System identification, sensory system and implementation of control algorithm for unstable balancing vehicle

Tato práce se zabývá návrhem a výrobou nestabilního dvoukolového vozidla typu Segway, určeného pro přepravu jedné osoby a jeho zmenšené verze, vycházející z principu funkce Segway, na němž bylo možné testovat různé řídicí algoritmy. Zmenšená verze je řízena joystickem pomocí PC. Realizace je týmovou prací tří studentů. Rozdělení úkolů je popsáno v kapitole Stanovení cílů práce. Začátek práce je věnován rešeršní studii ostatních projektů na toto téma, zejména se zabývá použitými senzory, zpracováním signálů a algoritmy pro řízení. V dalších kapitolách je uveden postup výběru vhodné elektroniky a její parametry. Jedním z řešených problémů bylo určení úhlu náklonu základny vozidla, přičemž byl využit algoritmus navržený několika studenty světových univerzit. Princip algoritmu byl nastudován a v dalších kapitolách simulačně a následně i prakticky otestován. Dále se práce zabývá odhadem parametrů reálných platforem, nejdříve platformy testovací, vyrobené ze dřeva, následně pak finální, vyrobené z duralu. Odhad parametrů je realizován pomocí měřící I/O karty Humusoft MF624 pro PC. V práci je také uveden postup implementace výsledného řídicího algoritmu na mikrokontroler dsPIC, přepočet napěťových výstupů senzorů na původní měřené veličiny a návrh kalibračního algoritmu. Jelikož je vozidlo určeno pro přepravu osob, je nezbytné doplnit řízení o některé bezpečnostní algoritmy, jež by měly co nejefektivněji detekovat případné chybové stavy a zabránit tak ztrátě kontroly nad vozidlem, případně zranění přepravované osoby, či okolí.This work deals with design and construction of unstable double wheeled Segway-like vehicle built for human personnel transportation and its smaller scaled clone developed for control algorithms testing. The smaller machine is controlled via Joystick and PC. This work was conducted in team consisting of three students. Individual goals are described in chapter „Stanovení cílů práce“. The beginning of the work deals with researching any similar projects concerned with this topic, especially with sensors and control algorithms used. Further, the work describes the process of choosing used electronics and its parameters. One of the problems faced during the work was the pitch angle of the vehicle base calculation - algorithm of the angle calculation had been designed by students of several world universities. The principle of how it works was studied and then tested by simulations and practically in the following chapters. Further on, the work deals with platform‘s parameter estimation, at first the testing platform made of wood, followed by the final platform made of aluminium. Parameter estimation was realized by using the multifunctional I/O card Humusoft MF 624 for PC. Part of the work deals with the final control algorithm on the dsPIC microcontroller implementation, sensor‘s outputs calculation and calibration algorithm design. Since the vehicle is built for human personnel transportation, implementation of certain safety algorithms was necessary. These algorithms should be able to detect possible fail states and prevent the driver from losing control over the vehicle in order to prevent any injuries.