ANALISI E PRIMA REALIZZAZIONE DI UN PROTOTIPO DI SEGWAY

Slides:



Advertisements
Presentazioni simili
Esercizi su semiconduttori e diodi
Advertisements

VEICOLO FOTOVOLTAICO Sezione elettrica.
Relatore: Prof. Fabrizio Ferrandi
POLITECNICO DI MILANO DRCP: Come gestire in modo efficiente la riconfigurazione parziale dinamica su FPGA Luca Cerri: Relatore: Prof.
Relatore: Prof. Fabrizio FERRANDI
POLITECNICO DI MILANO Framework per lo sviluppo di descrizioni HW basato su ImpulseC tramite l'uso di algoritmi evolutivi Relatore: prof.ssa Anna Maria.
Tesi di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica curr
Università degli studi di Trieste – Tesi di laurea triennale in Ingegneria elettronica PROTOCOLLO DI COMUNICAZIONE TRA PC E MICROCONTROLLORE PER UN’INTERFACCIA.
Tesi di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica Applicata
Di Roberto Furlani CdL Ing Elettronica Applicata (Triennale)
UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI TRIESTE
Università degli Studi di Trieste
Realizzazione di un robot mobile controllato mediante comandi labiali
ANALISI DI CIRCUITI PER LAMPADE A FLUORESCENZA
UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI TRIESTE FACOLTA’ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA ELETTRONICA A.A / 2005 Tesi di Laurea Triennale SVILUPPO.
Attività sperimentale 2011
Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms
Controllo remoto di un robot mobile realizzato con Lego Mindstorms
I sensori.
Relatori: Prof.Ing. S.della Valle Prof.Ing. D.de Falco
I FILTRI RC PASSA-BASSO PASSIVO.
Ciclomotore, scooter e motociclo
Bode e la risposta in frequenza
PLC E FIELDBUS PER APPLICAZIONI INDUSTRIALI IN LUOGHI PERICOLOSI
Perugia 27 aprile 2000 Anno Accademico 1998/1999
INTRODUZIONE A SIMULINK
Università degli studi di Pisa
Verifica della prima legge di OHM
STUDIO SCIENTIFICO LIFEWAVE MEDIANTE
Supervisione della potenza elettrica in una smart grid tramite arduino
Esperienze di laboratorio “leggero” in aula
Parametri di un motore passo-passo
Università di Pisa Facoltà di Ingegneria Corso di laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni Misure su un prototipo di array di antenne in microstriscia.
L’AUTOMOBILE AD IDROGENO: IL MOTORE ELETTRICO PER LA TRAZIONE
“Dimensionamento di un impianto di riscaldamento ad acqua a due tubi.”
Politecnico di Torino sede di Alessandria anno accademico 2000/2001 AUTOMAZIONE DI UN PROTOTIPO PER PROVE MECCANICHE DI USURA PIN on DISK Progetto e realizzazione.
Tesi di Laurea Monitoraggio del comfort vibrazionale secondo la ISO 2631: progetto e realizzazione di un dispositivo low cost con impostazione e validazione.
Relatore: Prof. Carla VACCHI Correlatore: Ing. Daniele SCARPA
PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE DI UNA UNITÀ DI POTENZA MULTIUSO
Realizzazione di un LineFollower 4WD
Applicazione: problemi sugli azionamenti a velocità variabile (VSD)
Valutazione dellefficacia del provvedimento di limitazione della circolazione dei veicoli più inquinanti nel Comune di Milano VIII Expert Panel Emissioni.
Tesi di Laurea in Ingegneria Meccanica
REALIZZAZIONE E CONTROLLO DI UNA STAMPANTE 3D
Modeling and nonlinear control for MAST experiment RELATORE: Dott. Daniele Carnevale CORRELATORI: Dott. Luigi Pangione Dott. Graham McArdle CANDIDATO:
Un motion planner per guide multimediali interattive
Ing. Marco Urbinati Gruppo di Ricerca Tor Vergata Karting
SVILUPPO DI UN SENSORE DI UMIDITÀ PER APPLICAZIONI MEDICALI
PROGETTO DI UN CIRCUITO PER L'ALIMENTAZIONE E LA PROTEZIONE
Elaborato di Laurea di Alessandro LAZZARINI BARNABEI
Argomento: Tesi in robotica
Titolo della tesi Nome candidato Relatore: prof. Davide Pettenella
Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia
INSEGUITORE SOLARE CON ARDUINO
Tesi di laurea triennale
Lezione 2 Matlab: Control System Toolbox
POLITECNICO DI MILANO Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica STUDIO E REALIZZAZIONE DI UN BRACCIO ROBOTICO ANTROPOMORFO E SOLUZIONE.
ARDUINO Duemilanove Parte_1 Caratteristiche
Interruttore elettronico Dispositivo che permette il collegamento tra ingresso e uscita agendo con un comando du un terzo elettrodo
Il sole a Scuola La Centrale Solare Didattica classe III EA – lavori preliminari)
Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
YOUR LOGO Università degli Studi di Roma "Tor Vergata" Facoltà di Ingegneria «Project accounting and data management» 2012 Summer School H-DATA, ENEA –
MACCHINE E AZIONAMENTI ELETTRICI
Progetto e realizzazione di un capacimetro con microcontrollore
Sistemi del I° e del II° ordine Ing. Giuseppe Fedele
Controllo della velocità di un motore in corrente continua
Elettronica Applicata Flavio Fontanelli (studio S Corso dedicato ad argomenti "avanzati" (ma non troppo!)
Corso di laurea in Ingegneria Energetica
UNIVERSITA’ DI GENOVA SCUOLA POLITECNICA
Encoder Ing. G. Cisci 2016.
Transcript della presentazione:

ANALISI E PRIMA REALIZZAZIONE DI UN PROTOTIPO DI SEGWAY Università degli studi di Roma Tor Vergata ANALISI E PRIMA REALIZZAZIONE DI UN PROTOTIPO DI SEGWAY Relatore: Ing. Daniele Carnevale Correlatore: Ing. Thomas Fürnhammer Candidato: Gianluca Capparelli

Introduzione Costruzione Motori Modello Controllo LQR Conclusioni - Costruzione del prototipo di segway - Analisi ed identificazione dei motori del prototipo e progettazione di relativi sistemi di controllo dell’angolo di rotazione - Studio del modello generalizzato del segway e linearizzazione per ottenerne la descrizione nello spazio di stato - Simulazione di un controllo LQR applicato al sistema con lo scopo di ottenere l’equilibrio Introduzione

Introduzione – Il segway Costruzione Motori Modello Controllo LQR Conclusioni - Veicolo elettrico a due ruote auto-bilanciante - Presentazione: 3 Dicembre 2001 - Cinque giroscopi - 19 km orari - Dynamic Stabilization - Controlli tramite piantone del manubrio Introduzione

Costruzione Introduzione Motori Modello Controllo LQR Conclusioni Hardware utilizzato: - 2 motori DC - 2 encoder incrementali - Circuiti di controllo per i motori - Scheda Arduino Costruzione

Per ogni motore: - 4 switching element - 4 catch diode Costruzione – Il circuito del ponte H Introduzione Motori Modello Controllo LQR Conclusioni Per ogni motore: - 4 switching element - 4 catch diode Costruzione

Microcontrollore Arduino UNO Costruzione – Altro hardware Introduzione Motori Modello Controllo LQR Conclusioni Microcontrollore Arduino UNO Costruzione Encoder incrementali

Costruzione – Risultato Introduzione Motori Modello Controllo LQR Conclusioni Costruzione

Motori – L’hardware Introduzione Costruzione Modello Controllo LQR Conclusioni Motori Modello: HN-GH12-1634T

Motori – Identificazione Introduzione Costruzione Modello Controllo LQR Conclusioni Procedura Matlab Identification.m Ingressi Motore Misurazioni Dati sperimentali Motori armax FdT # poli e zeri della FdT compare FdT Fitting

Gradino Rampa Cosinusoide PRBS Motori – Identificazione Introduzione Costruzione Modello Controllo LQR Conclusioni Tipo di ingresso Gradino Rampa Cosinusoide PRBS I 1 1 1 0 II 3 0 0 0 III 3 3 3 0 IV 0 0 0 3 V 1 1 1 3 Metodo Motori Gradino:

Gradino Rampa Cosinusoide PRBS Motori – Identificazione Introduzione Costruzione Modello Controllo LQR Conclusioni Tipo di ingresso Gradino Rampa Cosinusoide PRBS I 1 1 1 0 II 3 0 0 0 III 3 3 3 0 IV 0 0 0 3 V 1 1 1 3 Metodo Motori Rampa:

Gradino Rampa Cosinusoide PRBS Motori – Identificazione Introduzione Costruzione Modello Controllo LQR Conclusioni Tipo di ingresso Gradino Rampa Cosinusoide PRBS I 1 1 1 0 II 3 0 0 0 III 3 3 3 0 IV 0 0 0 3 V 1 1 1 3 Metodo Motori Cosinusoide:

Gradino Rampa Cosinusoide PRBS Motori – Identificazione Introduzione Costruzione Modello Controllo LQR Conclusioni Tipo di ingresso Gradino Rampa Cosinusoide PRBS I 1 1 1 0 II 3 0 0 0 III 3 3 3 0 IV 0 0 0 3 V 1 1 1 3 Metodo Motori PRBS (PseudoRandom Signal):

Gradino Rampa Cosinusoide PRBS Motori – Identificazione Introduzione Costruzione Modello Controllo LQR Conclusioni Tipo di ingresso Gradino Rampa Cosinusoide PRBS I 1 1 1 0 II 3 0 0 0 III 3 3 3 0 IV 0 0 0 3 V 1 1 1 3 Metodo Motori Metodo I: Scartato per diagrammi di Bode non coerenti con le caratteristiche di velocità dei motori riscontrate a parità di tensione applicata (vM1<vM2)

Gradino Rampa Cosinusoide PRBS Motori – Identificazione Introduzione Costruzione Modello Controllo LQR Conclusioni Tipo di ingresso Gradino Rampa Cosinusoide PRBS I 1 1 1 0 II 3 0 0 0 III 3 3 3 0 IV 0 0 0 3 V 1 1 1 3 Metodo Motori Metodo II: Valori di fitting eccellenti per ingresso a gradino, ottimi per ingresso a rampa, discreti per ingresso cosinusoidale.

Gradino Rampa Cosinusoide PRBS Motori – Identificazione Introduzione Costruzione Modello Controllo LQR Conclusioni Tipo di ingresso Gradino Rampa Cosinusoide PRBS I 1 1 1 0 II 3 0 0 0 III 3 3 3 0 IV 0 0 0 3 V 1 1 1 3 Metodo Motori Metodo III: Valori di fitting ottimi per ingresso a gradino ed a rampa, buoni per ingresso cosinusoidale.

Gradino Rampa Cosinusoide PRBS Motori – Identificazione Introduzione Costruzione Modello Controllo LQR Conclusioni Tipo di ingresso Gradino Rampa Cosinusoide PRBS I 1 1 1 0 II 3 0 0 0 III 3 3 3 0 IV 0 0 0 3 V 1 1 1 3 Metodo Motori Metodo IV: Valori di fitting eccellenti per gli ingressi PRBS, ma pessimi per gli altri tipi.

Gradino Rampa Cosinusoide PRBS Motori – Identificazione Introduzione Costruzione Modello Controllo LQR Conclusioni Tipo di ingresso Gradino Rampa Cosinusoide PRBS I 1 1 1 0 II 3 0 0 0 III 3 3 3 0 IV 0 0 0 3 V 1 1 1 3 Metodo Motori Metodo V: Valori di fitting ottimi per gli ingressi a gradino ed a rampa, discreti per quelli cosinusoidali.

Gradino Rampa Cosinusoide PRBS Motori – Identificazione Introduzione Costruzione Modello Controllo LQR Conclusioni Tipo di ingresso Gradino Rampa Cosinusoide PRBS I 1 1 1 0 II 3 0 0 0 III 3 3 3 0 IV 0 0 0 3 V 1 1 1 3 Metodo Motori Metodo V: I risultati relativi al fitting per i segnali PRBS sono accettabili perché gli andamenti sono simili, seppure ritardati.

Gradino Rampa Cosinusoide PRBS Motori – Identificazione: risultati Introduzione Costruzione Modello Controllo LQR Conclusioni Tipo di ingresso Gradino Rampa Cosinusoide PRBS I 1 1 1 0 II 3 0 0 0 III 3 3 3 0 IV 0 0 0 3 V 1 1 1 3 Metodo Motori I risultati relativi ai metodi I e IV sono stati dunque scartati per mancanze evidenti, mentre tra gli altri si è scelta la funzione di trasferimento ottenuta tramite il II, la quale per il motore 1 è la seguente: 𝐹= 0.2677 𝑧 4 −1.686 𝑧 3 +0.53 𝑧 2 +0.1678𝑧−0.01239

Luogo delle radici della funzione ottenuta con il metodo II Motori – Sistema di controllo relativo al metodo I Introduzione Costruzione Modello Controllo LQR Conclusioni Luogo delle radici della funzione ottenuta con il metodo II Luogo delle radici del sistema controllato Motori mϕ=73° mg=12.2dB

Motori – Video dimostrativo Introduzione Costruzione Modello Controllo LQR Conclusioni Motori

ϑl,r : angolo di rotazione della ruota sinistra o destra Modello – Sistemi di riferimento Introduzione Costruzione Motori Controllo LQR Conclusioni Modello ϑl,r : angolo di rotazione della ruota sinistra o destra ψ: angolo di pitch φ: angolo di yaw

Lagrangiana 𝐿 𝑞, 𝑞 =𝑇 𝑞, 𝑞 −𝑈 𝑞 Modello – Metodo di Lagrange Introduzione Costruzione Motori Controllo LQR Conclusioni Principio di Hamilton della minima azione: q* traiettoria cercata per ricavare le equazioni del moto, corrispondente ad un punto di stazionarietà dell’azione 𝐽= 𝐿(𝑞, 𝑞 )ⅆ𝑡 Lagrangiana 𝐿 𝑞, 𝑞 =𝑇 𝑞, 𝑞 −𝑈 𝑞 Modello Per q* vale: 𝜕𝐿 𝜕𝑞 − ⅆ ⅆ𝑡 𝜕𝐿 𝜕 𝑞 =0 In presenza di forze esterne: 𝜕𝐿 𝜕𝑞 − ⅆ ⅆ𝑡 𝜕𝐿 𝜕 𝑞 =𝑢

Modello – Equazioni del moto Introduzione Costruzione Motori Controllo LQR Conclusioni Modello

Linearizzazione nell’intorno dell’equilibrio verticale del segway Modello – Linearizzazione Introduzione Costruzione Motori Controllo LQR Conclusioni Linearizzazione nell’intorno dell’equilibrio verticale del segway ψ≅0 sin ψ ≅ψ cos ψ ≅ 1 Modello

x1=[ϑ ϑ ψ ψ ]′ u=[vl vr]’ x1 = A1x1 + B1u x2=[φ φ ]′ x 2= A2x2 + B2u Modello – Descrizione nello spazio di stato Introduzione Costruzione Motori Controllo LQR Conclusioni x1=[ϑ ϑ ψ ψ ]′ u=[vl vr]’ x1 = A1x1 + B1u Modello x2=[φ φ ]′ x 2= A2x2 + B2u

u=-Kx K=R-1BTP ATP+PA-PBR-1BTP+Q=0 (eq. algebrica di Riccati) Controllo LQR - Teoria Introduzione Costruzione Motori Modello Conclusioni Linear Quadratic Regulator (Regolatore lineare quadratico) minimizza indice di costo J: 𝐽= (𝑥𝑇 (𝑡)𝑄 𝑥 t +u𝑇(𝑡)𝑅𝑢(𝑡))ⅆ𝑡 Q nxn semidefinita positiva R qxq definita positiva u=-Kx K=R-1BTP ATP+PA-PBR-1BTP+Q=0 (eq. algebrica di Riccati) Controllo LQR

Andamento di ϑ(t) Andamento di ϑ (t) Controllo LQR – Simulazioni con Q pari all’identità Introduzione Costruzione Motori Modello Conclusioni x(0)=x0=[0 0 20 0] Andamento di ϑ(t) Risposta libera Risposta controllata Andamento di ϑ (t) Controllo LQR

Andamento di ψ(t) Andamento di ψ (t) Controllo LQR – Simulazioni con Q pari all’identità Introduzione Costruzione Motori Modello Conclusioni x(0)=x0=[0 0 20 0] Andamento di ψ(t) Risposta libera Risposta controllata Andamento di ψ (t) Controllo LQR

Andamento di ϑ(t) Andamento di ϑ (t) Controllo LQR – Simulazioni con Q differenti Introduzione Costruzione Motori Modello Conclusioni x(0)=x0=[0 0 20 0] Andamento di ϑ(t) Q=I Q3,3>>1 Q2,2>>1 Andamento di ϑ (t) Controllo LQR

Andamento di ψ(t) Andamento di ψ (t) Controllo LQR – Simulazioni con Q differenti Introduzione Costruzione Motori Modello Conclusioni x(0)=x0=[0 0 20 0] Andamento di ψ(t) Q=I Q3,3>>1 Q2,2>>1 Andamento di ψ (t) Controllo LQR

Andamento di u=-Kx Controllo LQR – Simulazioni con Q differenti Introduzione Costruzione Motori Modello Conclusioni x(0)=x0=[0 0 20 0] Andamento di u=-Kx Q=I Q3,3>>1 Q2,2>>1 Controllo LQR

-Motori identificati e controllati -Modello ricavato Conclusioni e sviluppi futuri Introduzione Costruzione Motori Modello Controllo LQR -Hardware costruito -Motori identificati e controllati -Modello ricavato -Simulazione dell’equilibrio con controllo LQR -Applicazione del controllo -Aggiunta di accelerometro e giroscopio -Alimentazione da batteria Conclusioni