Egyensúlyozó robot vizsgálata
Az egyensúlyozó robotok napjainkban igen nagy népszerűségnek örvendenek. Ennek egyik oka, hogy hagyományos társaiknál kedvezőbben viselkednek bizonyos helyzetekben, például impulzus jellegű behatásoknál, vagy nem sík terepen. Az ilyen robotok vizsgálatát az is indokolja, hogy rajtuk keresztül jó képet kaphatunk az eredendően instabil, nemlineáris rendszerek szabályozásáról, illetve az általában felmerülő kihívásokról.
A dolgozatomban először bemutatom az egyensúlyozó robotok tervezésének és építésének főbb aspektusait, a kétkerekű konstrukcióra fókuszálva. Kitérek a rendszer mechanikai és mechatronikai modellezésére, a szabályozás lehetőségeire, a jelek szűrésében alkalmazott megoldásokra, továbbá a fizikai megvalósítás során használt különböző komponensekre.
A robotok fejlesztésénél, tesztelésénél felértékelődik modellezés, illetve a különböző szimulációk szerepe is. Egyrészt, az eredő instabilitás miatt, az általánosságban a szabályozók hangolására használt empirikus eljárások, mint a Ziegler-Nichols módszer egyáltalán nem, vagy csak korlátozottan alkalmazhatóak. Másrészt egy megfelelően pontos, a valóságot jól közelítő modellel idő- és költségtakarékosabban dolgozhatunk.
A dolgozat második részében a három legelterjedtebb mechanikai modellen – egyszerű inverz inga, inverz inga és szán, kerékhez kapcsolódó inverz inga – végzett szimulációkat mutatom be. A szimulációknál a leggyakoribb megközelítés az, hogy a mechanikai modell mozgásegyenleteiből indulunk ki. Ehhez alkalmas például a Simulink környezet. Lehetőségünk van azonban arra is, hogy egy olyan szoftverrel dolgozzunk, amely ismeri a fizikai törvényszerűségeket, így nekünk csak a modell reprezentációját kell elkészítenünk. Erre alkalmas koncentrált paraméterű, „1D” modelleknél a Simscape, vagy 3D mechanikai modelleknél a Simscape Multibody. Utóbbinál egy animációt is kapunk, szemléletesebbé téve a szimulációt.
A szabályozás során több opciónk is van; használhatunk egyszerű PID-szabályozót, állapotvisszacsatolást, illetve LQR-szabályozót. A dolgozatban kitérek ezen megoldások performanciatesztjére; a fontosabb paraméterek – beállási idő, túllövés stb. – vizsgálatára, illetve a fizikai megvalósításra is gondolva, a beavatkozó hardverrel szemben támasztott követelményekre.
