Control and balancing of a small vehicle with two wheels for autonomous driving

Control and balancing of an inverted pendulum has gained a lot of attention over the past few decades due to its unstable properties. This has become a great challenge for control engineers to verify and test the control theory. To control and balance an inverted pendulum, proportional integrated derivative (PID) method or linear quadratic regulator (LQR) method can be used through which a lot of simulations can be done using the represented theories.Since urban population is increasing at a very alarming rate, there is a need to discover new ways of transportation to meet the future challenges and demands. Scania has come up with a new conceptual bus called NXT which aims to develop a modular vehicle that should configure and re-configure themselves between different transportation tasks. NXT vehicle has front and rear drive modules which can be represented as single axle, two-wheeled vehicles which in-turn can be viewed as an inverted pendulum with a huge Center of Gravity. Controlling and balancing of the pod or drive module precisely and accurately is an interesting challenge since it is an unstable inverted pendulum with huge center of gravity (COG). This behaviour of the system has created a research question whether the module is controllable or not.Therefore this thesis focuses on the possibility of controlling the pod which is a two-wheeled inverted pendulum vehicle with a COG offset. Also, the thesis focuses on the construction, mod-elling, testing and validation of a down-scaled model, what sensors are needed to balance the pod precisely, how the sensors must be integrated with the system and how the pod can be controlled remotely from a certain distance by a human. The developed pod houses the technologies like sensors, BLDC motor controllers, hoverboard, Arduino board and Bluetooth transmitters.The Master Thesis starts by presenting an introduction to the inverted pendulum theories, Scania NXT project, information about the research methods, thesis outline and structure . It continues by describing related literature about the inverted pendulums, segways, hoverboards, motor controllers and Arduino boards. Afterwards, the process of deriving a mathematical model, together with simulation in Matlab, Simulink and Simscape is described. Later, construction of the pod is made and lot of effort is put to run the pod. Since the pod needs to be controlled remotely by a human, a remote controlled systemis implemented via mobile phone using an app and finally the thesis is finished with a conclusion and ideas for future work.Reglering och balancering av en inverterad pendel har väckt stor uppmärksamhet över de senaste decennierna på grund av dess instabila egenskaper. Det har skapat stora utmaningar för regleringenjörer eftersom området tillåter test och verifikation av diverese lösningar. För reglering och balansering av en inverterad pendel, så kan en regulator med proportionell, integral och derivat (PID) konstanter eller en linjär kvadratisk regulator (LQR) användas tillsammans med simuleringar för att bekräfta teorin.I och med att stadsbefolkningen ökar i mycket hög takt, så uppstår behovet av att uppfinna nya transportmedel för att lösa framtida utmaningar och krav. Scania har tagit fram en ny konceptbuss som heter NXT, med målet att utveckla ett modulfordon som kommer att konfigurera och rekonfigurera sig själva mellan olika transportuppgifter. NXT-fordonet har fram- och bakdriv-moduler som kan representeras som enaxlade tvåhjuliga fordon, vilka i sin tur kan betraktas som en inverterad pendel med en stor massa. Att reglera och balansera drivmodulen på ett noggrant sätt är en utmaning eftersom det är ett mycket instabilt system med enorm massa och en okänd tyngdpunkt. Systemets beteende har skapat en forskningsfråga om modulen är reglerbar eller inte.Denna uppsats fokuserar därmed på möjligheterna att kunna reglera drivmodulen samt vilka begränsningar det finns. Uppsatsen fokuserar också på konstruktion, modellering, testning och validering av en nedskalad modell, vilka sensorer som krävs för att balansera drivmodulem, samt hur sensorerna måste integreras med systemet för att kunna fjärstyra fordonet från ett visst avstånd. Utveckingen av en sådan nedskalad modell berör olika områden såsom sensorer, BLDC-motorstyrenheter, hoverboard balanserings scootrar, Arduino kretskort och Bluetooth-sändare/mottagare.Uppsasten börjar med en introduction om olika inverterade pendel teorier, Scania NXT project, forskningsmetoder, en översikt och övergripande struktur. Vidare fortsätter beskrivining av relaterade litteratur om inverterade pendel, Segway, hoverboard, borstlösa motor styrenheter och Arduino kretskort. Senare fortsätter processen för att härleda matematiska modeller som beskirver systemet, tillsammans med simuleringar i Matlab, Simulink och Simscape. Därefter beskrivs konstruktionen av en nedskalad modell av drivmodulen och beskrivning av nödvändiga processer för att få hårdvara och mjkukvara att fungera ihop. Då fordonen ska ha möjlighet att fjärrstyras, så implementerades en bluetooth enhet tillsammans med en programmerbar mobil applikation. Slutligen avlutas uppsatsen med resultat, slutsats och diskussioner och förslag till framtida arbeten