Two-Wheeled Vehicle Balancing Using Control Moment Gyroscope

Chhorn, Buntheng (2020) Two-Wheeled Vehicle Balancing Using Control Moment Gyroscope. Masters thesis, InstitutTeknologi Sepuluh Nopember.

Preview

Text 02111850087002-Master_Thesis.pdf Download (5MB) | Preview

Abstract

Kendaraan roda dua memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan konsep lain seperti ukurannya yang lebih kecil, lebih efisien, dan lebih bermanuver. Keuntungan ini datang dari kurangnya stabilitas dan keamanan. Untuk meningkatkan stabilitas dan keselamatan kendaraan roda dua, Stabilisasi Giroskop Momen Kontrol dipertimbangkan. Masalah kontrol menstabilkan benda yang secara inheren tidak stabil seperti pendulum terbalik adalah masalah teori kontrol klasik. Gagasan menggunakan efek giroskop untuk menstabilkan merupakan bagian dari upaya yang lebih luas untuk diterapkan dengan pendulum terbalik. Fenomena ini dikenal sebagai presesi giroskopik. Saat kendaraan bersandar dari posisi tegaknya, kami berharap dapat menghasilkan momen reaksi giroskopik yang cukup untuk mengembalikan kendaraan dan menstabilkannya.
Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan dan memvalidasi sistem stabilisasi giroskopik untuk diimplementasikan pada kendaraan roda dua. Model matematika dengan menggunakan persamaan Lagrange diturunkan untuk mendeskripsikan model dinamik sistem. Kami meluruskan dinamika di sekitar ekuilibrium, dan kemudian mempelajari stabilitas model. Pengontrol umpan balik diterapkan untuk menjaga sistem pada posisi tegak. Dalam studi ini, dirancang cascade PID dan pengontrol LQR. Teknik kontrol yang diusulkan dikembangkan untuk mengurangi efek roll sistem. Untuk memvalidasi konsep tersebut, dikembangkan pemodelan nonlinier menggunakan Simcape Multibody.
Strategi pengendalian diusulkan untuk menstabilkan kendaraan roda dua pada posisi tegak. Perbandingan kinerja antara cascade PID dan skema kontrol modern Linear Quadratic Regulator (LQR) untuk kendaraan roda dua diselidiki. Dalam perbandingan kontroler PID bertingkat, respon pada kasus 6 membutuhkan waktu tercepat untuk membawa kendaraan ke posisi balancing dalam 0,75 detik. Namun, kontroler PID bertingkat tidak dapat membawa motor poros mendekati posisi nol setelah menstabilkan kendaraan, maka giro tidak akan efisien dalam menghasilkan torsi presesi maksimumnya untuk gangguan berikutnya yang dimasukkan ke dalam sistem yang mungkin tidak cukup untuk menstabilkan kendaraan. . LQR menghasilkan respons yang lebih baik dibandingkan dengan strategi kontrol PID berjenjang. Pembobotan pada case 2 memiliki kinerja yang baik dengan respon yang cepat. Simulasi nonlinier menunjukkan bahwa setiap pembobotan dapat membawa motor poros mendekati posisi nol dengan jarak kurang dari ± 5 derajat. Untuk mengetahui kemampuan penolakan gangguan, simulasi pengontrol LQR berhasil mengatasi gangguan dan memastikan stabil pada posisi tegak.
==============================================================================================
Two-wheeled vehicles have many advantages over other concepts such as smaller size, more efficient, and more maneuverable. These advantages came at the lack of stability and safety. To improve the stability and safety of a two-wheeled vehicle, the Control Moment Gyroscopic Stabilization is considered. The control problem of stabilizing an inherently unstable body such as the inverted pendulum is a classical control theory problem. The idea of using the gyroscope effect for stabilizing is part of a much broader effort to implement with the inverted pendulum. This phenomenon is known as gyroscopic precession. As the vehicle leans from its upright position, we expect to generate sufficient gyroscopic reaction moment to bring the vehicle back and stabilize it.
The research aims to develop and validate the system of gyroscopic stabilization to be implemented into a two-wheeled vehicle. The mathematical model by using the Lagrange equation is derived to descript the dynamic model of the system. We linearize the dynamics around an equilibrium, and then study the stability of the model. The feedback controller is applied to keep the system at upright position. In this study, we designed the cascade PID and the LQR controller. The proposed control technique is developed to reduce the roll effect the system. To validate the concept, a nonlinear modeling is developed using Simcape Multibody.
The control strategy is proposed to stabilize the two-wheeled vehicle at the upright position. The performance comparison between the cascade PID and modern control Linear Quadratic Regulator (LQR) schemes for a two-wheeled vehicle is investigated. In the comparison of cascade PID controller, the response in case 6 takes fastest time to bring the vehicle to balancing position in 0.75s. However, the cascade PID controller cannot bring the shaft motor close to zero position after stabilizing the vehicle then the gyro would not be efficient of producing its maximum precession torque for the next disturbance introduced into the system which could possibly not be enough to stabilize the vehicle. The LQR produced a better response compared to cascade PID control strategies. The weighting in case 2 has good performance with fast response. Nonlinear simulation showed that each weighting can bring shaft motor close to zero position with range less than ±5 degree. To determine the ability of disturbance rejection, the simulation of the LQR controller succeeds to deal with the disturbances and it ensures stabilized in its upright position.

Item Type:	Thesis (Masters)
Uncontrolled Keywords:	Kata kunci: Giroskop momen kontrol (CMG), Kontrol umpan balik, Stabilisasi Giroskopis, Sistem Tidak Stabil Keywords: Control moment gyroscope (CMG), Feedback control, Gyroscopic Stabilization, Unstable System
Subjects:	T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery > TJ211.415 Mobile robots T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery > TJ213 Automatic control.
Divisions:	Faculty of Industrial Technology > Mechanical Engineering > 21101-(S2) Master Thesis
Depositing User:	Buntheng Chhorn
Date Deposited:	28 Aug 2020 01:36
Last Modified:	03 Jan 2024 07:04
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/81391

Actions (login required)

View Item