This paper presents a dynamic-model-based control scheme for the balancing and velocity control of a unicycle robot. Unicycle robot motion consists of a pitch that is controlled by an in-wheel motor and a roll that is controlled by a reaction wheel pendulum. The unicycle robot lacks an actuator for yaw-axis control, which makes the derivation of the dynamics relatively simple although it may limit the motion control. The Euler-Lagrange equation is applied to derive the dynamic equations of the unicycle robot to implement dynamic speed control. To achieve real-time speed control, a sliding-mode control and a nonzero set-point linear quadratic regulator (LQR) are utilized to guarantee stability while maintaining the desired speed-tracking performance. In the roll controller, a sigmoid-function-based sliding-mode controller has been adopted to minimize switching-function chattering. An LQR controller has been implemented for pitch control to drive the unicycle robot to follow the desired velocity trajectory in real time using the state variables of pitch angle, angular velocity, wheel angle, and angular velocity. The control performance of the two control systems using a single dynamic model has been experimentally demonstrated

چکیده

این مقاله یک شمای کنترلی مبتنی بر مدل پویا برای کنترل سرعت و تعادل روبات های تک چرخه ای ارائه می کند. حرکت روبات های تک چرخه ای شامل یک پرتاب می باشد که توسط یک موتور درون چرخ و یک غلتک کنترل می شود که تحت کنترل چرخ اونگ قرار دارد. روبات تک چرخه عاری از یک محرک برای کنترل انحراف محور می باشد که درک پویایی را ساده می کند اگر چه ممکن است کنترل حرکت را محدود کند. معادله اویلر-لاگرانژ اعمال شده است تا معادلات روبات تک چرخه را استخراج کند که با اتکا به ان کنترل پویا سرعت را پیاده سازی کند. برای دستیابی به کنترل زمان واقع سرعت، یک کنترل لغزنده و مجموعه نقطه غیر صفر رگلاتور LQ برای تضمین پایداری هنگام حفظ عملکرد پیگیری سرعت مورد نظر استفاده شده است. در کنترلر غلتک یک کنترلر حالت لغزند مبتنی بر تابع سیگموئید به منظور حداقل ساختن تابع تغییر وضعیت به کار گرفته شده است. یک کنترلر LQR برای کنترل پرتاب پیاده سازی شده است تا روبات تک چرخ ای را برای تبعیت از سرعت مورد نظر در استفاده واقعی به وسیله متغیرهای حالت زاویه پرتاب، سرعت زاویه ای، زاویه چرخ  کنترل کند. عملکرد کنترلی دو سیستم کنترلی با استفاده از یک مدل پویا منفرد به صورت ازمایشی نشان داده شده است.

1-مقدمه

تحقیقات بر روی روبات تک چرخه ای از سال 1980 در ایالات متحده و ژاپن شروع شده است. Schoonwinkel از دانشگاه استندفورد یک مدل خطی پویا برای روبات پیشنهاد کرد و کنترل حرکتت بهینه ان را نشان داد. یک استاد دانشگاه توکیو نیز یک مدل پویا برای روبات ارائه کرد که شامل پشتک به بالا و چرخ چرخنده پایینی بود. Honda، UX-3 را به عنوان سیستم حرکتی شخصی توسعه داد و Murata نیز دختر Murata بر روی یک چرخ توسعه داد...