Design and Analysis of a Self-Balancing Motorcycle
3.52 MB
avoin
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
Lataukset28
Pysyvä osoite
Verkkojulkaisu
DOI
Tiivistelmä
As the urban environment becomes increasingly congested, the spatial efficiency of two- wheeled vehicles makes them an attractive alternative to conventional four-wheeled transportation. However, motorcycles exhibit an inherent physical limitation, such as being unstable when stationary. This thesis investigates the design, analysis, and implementation of a feedback control system for a self-balancing motorcycle equipped with an inertia wheel. Operating as an underactuated inverted pendulum, the system maintains upright equilibrium by generating reaction torque through the rotation of the inertia wheel.
A Model-Based Design methodology is utilized to develop and validate the controller in two stages, such as (1) simulation and (2) real-time physical implementation. A Proportional- Derivative controller combined with a Low-Pass Filter is designed and evaluated using a digital twin developed in Simscape Multibody. The virtual prototyping process proves effective in identifying design issues such as coordinate-frame mismatches before hardware deployment.
Nevertheless, the transition from simulation to physical implementation highlights the influence of real-time conditions and unmodeled dynamics on system performance. While the near-ideal simulation achieves stable equilibrium with relatively low controller gains, the physical prototype requires significantly more aggressive tuning to compensate for gravity effects, sensor noise, wire-induced disturbances, and mechanical slippage between the inertia wheel and axle. The findings demonstrate the effectiveness of Model-Based Design for embedded control systems while emphasising that digital control performance remains fundamentally constrained by physical implementation factors.
Kaupunkialueiden ruuhkautuessa kaksipyöräisten ajoneuvojen tilatehokkuus tekee niistä houkuttelevan vaihtoehdon perinteisille nelipyöräisille kulkuvälineille. Moottoripyörillä on kuitenkin luontaisia fyysisiä rajoituksia, kuten epävakaus ollessaan paikallaan. Tässä opinnäytetyössä tutkitaan vauhtipyörällä (engl. inertia wheel) varustetun itsetasapainottuvan moottoripyörän säädinjärjestelmän suunnittelua, analysointia ja toteutusta. Järjestelmä toimii aliohjattuna käänteisenä heilurina (engl. underactuated inverted pendulum) ja ylläpitää pystysuoraa tasapainoa tuottamalla reaktiovoiman vauhtipyörän pyörimisen avulla.
Ohjaimen kehittämisessä ja todentamisessa käytetään mallipohjaista suunnittelumenetelmää (engl. Model-Based Design) kahdessa vaiheessa: (1) simulointi ja (2) reaaliaikainen fyysinen toteutus. Suhteellis-Derivoiva (engl. Proportional-Derivative) ohjain yhdistettynä alipäästösuodattimeen suunnitellaan ja arvioidaan käyttämällä Simscape Multibody - ohjelmistossa kehitettyä digitaalista kaksosta. Virtuaalinen prototyyppausprosessi osoittautuu tehokkaaksi suunnitteluongelmien, kuten koordinaatistojen yhteensopimattomuuksien, tunnistamisessa ennen laitteiston käyttöönottoa.
Siirtyminen simuloinnista fyysiseen toteutukseen korostaa kuitenkin reaaliaikaisten olosuhteiden ja mallintamattomien dynaamisten ominaisuuksien vaikutusta järjestelmän suorituskykyyn. Vaikka lähes ihanteellinen simulointi saavuttaa vakaan tasapainotilan suhteellisen alhaisilla säätöparametreillä, fyysinen prototyyppi vaatii huomattavasti aggressiivisempaa säätöä kompensoimaan painovoiman vaikutuksia, anturikohinaa, johtojen aiheuttamia häiriöitä sekä vauhtipyörän ja akselin välistä mekaanista luistoa. Tulokset osoittavat mallipohjaisen suunnittelun tehokkuuden sulautetuissa ohjausjärjestelmissä ja korostavat samalla, että digitaalisen ohjauksen suorituskykyä rajoittavat perustavanlaatuisesti fyysiset toteutustekijät.