第四章 雙輪賽格威平衡系統設計
4.3 實驗結果
本小節實驗使用DFSMC控制與狀態迴授控制來驗證雙輪賽格威之可行性，
實際上我們使用ARM Cortex M0為控制核心來實現所設計之控制法則如圖4.3，
為了驗證DFSMC控制之效能，我們使用狀態迴授來進行比較，並且觀察陀螺儀 所讀到的值、機身所移動之距離與給兩顆馬達之變化量。在於狀態迴授控制本論 文使用比較簡易之方式，其控制方法如下式
(4.24) (4.25) 經過 DFSMC 控制器或狀態迴授控制器處理後在求出 u 並轉換成 PWM 之後直接 丟給馬達來做雙輪賽格威之平衡控制，其中 、 、 、 為單輪賽格威所得到
之狀態倍率並且都為正常數， 為經過差動控制器所求左輪與右輪之補，以上
數值是經過長時間的實驗所試出之最好的參數。如同第三章之規劃，本章之實驗 分為三個項目：
實驗一：雙輪賽格威之平衡控制：
利用態迴授控制如圖 4.4 所示與狀 DFSMC 控制如圖 4.5 所示進行設計實驗 一控制，本實驗是針對雙輪賽格威平衡控制的穩定度進行測試，並且比較兩者優 異性。一開始抓完起始點角度時設計延遲 2 秒為了好讓操作者放穩機體，起出可 從圖 4.4(a)與圖 4.5(a)可觀察出來，表示態迴授控控制方法比 DFSMC 控制方法 機身晃動頻率較大，並且觀察機身的位置圖 4.4(b)與圖 4.5(b)使用態迴授控控制 方法在控制機身平衡時雖然看起來比較平順，但根據機身傾斜角度可以判斷是因 為機身一直在控制範圍內斷擺動，DFSMC 控制方法可以有效的把控制機身平穩。
當機身有效的控制在平衡的範圍內時，相對的給馬達之控制量也不會變化很大如 圖 4.4(c,d)與圖 4.5(c,d)。
44
實驗二：雙輪賽格威前進退後：
使用狀態迴授控制如圖4.6所示與DFSMC控制如圖4.7所示來控制雙輪賽格 威平衡，在藉由遞增或遞減機體所讀到之位置來達到移動之目的，並且在比較兩 種控制方法之優異性。利用遞增或遞減機體起始位置來達到機體移動之目的，一 開始設定延遲2秒接著保持平衡6秒，使機身穩定之後再向前行走4秒，接著在向 後回原點4秒。並且可從圖4.6(a)與圖4.7(a)觀察出來，使用DFSMC控制方法前進 後退時比態迴授控控制方法機身擺動幅度更來的小，圖4.6(b)與圖4.7(b)機體位置 移動，使用DFSMC控制方法比使用態迴授控控制方法可以行走得更平順。綜合 參考圖4.6(c,d)與4.7(c,d)馬達之控制量可發現使用使用DFSMC控制方法比態迴 授控控制方法能夠更有效的達到控制行走目的。
實驗三：雙輪賽格威克服障礙物：
使用狀態迴授控制如圖4.8所示與DFSMC控制如圖4.9所示，來控制雙輪賽格 威前進退後在行走軌道上加入障礙物，並且觀察兩種控制方法之差異性。本實驗 使用實驗二方法並在前方擺置5mm高度的壓克力板，在觀察兩種控制方式之優異 性，從圖4.8(a)與4.9(a)可看出在克服壓克力板時，DFSMC控制方法比態迴授控 控制方法機身擺動幅度較小，觀察機身位置從圖4.8(b)與4.9(b)使用DFSMC控制 方法機身位置移動更來得平順。
圖 4.3 自製雙輪賽格威
45 12o 2sec
0o
body pitch angle
(a)
8V 2sec 0V
(c)
control input of right motor
(d)
control input of left motor
0V
8V
(b)賽格威系統位移之響應圖
(c)右馬達控制量之響應圖
(d)左馬達控制量之響應圖
圖 4.4 使用狀態迴授控制雙輪賽格威站立不動 (a)賽格威系統傾斜角之響應圖
延遲 2 秒好讓操作者放好受測系統
46
12
o2sec 0
obody pitch angle
(a)
2sec 8V
0V
(c)
control input of right motor
(d)
control input of left motor 0V
8V
(a)賽格威系統傾斜角之響應圖
(c)右馬達控制量之響應圖
(d)左馬達控制量之響應圖
圖 4.5 使用 DFSMC 控制雙輪賽格威站立不動
延遲 2 秒好讓操作者放好受測系統
(b)賽格威系統位移之響應圖 離度
47 12o 2sec
0o
body pitch angle
(a)
1m 2sec 0m
body position
(b)
2sec 8V
0V
(c)
control input of right motor
(d)
control input of left motor
0V
8V
(a)賽格威系統傾斜角之響應圖
(b)賽格威系統位移之響應圖
(c)右馬達控制量之響應圖
(d)左馬達控制量之響應圖
圖 4.6 使用狀態迴授控制雙輪賽格威前進退後
行走時使機身傾斜角速度
8 秒後機體開始向前行走
12 秒後機體開始向後行走
16 秒後機體開始向原點行走 延遲 2 秒好讓操作者放好受測系統
48 12o 2sec
0o
body pitch angle
(a)
1m 2sec 0m
body position
(b)
2sec 8V
0V
control input of right motor
(c)
8V 2sec 0V
(d)
control input of left motor
(b)賽格威系統位移之響應圖
(c)右馬達控制量之響應圖
(d)左馬達控制量之響應圖
圖 4.7 使用 DFSMC 控制雙輪賽格威前進退後
行走時使機身傾斜角速度
8 秒後機體開始向前行走
12 秒後機體開始向後行走
16 秒後機體開始向原點行走
(a)賽格威系統傾斜角之響應圖
延遲 2 秒好讓操作者放好受測系統
49 12o 2sec
0o
body pitch angle
(a)
1m 2sec 0m
body position
(b)
8V 2sec 0V
control input of right motor
(c)
8V 2sec 0V
(d)
control input of left motor
(a)賽格威系統傾斜角之響應圖
(b)賽格威系統位移之響應圖 離度
(c)右馬達控制量之響應圖
(d)左馬達控制量之響應圖
圖 4.8 使用狀態迴授控制雙輪賽格威克服障礙物
前進時碰到障礙物使機身傾斜角速度
從障礙物下來過頭使機身傾斜角速度
前進時碰到障礙物
從障礙物上下來過頭 延遲 2 秒好讓操作者放好受測系統
50 12o 2sec
0o
body pitch angle
(a)
2sec 1m
0m
body position
(b)
2sec 8V
0V
control input of right motor
(c)
8V 2sec 0V
(d)
control input of left motor
(a)賽格威系統傾斜角之響應圖
(b)賽格威系統位移之響應圖
(c)右馬達控制量之響應圖
(d)左馬達控制量之響應圖
圖 4.9 使用 DFSMC 控制雙輪賽格威克服障礙物
前進時碰到障礙物
從障礙物上下來過頭 延遲 2 秒好讓操作者放好受測系統
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