowanych. Opisywane zagadnienia zostały dobrane pod kątem ich przydatności podczas modernizacji stanowiska. Po części teoretycznej przedstawione zostało aktualne wyposażenie stanowiska oraz jego analiza pod kątem możliwości niezawodnej pracy i dalszego rozwijania funkcjonalności. Przedstawione zostały parametry podstawowych elementów oraz wskazane zostały te, w które stanowisko nie było wyposażone, a są niezbędne do niezawodnej pracy. Następnie przedstawione zostały wybrane czujniki oraz mikrokontroler, ich podstawowe parametry oraz zalety decydujące o zastosowaniu właśnie tych układów. Zaprezentowano również sposób montażu nowych układów na stanowisku. Kolejna część pracy zawiera opis środowisk programistycznych wykorzystanych podczas opracowywania programu sterującego. Przedstawione zostały kryteria ich doboru oraz zastosowanie podczas rozwijania oprogramowania, począwszy od konfigurowania podstawowych peryferiów i skończywszy na przygotowaniu plików binarnych i monitorowaniu pracy gotowego programu na mikrokontrolerze. Następna część pracy przedstawia analizę opracowanego programu. Opisana została architektura aplikacji, maszyna stanów oraz zarządzanie przez warstwę aplikacyjną poszczególnymi modułami kodu. Dalej omówiona została realizacja podstawowych funkcjonalności, najistotniejszych z punktu widzenia pracy stanowiska. Przedstawione zostały parametry konfiguracji peryferiów, realizacja pozycjonowania wahadła i wózka oraz realizacja algorytmów PID. W ostatnim rozdziale przedstawione zostały osiągnięte rezultaty, działanie dodanych ulepszeń oraz ich wpływ na pracę stanowiska. W załącznikach zamieszczono pliki programu sterującego.
File
  • File: 1
    Iwo_Koronowski_praca_inżynierska.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 35823

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUTfd68bb4b2db340ca9a7367cd6d5eb42d/
URN
urn:pw-repo:WUTfd68bb4b2db340ca9a7367cd6d5eb42d

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page