Härtill 4 uppsatser

Lic.-avh. (sammanfattning) Västerås : Mälardalens universitet, 2023

In this thesis, autonomous two-wheeled robots are considered, such as autonomous bicycles, which are naturally unstable systems, and without proper actuation, they will lose balance and fall over. Thus, before developing algorithms for higher-level functionality such as localisation and navigation of an autonomous bicycle, the balance of the bicycle needs to be addressed. This is an interesting research problem as the bicycle is a statically unstable system that has proven difficult to control, but given adequate forward velocity, it is possible to balance a bicycle using only steering actuation. Moreover, given a sufficient forward velocity, the bicycle can even become self-stabilised. In this thesis, the balance and trajectory tracking of an autonomous bicycle is investigated. First, we propose an extension of previously proposed bicycle models to capture the steering dynamics including the motor used for controlling the handlebar. Next, several control methods which can stabilise an autonomous bicycle by actuation of the steering axis and the forward velocity of the bicycle are developed. The controllers are compared in simulations on both a linear and nonlinear bicycle model. The simulation evaluation proceeds with experiments conducted on an instrumented bicycle running on a bicycle roller. Moreover, trajectory tracking of an autonomous bicycle is addressed using a model predictive controller approach where the reference lean angle is computed at every sample interval and is tracked by the balance controller in the inner loop. Finally, path planning in a static environment is considered where the proposed strategy realises a smooth path that adheres to the kinematic and dynamic constraints of the bicycle while avoiding obstacles and optimises the number of heading changes and the path distance.

I denna avhandling studeras autonoma tvåhjuliga robotar, som autonoma cyklar, vilka är naturligt instabila system, och utan korrekt reglering kommer de att tappa balansen och ramla omkull. Innan man utvecklar algoritmer för funktionalitet på högre nivå, såsom lokalisering och navigering av en autonom cykel, måste således balansen i cykeln lösas. Detta är ett intressant forskningsproblem eftersom cykeln är ett statiskt instabilt system som har visat sig vara svårt att kontrollera, men med tillräcklig hastighet framåt är det möjligt att balansera en cykel med enbart styret. Dessutom, givet en tillräcklig hastighet framåt, kan cykeln till och med bli självstabiliserad. I denna avhandling undersöks balanskontroll och banspårningen av en autonom cykel ur ett regleringsperspektiv. Först föreslår vi en utökning av tidigare föreslagna modelleringar av cyklar för att fånga styrdynamiken inklusive motorn som används för att kontrollera styret. Därefter utvecklas flera reglermetoder som kan stabilisera en autonom cykel genom aktivering av styraxeln och hastigheten av cykeln. Regulatorerna jämförs i simuleringar på både en linjär och olinjär cykelmodell. Simuleringsutvärderingen efterföljs av experiment utförda på en instrumenterad cykel som körs på en cykelrulle. Dessutom adresseras banspårning av en autonom cykel med hjälp av en modellprediktiv reglering där referenslutningsvinkeln beräknas vid varje sampelintervall och följs av den inre balanskontrollen. Slutligen undersöks vägplanering i en statisk miljö där den föreslagna strategin realiserar en kontinuerlig väg som hörsammar cykelns kinematiska och dynamiska begränsningar samtidigt som man undviker hinder och optimerar antalet kursändringar och vägavståndet.