The auxiliary wheels in WMR frequently don’t work, so they were removed and the system became the nonholonomic two-wheeled inverted pendulum robot. For this robot, the equations of motion were derived after the design and fabrication along with constructing fundamental control system like the motor controller.
The equations of motion were found by Lagrange’s equations and Kane’s dynamical equations, and both approaches provided the same results. Thus, the derived equations of motion can be said to be reliable. However, the derived results in this thesis are different from that presented by the results of the previous studies.
Based on the derived equations of motion, the controller was selected as LQR which is an optimal controller. Using the LQR, the state-feedback gain matrix was found, and it was applied to the simulation of upright balancing. The robot was controllable with small rising time and overshoot.
The designed optimal controller was applied to the control of the robot, and the upright balancing, rectilinear motion, and spinning motion were realized. There is satisfactory agreement between the experiment and simulation.
바퀴로 구동되는 로봇의 보조바퀴는 로봇의 움직임에 방해가 될 경우가 많으므로 이륜 주행로봇의 보조바퀴를 모두 제거하여 보았다. 이 때, 시스템은 두 개의 바퀴로 구동되는 논홀로노믹 도립진자 로봇이 되며 이에 대해 설계와 제작, 그리고 모터 컨트롤러와 같은 기본적인 제어 시스템을 구축하고 운동방정식을 유도하였다.
운동방정식은 Lagrange 방법과 Kane의 방법을 이용하여 유도했으며 두 방법을 통해 나온 결과는 동일하였으므로 얻어진 결과가 매우 신뢰할만하다고 할 수 있다. 하지만 본 논문에서 얻어진 결과는 기존의 연구 결과와는 다른 점이 있었고 이에 대해 검토한 결과 본 논문의 결과는 매우 신뢰할만하며 기존의 연구 결과에 약간의 문제가 있었음을 알 수 있었다.
유도된 운동방정식을 바탕으로 제어기가 설계되었다. 선택된 제어기는 최적 제어기의 일종인 LQR이며 상태 궤환 이득 행렬을 구하여 도립진자의 수직 안정화 시뮬레이션에 적용하여 보았다. 최적제어에서 필요한 가중치 행렬은 시스템이 최소의 상승시간과 오버슛을 갖도록 선택되었다.
설계된 최적 제어기 LQR은 시뮬레이션을 거쳐 실제 시스템에 적용되었고 수직 안정화, 직진 및 후진 운동, 제자리에서의 회전 운동, 곡선 운동을 구현할 수 있었다. 이러한 다양한 제어에 대해 시뮬레이션과 실험 모두 일치된 결과를 보여 보조바퀴가 제거된 주행로봇의 경우 충분히 실현 가능성이 있으며 매우 안정적인 시스템이 될 수 있음을 알 수 있었다.
