Stabilizace rotačního inverzního kyvadla

Abstract

Řídicí systémy hrají stále důležitější roli v našem každodenním životě a v technologiích, se kterými přicházíme do styku, a pokroky v oblasti vestavěné technologie umožňují zvýšenou přesnost, spolehlivost a robustnost řídicích řešení. Tato práce se zabývá implementací řídicího schématu pro stabilizaci rotačního inverzního kyvadla. Jako jednoduchý, podaktuovaný systém s nelineární dynamikou představuje ideální platformu pro testování vestavěných řídicích systémů a komunikace. Dynamika rotačního inverzního kyvadla je popsána, linearizována a diskretizována za účelem návrhu, simulace a ověření funkčnosti vhodného zpětnovazebního regulátoru. Zpracování řídicího programu je realizováno pomocí mikrokontroléru STM Nucleo G474RE běžícího na kódu pro Arduino a komunikace je zajištěna pomocí sběrnice CAN a kvadraturního snímání. Pro stabilizaci systému je použit regulátor LQR rozšířený o Kalmanův filtr pro odhad stavu, přičemž měření dat zajišťují dva magnetické rotační enkodéry a řídicí vstup je odesílán do motorového ovladače ODrive S1. V práci jsou rovněž diskutovány výzvy, které se objevily při implementaci regulátoru. Bylo ověřeno, že regulátor úspěšně stabilizuje rotační inverzní kyvadlo, a jsou rozebrány rozdíly mezi simulovaným a naměřeným stabilizačním manévrem.

Control systems play an increasingly important role in our lives and the technology we interact with, and advances in embedded technology allow for the improved accuracy, reliability, and robustness of control solutions. In this thesis, the implementation of a control scheme for the stabilisation of a rotary inverted pendulum is presented. As a simple underactuated system with nonlinear dynamics, this provides an ideal platform for the testing of embedded control systems and communication. The dynamics of the rotary inverted pendulum are characterised, linearised, and discretised in order to design, simulate and validate the functionality of an appropriate feedback controller. Performing the processing for the control program is an STM Nucleo G474RE microcontroller running Arduino code, and communication is realised using a CAN bus and quadrature setup. An LQR controller augmented with a Kalman filter for state estimation is employed for stabilisation of the system, with data measurements provided by two magnetic rotary encoders and control input sent to an ODrive S1 motor controller. Challenges encountered while implementing the controller are also discussed. The results confirm that the controller successfully stabilises the rotary inverted pendulum, and differences between the simulated and measured stabilisation manoeuvre are discussed.