Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
ใบรบรองวทยานพนธ บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยเกษตรศาสตร
ปรญญา
สาขา ภาควชา
เรอง การควบคมยานพาหนะสองลอดวยตวควบคมฟซซ Fuzzy Control of Two-Wheeled Vehicle
นามผวจย นายวชรพล บลหะยหมด
ไดพจารณาเหนชอบโดย
อาจารยทปรกษาวทยานพนธหลก
( ) อาจารยทปรกษาวทยานพนธรวม
( ) หวหนาภาควชา
( )
บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยเกษตรศาสตรรบรองแลว
( ) คณบดบณฑตวทยาลย
วนท เดอน พ.ศ.
วศวกรรมศาสตรมหาบณฑต (วศวกรรมเครองกล)
วศวกรรมเครองกล วศวกรรมเครองกล
ผชวยศาสตราจารยวทต ฉตรรตนกลชย, Ph.D.
ผชวยศาสตราจารยทวเดช ศรธนาพพฒน, Ph.D.
รองศาสตราจารยกญจนา ธระกล, D.Agr.
รองศาสตราจารยชวลต กตตชยการ, Ph.D.
วทยานพนธ
เรอง
การควบคมยานพาหนะสองลอดวยตวควบคมฟซซ
Fuzzy Control of Two-Wheeled Vehicle
โดย
นายวชรพล บลหะยหมด
เสนอ
บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยเกษตรศาสตร
เพอความสมบรณแหงปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต (วศวกรรมเครองกล)
พ.ศ. 2555
วชรพล บลหะยหมด 2555: การควบคมยานพาหนะสองลอดวยตวควบคมฟซซ
ปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต (วศวกรรมเครองกล) สาขาวศวกรรมเครองกล
ภาควชาวศวกรรมเครองกล อาจารยทปรกษาวทยานพนธหลก:
ผชวยศาสตราจารยวทต ฉตรรตนกลชย, Ph.D. 50 หนา
การออกแบบตวควบคมทสามารถควบคมการทรงตวของพาหนะสองลอในขณะหยดนง
และเมอเคลอนทเปนงานทซบซอนและทาทาย โดยระบบพลศาสตรของยานพาหนะสองลอมความ
ซบซอนเปนระบบควบคมแบบหลายอนพตหลายเอาทพตและยงเปนระบบแบบ Under-actuated
จงเปนการยากทจะออกแบบตวควบคมแบบดงเดม ใหมประสทธภาพทดในการควบคม
ในงานวจยนจงไดอาศยหลกการการออกแบบตวควบคมดวยตวควบคมฟซซ (Fuzzy Control)
เปนการออกแบบโดยใชเหตผล ความรและประสบการณของมนษยทมตอการทางานของระบบ
และเปนการควบคมทสามารถกาจดสงรบกวนระบบไดเปนอยางด ทางานไดกบระบบไมเปนเชง
เสนและระบบทมหลายสญญาณปอนเขาและปอนออก (multi-input multi-output) พาหนะสองลอ
จะถกสรางขน ซงขบเคลอนโดยมอเตอรไฟฟากระแสตรงและตวตรวจร (sensor) ประเภทตางๆ
เพอประมวลสญญาณยอนกลบไปยงระบบควบคม โดยระบบพาหนะสองลอทควบคมนตองการ
ออกแบบใหระบบมการตอบสนองด มความไวของระบบเพยงพอ ความผดพลาด ณ สภาวะคงตวม
คาตา และสามารถทนทานตอการรบกวนจากแรงภายนอกได จากการจาลองระบบและการทดลองจรง
จะเหนไดวาตวควบคมฟซซสามารถรกษาเสถยรภาพของรถสองลอ ขณะหยดนงหรอเคลอนทและ
ยงสามารถกาจดสงรบกวนจากภายนอกได
/ /
ลายมอชอนสต ลายมอชออาจารยทปรกษาวทยานพนธหลก
Wacharapol Binhayihmat 2012: Fuzzy Control of Two-Wheeled Vehicle.
Master of Engineering (Mechanical Engineering), Major Field: Mechanical Engineering,
Department of Mechanical Engineering. Thesis Advisor:
Assistant Professor Withit Chatlatanagulchai, Ph.D. 50 pages.
The design of two wheeled vehicle controller is complicate and challenge. The dynamic
of two wheeled vehicle is a complicated, multi-input multi-output system, and it is under-
actuated. Therefore it is difficult to develop the controller using a conventional controller
In this project we use fuzzy controller. The fuzzy controller is human reasoning by which
we can control the system through our knowledge and experience of how the system works.
Fuzzy controller can control nonlinear system, multi-input-multi output system, also fuzzy
controller can reject plant output disturbance .The two wheeled vehicle consists of a aluminum
platform, human, dc motor and several sensor that feedback output signal to the controller. We
aim to design two wheeled vehicle that has good response, stability and robustness. Simulation
and experimentation show that the fuzzy controller can stabilize the system, also can reject the
disturbance due to external force.
/ /
Student’s signature Thesis Advisor’s signature
กตตกรรมประกาศ
ขาพเจาขอขอบพระคณ ผชวยศาสตราจารย วทต ฉตรรตนกลชย ทไดใหโอกาส ความร
ประสบการณ และคาแนะนาตางๆในการทางานวจยนใหประสบความสาเรจไปดวยอยางด
ขอขอบพระคณผชวยศาสตราจารย ทวเดช ศรธนาพพฒน ทไดใหคาแนะนา คาปรกษาและ
รวมตรวจสอบวทยานพนธน
ขอขอบพระคณอาจารย และเจาหนาททกทาน ในภาควชาวศวกรรมเครองกล มหาวทยาลย
เกษตรศาสตร ทใหความชวยเหลอ ตลอดทขาพเจาไดเรยนมา
งานวจยนไดทาทหอง ปฏบตการควบคมหนยนตและการสนสะเทอน (CRV Lab) ซงตงอย
ทชน 9 อาคารวศวกรรมศาสตร 60 ปมหาวทยาลยเกษตรศาสตร
สดทายนขอขอบพระคณสาหรบ โอกาส กาลงใจ และขอคดดๆ จาก ครอบครว และเพอนๆ
ทกคน
วชรพล บลหะยหมด
กรกฎาคม 2555
(1)
สารบญ
หนา
สารบญ (1)
สารบญตาราง (2)
สารบญภาพ (3)
คาอธบายสญลกษณและคายอ (5)
คานา 1
วตถประสงค 2
การตรวจเอกสาร 3
อปกรณและวธการ 9
อปกรณ 9
วธการ 12
ผลการทดลองและวจารณ 39
สรปและขอเสนอแนะ 47
เอกสารและสงอางอง 48
ประวตการศกษา และการทางาน 50
(2)
สารบญตาราง
ตารางท หนา
1 Rule base ของระบบลกตมหวกลบ
2 Rule Base ของรถสองลอ
21
31
(3)
สารบญภาพ
ภาพท หนา
1 การทดลองหนยนตสองลอของ Shiroma et al. 3
2 หนยนตสองลอ JOE: a mobile, inverted pendulum 4
3 พาหนะสองลอ PMP-2 ของ Sasaki et al. 5
4 หนยนตสองลอ ของ Chatrattanakulchai et al. 5
5 พาหนะสองลอ ของ Ching - Chih Tsai et al. 6
6 รถสองลอขนาดเลก 9
7 มอเตอรกระแสตรงขนาด 250 watt 24volt 10
8 ตวตรวจรวดความเอยง (Inclinometer) 10
9 วงจรขบมอเตอรกระแสตรง 11
10 NI Single-Board RIO 11
11 แผนผงการตอการทดลอง 12
12 Free body diagram ของรถสองลอ 12
13 ตวควบคมฟซซ 20
14 สภาวะตางๆของลกตมหวกลบ 21
15 Membership Function ของ possmall 22
16 แสดงรปแบบตางๆของ Membership Function 22
17 Membership Function สาหรบ crips set 23
18 Membership Function สาหรบระบบลกตมหวกลบ 23
19 ไดอะแกรมแสดง กฎ(rule) ททางาน 24
20 premise ของ single rule 25
21 Implied fuzzy set จาก rule 1 26
22 Implied fuzzy set จาก rule 2 27
23 COG method 28
24 การทางานของตวควบคมฟซซ 29
25 บลอกไดอะแกรมระบบควบคม 30
26 Membership Function 30
(4)
สารบญภาพ (ตอ)
ภาพท หนา
27 Control surface
28 ระบบ inclinometer ชนดลกตมภายใน
29 แสดงโครงสรางระบบทดลอง
30 มมเอยงทไดจาก Inclinometer และ Encoder
31 ความเรวเชงมมจาก ไจโรสโคป และ Encoder
32 มมเอยงจาก Encoder และจากอนทเกรตสญญาณไจโรสโคป
33 บลอกไดอะแกรมการประมาณคาสถานะ
34 แผนผงการตอการทดลอง
35 มมประมาณทความถ 0.5 Hz
36 มมประมาณทความถ 1 Hz
37 มมประมาณทความถ 1.5 Hz
32
32
33
33
35
35
36
39
39
40
40
38 ผลการจาลองระบบเมอใหมมเรมตนทคา 10 องศา 41
39 ผลการจาลองตวควบคมรถสองลอดวย Matlab เมอมสงรบกวนระบบ 42
40 ผลการจาลองระบบเมอใหสงรบกวนระบบเปน Sine wave 43
41 การทรงตวบนรถสองลอ 44
42 มมเอยงของรถสองลอขณะทรงตวอยกบท 45
43 การเคลอนทไปขางหนา 46
44 การเคลอนทเลยวขวา 46
(5)
คาอธบายสญลกษณและคายอ
T คอ พลงงานจลนรวมของระบบ
คอ แรงบด
U คอ พลงงานศกยรวมของระบบ
iq คอ ระบบพกด
iQ คอ แรงในระบบพกดทสนใจ
i คอ อนดบของระบบ
wI คอ โมเมนตความเฉอยของลอ
bI คอ โมเมนตความเฉอยของคน
w คอ มมหมนของลอ
b คอ มมเอยงของคน
wr คอ รศมลอ
g คอ ความเรงเนองจากแรงโนมถวงของโลก
bm คอ มวลคน
wm คอ มวลลอ
. .., คอ การอนพนธตาแหนงเทยบกบเวลา
b คอ สมประสทธแรงตานการหมนของลอ
u คอ คาแรงดนไฟฟาทปอนใหกบมอเตอร
I คอ กระแสไฟฟาทเกดขนในมอเตอร
mR คอ ความตานทานในขดลวดของมอเตอร
bk คอ คา Back Emf ของมอเตอร
gk คอ Gear ratio
mk คอ Motor Torque Constant
1
การควบคมยานพาหนะสองลอดวยตวควบคมฟซซ
Fuzzy Control of Two-Wheeled Vehicle
คานา
งานวจยเกยวกบหนยนตสองลอมการพฒนาอยางตอเนอง ซงเปนการควบคมการทรงตว
ของยานพาหนะสองลอ (two-wheeled) ทมลกษณะเปนการทรงตวประเภทลกตมนาฬกากลบหว
(inverted pendulum) และเปนระบบทมความไมเปนเชงเสน (nonlinear system) งานวจยเหลานน
ไดสรางใหเกดผลตผลทถกนามาใชงานจรง ไดแก ยานพาหนะสองลอ SEGWAY ยานพาหนะเชง
พาณชยนนยมในบางประเทศสาหรบการเดนทางในระยะใกลหรอภายในบรเวณอาคารขนาดใหญ
โดยอาศยพลงงานไฟฟาในการขบเคลอนจงไมกอเกดมลพษทางอากาศประกอบกบรปทรงทม
ขนาดกะทดรดมความคลองตวในการขบข นอกจากนนยงถกนามาผลตเปนของเลนวทยบงคบท
เปนหนยนตสองลอ
การออกแบบตวควบคมทสามารถควบคมการทรงตวของพาหนะสองลอในขณะหยดนง
และเมอเคลอนทเปนงานทซบซอนและทาทาย โดยระบบพลศาสตรของยานพาหนะสองลอทได
กลาวแลววาเปนลกตมนาฬกากลบหวนนไมสามารถใชงานกบตวควบคมแบบดงเดมไดด ในการ
ออกแบบตวควบคมในงานวจยนจงไดอาศยหลกการการออกแบบตวควบคมดวยตวควบคมฟซซ
(Fuzzy Control) เปนการออกแบบโดยใชเหตผล ความรและประสบการณของมนษยทมตอการ
ทางานของระบบ และเปนการควบคมทสามารถกาจดสงรบกวนระบบไดเปนอยางด ทางานไดกบ
ระบบไมเปนเชงเสนและระบบทมหลายสญญาณปอนเขาและปอนออก (multi-input multi-output)
พาหนะสองลอจะถกสรางขน ซงขบเคลอนโดยมอเตอรไฟฟากระแสตรงและตวตรวจร
(sensor) ประเภทตางๆ เพอประมวลสญญาณยอนกลบไปยงระบบควบคม โดยระบบพาหนะสอง
ลอทควบคมนตองการออกแบบใหระบบมการตอบสนองด มความไวของระบบเพยงพอ ความ
ผดพลาด ณ สภาวะคงตวมคาตา และสามารถทนทานตอการรบกวนจากแรงภายนอกได
2
วตถประสงค
สรางพาหนะสองลอและออกแบบระบบควบคมดวยตวควบคมฟซซ ในการพฒนาตวควบคม
สาหรบการควบคมยานพาหนะสองลอในการทรงตวในขณะอยนงและเคลอนทและการบงคบเลยว ให
มประสทธภาพทด โดยออกแบบใหระบบมการตอบสนองด มความไวของระบบเพยงพอ ความ
ผดพลาด ณ สภาวะคงตวมคาตา และสามารถกาจดการรบกวนจากแรงภายนอกได
3
การตรวจเอกสาร
ตรวจเอกสารเกยวกบ Two-Wheeled Robot และ Two-Wheeled Vehicle
Shiroma et al. (1996) ไดศกษาเกยวกบพฤตกรรมของหนยนตสองลอทเคลอนทรวมกน
ตงแตสองตว เปนการตอยอดมาจากงานวจยเดมสาหรบพฤตกรรมของหนยนตทเคลอนทรวมกน
ของ Hashimoto and Oba (1993) ทมลกษณะเปนรถสลอทาใหแรงภายนอกไมสงผลตอเสถยรภาพ
แตงานวจยเขานนพจารณาความสมดลของหนยนตสองลอทเปนระบบทไมมเสถยรภาพจากแรง
ภายนอกสาหรบระบบเคลอนทรวมกน ใชระบบควบคมจากการประมาณแรงภายนอกดวยตวสงเกต
ในขณะทรงตวเพอชดเชยแรง จากการทดลองการประมาณแรงภายนอกสามารถทาใหระบบทรงตว
และชดเชยแรงได และสามารถทางานรวมกนไดระหวางมนษยและหนยนต
ภาพท 1 การทดลองหนยนตสองลอของ Shiroma et al.
ทมา: Shiroma et al. (1996)
Grasser et al. (2002) ไดออกแบบหนยนตสองลอดงภาพท 2 ขนาดความสง 65 เซนตเมตร
นาหนกประมาณ 12 กโลกรม สามารถวงไดดวยความเรวสงสด 1.5 เมตรตอวนาท สามารถรกษา
สมดล และทนทานตอแรงรบกวนภายนอกและตอบสนองตอสญญาณอางองได โดย ไดกลาวถง
4
ปญหาของ Planetary Gearbox ของมอเตอรเมอโมเมนตความเฉอยของมอเตอรตากวา โมเมนต
ความเฉอยลอมากๆ สญญาณรบกวนอาจจะทาใหเกดการเสยหายกบมอเตอรได ซงได แกไขดวย
การใชตวกรองความถสงท 10 เฮรต ในการออกแบบนนเรมจากการสรางสมการ คณตศาสตรจาลอง
พลศาสตรของระบบดวยกฏขอทสองของนวตนและประมาณระบบเปนระบบ เชงเสนตรง จะได
สมการพลศาสตรเปนรปแบบปรภมสเตตสองสวน และออกแบบตวควบคมดวย วธการวางโพล
ไวหลายรปแบบ ในแตละรปแบบจะไดผลตอบสนองดในชวงการทางานแตกตางกน
ภาพท 2 หนยนตสองลอ JOE: a mobile, inverted pendulum
ทมา: Grasser et al. (2002)
Sasaki et al. (2004) ไดออกแบบและสรางยานพนะสองลอแบบไมมทจบเปนตวตนแบบ
ตงชอวา PMP-1 (Personal riding-type wheeled Mobile Platform) เปนยานพนะสองลอทนาแนวคด
ของลกตมหวกลบมาใชงาน ตนแบบตวแรกมนาหนกประมาณ 36 กโลกรม สามารถวงเดนหนา
และถอยหลงได เรมจากหาคณตศาสตรจาลองพลศาสตรของระบบดวยกฎขอทสองของนวตนและ
ประมาณระบบเปนระบบเชงเสนตรง จะไดสมการพลศาสตรเปนรปแบบปรภมสเตตจากนนทาการ
ออกแบบตวควบคมโดยวธสเตตปอนกลบ ดวยการวางโพล เคลอนทโดยการโนมเอยงของผขบข
และในปถดมา Sasaki et al. (2005) ไดพฒนาตนแบบตวทสอง ชอ PMP-2 โดยไดปรบปรงโครงสราง
ใหมนาหนกเบาเพยง12กโลกรม และพฒนาระบบควบคมการบงคบเลยว โดยใชการถายจดศนยถวง
ของผขบข และใช force sensor เปนตวตรวจรทพนรถ
5
ภาพท 3 พาหนะสองลอ PMP-2 ของ Sasaki et al.
ทมา: Sasaki et al. (2004)
Chatlatanagulchai et al. (2008) ไดพฒนาหนยนตสองลอขนาดเลก สามารถเคลอนท
เดนหนา,ถอยหลง และบงคบเลยวได ตามสญญาณอางอง โดยเรมจากหาแบบจาลองทาง
คณตศาสตร โดยวธ ลากรานจ จากนนจดรปแบบเปนปรภมสเตต สวนตวควบคมใชวธ LQR with
Augment Integrators and Full-order Observer เปนการควบคมแบบเหมาะสมทสด ทมตวอนทกล
และใชสเตตปอนกลบจากตวสงเกตอนดบเตม ผลจากการทาSimulation และการทดลองจรงพบวา
หนยนตสามารถทรงตวไดด และ สามารถเคลอนทตามสญญาณอางองได
ภาพท 4 หนยนตสองลอ ของ Chatlatanagulchai et al.
ทมา: Chatlatanagulchai et al. (2008)
6
Ching-Chih et al. (2010) ไดพฒนาพาหนะสองลอ ใชชอวา Self-Balancing Two-Wheeled
Schooter โดยใชเทคนค Adaptive Neural Network Control ผลจากการทา simulationเปรยบเทยบ
กบเทคนค ปรภมสเตต ยอนกลบ พบวา เทคนคAdaptive Neural Network Control สามารถ
ตอบสนองไดรวดเรวและเขาสสภาวะสมดลไดรวดเรวกวา และจากการทดลองพบวา ระบบ
สามารถรกษาสมดลและตอบสนองไดอยางรวดเรว อยางไรกตามในอนาคตผวจยดงกลาวไดเสนอ
ใหออกแบบตวควบคมดวยเทคนค Adaptive fuzzy controller สาหรบการวงทความเรวสง
ภาพท 5 พาหนะสองลอ ของ Tsai et al. (a) ดานหนา. (b)ดานลาง
ทมา: Ching-Chih et al. (2010)
ตรวจเอกสารเกยวกบ Fuzzy Control
Kodagoda et al. (2002) ไดพฒนาระบบควบคมความเรวและการบงคบเลยว ของAGV
(autonomous guided vehicles) เปนรถทเคลอนทไดโดยอตโนมต ประยกตใช ตวควบฟซซ กบ
ระบบควบคมรถ ระบบขบเคลอน ใชมอเตอรกระแสตรงขนาด 2300วตต ควบคมโดย ตวควบคม
ฟซซ 2อนพตคอความเรวและอนทกลของความเรว และ 1 เอาทพตคอ ความตางศกด ทจายใหมอเตอร
แตละอนพตม 11 linguistic value ทาใหม rule base ทงหมด 121 rule ใช Triangular membership
function ใชminimum operation เปนตวเชอม premise ใชวธ COG defuzzification ให effective
universe of discourse เปน [-1 1] ทาการทดลองเปรยบเทยบผลกบตวควบคม PID พบวา ตว
ควบคมฟซซ ใหผลตอบสนองตามสญญาณอางองไดดกวา โดยม rise time, over shoot และ
steady state error นอยกวาตวควบคมแบบ PID
7
Chatlatanagulchai et al. (2010) ไดทาการวจยและพฒนา ระบบควบคม Common-Rail
Pressure ในเครองยนตดเซลทดดแปลงเปนเครองยนตเชอเพลงรวมระหวางกาซธรรมชาต และ
นามนดเซล โดยใชตวควบคมแบบฟซซเรยนร ( Fuzzy Learning ) ประกอบดวยสวนแรกคอตว
ควบคมฟซซแบบปรกตทม2อนพต คอ error และ error integral ของ common rail pressure และ
ม 1 เอาทพตคอ feedback portion duty cycle แตละอนพตประกอบดวย 5 linguistic numeric value
ทาใหม rule base 25 rule ซงออกแบบให คาTracking error เขาส 0 สวนทสองคอตวควบคมฟซช
เรยนร ม2อนพตคอ ความเรวรอบเครองยนต และ IMEP ( indicated mean effective pressure) ม 1
เอาทพต คอ feed-forward portion of duty cycle . เอาทพตจากตวควบคมฟซซแบบปรกตจะเปนตว
ปรบปรงคา member ship function center ของตวควบคมแบบฟซซเรยนร เพอใหไดเอาทพตเปนคา
คา duty cycle ทเหมาะสมทจะลด Tracking error
Wang et al. (2010) ไดพฒนาระบบควบคม ลกตมนาฬกาหวกลบสองแกน ควบคมโดยตว
ควบคมฟซซ โดยใชกฎของนวตน สรางแบบจาลองทางคณตศาสตร และจดใหอยในรปปรภมสเตต
โดยม 6 สเตต คอ ตาเหนงและความเรวของรถ, ตาแหนงและความเรวของมมเอยงของลกตมตวท 1,
ตาแหนงและความเรวของลกตมตวท 2 ดงนนจะทาใหตวควบคมฟซซมอนพตมากถง 6 อนพต
Wang ไดกลาววาเปนการยากทจะสราง rule base จากทงหมด 6 อนพตน จงไดใชเทคนค ฟวชน
ฟงกชนทประกอบดวยคาอตตราขยายทไดจากวธ Linear Quadratic Regulator ทาใหสามารถลด
จานวนอนพตใหเหลอ 2 ตวไดคอ error และ error rate ทาใหงายแกการออกแบบตวควบคม
ผลจากการ Simulation แสดงใหเหนวา ตวควบคมฟซซ สามารถ รกษาเสถยรภาพ ของลกตมหว
กลบ 2แกนไวไดอยางด
ตรวจเอกสารเกยวกบการวดมมเอยง
Baerveldt and Klang (1996) ไดออกแบบตวตรวจรสาหรบวดความเอยงโดยใชหลกการ
ของ Complementary Filter ระหวางตวตรวจรสองตวคอ Pendulum Inclinometer และ Rate
Gyroscope โดยสามารถชดเชยการตอบสนองทางพลศาสตรทชาของ Inclinometer และการ
เบยงเบนของสญญาณของ Rate Gyroscope ได แตพบวาจากการประมาณคาพารามเตอรของ
Inclinometer ดวย First-Order Low-Pass filter ดวยเวลาคงท ตวตรวจรนจงตอบสนองตอความถได
ดเฉพาะชวง 0.15 ถง 1.5 เฮรต และตอมา Rehbinder และ Hu (2004) พฒนาการวดความเอยงจาก
Rate Gyroscope และ Accelerometer โดยอาศย Switching State Estimators กสามารถแกปญหาการ
Drift ของสญญาณ Rate Gyroscope ได
8
Leavitt et al. (2006) ไดพฒนาตวตรวจรจาก Pendulum Inclinometer , Rate Gyroscope
และ Accelerometer อาศยความรของ Linear optimal linear state estimater (Kalman filter) และ
จาลองสมการคณตศาสตรของ Inclinometer เปน Second-Order Transfer Function โดย
คาพารามเตอรตางๆนนไดมาจากการทดลองการจาลองการตอบสนองเชงความถ วธการออกแบบ
ตวตรวจรนนคลายเดมคอ การจากด Gyro Bias ออก ตวตรวจรทถกพฒนาขนนสามารถตอบสนอง
ตอแบนดวทธสงไดมากกวา 4 เฮรต ทงนขนกบความแมนยาของแบบจาลอง Inclinometer และ
สามารถทางานไดเมอระบบมความเรงในแนวแกนตาง ๆ
Chatlatanagulchai et al. (2008) พฒนาตววดมมเอยง จาก Inclinometer และ Rate Gyroscope
ทา การสมการคณตศาสตร ของ Inclinometer ในรปปรภมสเตต และหาคาพารามเตอรตางๆจากวธ
พสจนเอกลกษณจากนนใชเทคนค Luenberger observer เพอประมาณมมเอยง ผลทไดสามารถ
ตอบสนองความถไดมากกวา 2 เฮรต
9
อปกรณและวธการ
ในสวนแรกจะกลาวถงอปกรณทใชในการทดลอง ซงจะแบงออกไดเปนอปกรณทใชใน
การออกแบบระบบควบคมและวธการในการเชอมตอขอมลในแตละอปกรณในระบบควบคม สาหรบ
ในสวนทสอง จะกลาวถงวธการทใชในงานวจยน ซงประกอบไปดวย การหาแบบ จาลองทาง
คณตศาสตรของยานพาหนะสองลอ , การควบคมแบบฟซซ
อปกรณ
อปกรณทใชในการออกแบบระบบควบคมของยานพาหนะสองลอ
1. รถสองลอ
ภาพท 6 แสดงถงรถสองลอขนาดเลกทใชในในหองปฏบตการควบคมหนยนตและ
การสนสะเทอน วสดโครงทามาจากอลมเนยมทาใหนาหนกเบา ภายในหนยนตจะมมอเตอร
กระแสตรงขนาด 250 watt ดงภาพท 7 จานวน 2 ชด ขบเคลอนโดย Motor driverในภาพท 9 ขนาด
50Ampยหอ Dimension Engineering เราใชบอรดควบคมของ NI ชนด Single-Board RIO รน
sbRIO-9632 โดยใชโซขบลอทงสองททางานอยางอสระตอกนเพอควบคมการทรงตวและการเลยว
ของรถสองลอ
ภาพท 6 รถสองลอขนาดเลก
10
ภาพท 7 มอเตอรกระแสตรงขนาด 250 watt 24volt
2. ตวตรวจรวดความเอยง (Inclinometer)
อปกรณวดมมเอยงของของโครงหนยนตลกษณะการทางานเหมอน เอนโคดเดอรเซน เซอร
แตอาศยการแกวงของลกตมทอยภายใน งานวจยนใชตวตรวจร USDigital รน EM1/HEDS T6 ม
ความละเอยดเทากบ 2500 ครงตอรอบ (CPR)
ภาพท 8 ตวตรวจรวดความเอยง (Inclinometer)
3. วงจรขบมอเตอรกระแสตรง (Motor Driver)
ใชของยหอ Dimension Engineering รน Saber tooth 2X50 HV สามารถทขบมอเตอร
กระแสตรงได 2 ตว Drive Motor โดยอปกรณน จะรบสญญาณปอนเขาคอกระแสไฟฟาทมปรมาณ
และแรงดนตา และจายกระแสไฟฟาทมปรมาณและแรงดนทสงกวา โดยใชพลงงานจาก
แหลงกาเนดไฟฟาไปยงมอเตอรกระแสตรงทตดตงอยบนหนยนต
11
ภาพท 9 วงจรขบมอเตอรกระแสตรง
4. NI Single-Board RIO
ทาหนาท เปนอปกรณ Embedded Control และ Acquisition สาหรบรถสองลอ เราใช
รน sbRIO-9632 มโมดล 16 บต ADC , 16 บต DAC และ3.3v digital I/O รายละเอยดเพมเตมท
www.ni.com
ภาพท 10 NI Single-Board RIO
ภาพท 11 แสดงแผนผงการตอการทดลอง ประกอบดวย Host computer สาหรบ
เขยนโปรแกรมและบนทกโปรแกรมลงในบอรดควบคม NI Single Board RIO ซงบอรควบคมจะ
รบสญญาณจากตวตรวจรตางๆ นามาประมวลผล และสงสญญานไปสง Motor Driver เพอควบคม
รถสองลอตอไป
12
ภาพท 11 แผนผงการตอการทดลอง
วธการ
สมการการเคลอนทของรถสองลอ
ภาพท 12 Free body diagram ของรถสองลอ
13
1. พลศาสตรลากรานจสาหรบหนยนตสองลอ
วธการหาแบบจาลองการเคลอนทโดยใชสมการลากรานจ จะคานวนจากสมการ
พลงงานศกยและพลงงานจลนในรปของตวแปรพกด สมการลากรานจสาหรบหาแบบจาลอง ทางพลศาสตรสามารถเขยนไดดงน
i
i i i
d T T U Qdt q q q
(1)
โดย T = พลงงานจลนรวมของระบบ (Kinetic Energy)
U = พลงงานศกยรวมของระบบ (Potential Energy)
iq = ระบบพกด (generalized coordinates)
iQ = แรงในระบบพกดทกาลงสนใจ (generalized force)
i = อนดบของระบบ
พลงงานจลนจากการเคลอนท T และพลงงานศกย U หาไดจากสมการ (2) และ (3)
2 2 2 2 21 1 1 1 ( )2 2 2 2w w w w w b b b b b w wT I m r I m r r (2)
( cos )b b b bU m g r r (3)
The work of the nonpotential force can be written as
1
1 1 2 2
0 ( )
( )
n
np i ii
w w w
w w
dw Q dq
Q dq Q dq
T d b d
T b d
ให 1q = b และ 2q = w
14
จากสมการท (2) และ(3) สาหรบ 1i เราจะได
1
( )b b b b b w w bb
T T I m r r rq
1
0b
T Tq
1
sinb b bb
U U m grq
2
1
2( )
b b b b b b b w w
b b b b b b w w
d T I m r m r rdt q
I m r m r r
ดงนน จาก (1) เราจะได
1
1 1 1
d T T U Qdt q q q
2( ) sin 0b b b b b b w w b b bI m r m r r m gr (4)
เมอ b นอยๆ ให sin b b
2( ) 0b b b b b b w w b b bI m r m r r m gr (5)
จากสมการท (2) และ (3) สาหรบ 2i เราจะได
2
2
( )w w w w w b b b w w ww
T T I m r m r r rq
2
0w
T Tq
15
2
0w
U Uq
2 2
2
2 2( )
w w w w w b b b b w w
w w w b w w b b w b
d T I m r m r m rdt q
I m r m r m r r
ดงนน จาก (1) เราจะได
2
2 2 2
d T T U Qdt q q q
2 2( )w w w b w w b b w b wI m r m r m r r T b (6)
จากสมการมอเตอรกระแสตรง คาแรงดนไฟฟาทตกครอมมอเตอรกระแสตรงสามารถ
คานวณไดจากสมการ (7)
m b gu IR k k (7)
เมอ u คอ แรงดนไฟฟา
I คอ กระไฟฟา
mR คอ คาความตานทานทขดลวดอารเมเจอร
bk คอ คาแรงเคลอนไฟฟาเหนยวนาตานกลบคงตว (Back-emf constant)
gk คอ อตราทดเฟอง
แรงบดทมอเตอรสรางขนจะเปนสดสวนกบกระแสทไหลผานขดลวดอารเมเจอร
สามารถหาไดจากสมการ(8)
g mk k I (8)
เมอ mk คอ คาคงตวแรงบดมอเตอร (Motor torque constant)
16
ดงนนแรงบดมอเตอรสรางขนสามารถหาไดจากสมการ
2g m b m g
m m
k k u k k kR R
(9)
กาหนดให 1g m
m
k k uC
R และ
2
2b m g
m
k k kC
R (10)
จากสมการ (10) เราจะได
1 2 wC u C (11)
แทนสมการ (11) ใน สมการ (6) จะได
2 2
1 2( )w w w b w w b b w b w wI m r m r m r r c u c b
2 2
2 1( ) ( )w w w b w w b b w b wI m r m r m r r b c c u (12)
จาก (12) เราจะไดสมการการเคลอนทของระบบคอ
2 12 2 2 2 2 2b b w
w b ww w w b w w w w b w w w w b w
m r r b c c uI m r m r I m r m r I m r m r
(13)
แทนสมการ(13) ใน (5) จะได
222
2 2 2 2
12 2
( )
0
b b w b b wb b b b b w
w w w b w w w w b w
b b wb b b
w w w b w
m r r m r r b cI m r
I m r m r I m r m r
m r r c u m grI m r m r
222
2 2 2 2
12 2
b b w b b wb b b b w
w w w b w w w w b w
b b wb b b
w w w b w
m r r m r r b cI m r
I m r m r I m r m r
m r r cm gr uI m r m r
(14)
17
จดรปสมการท (5) จะได
2 2
b b w b b bb w b
b b b b b b
m r r m grI m r I m r
(15)
แทนสมการ (15) ใน (12) จะได
2 2 22 2
2 12 2b b w b b w
w w w b w w w b wb b b b b b
m r r m r r gI m r m r b c cuI m r I m r
2 2 22 2
2 12 2b b w b b w
w w w b w w b wb b b b b b
m r r m r r gI m r m r b c cuI m r I m r
(16)
จดรปสมการ (14) จะได
22 2
22
2 2 22 2
12 2
22 2
b b w
w w w b w b bb w b
b b wb b w b b bb b b w w w b w
w w w b w
b b w
w w w b w
b b wb b b
w w w b w
m r r b cI m r m r m gr
m r rm r r I m rI m r I m r m rI m r m r
m r r cI m r m r
m r rI m rI m r m r
u
(17)
จดรปสมการ (16) จะได
18
2 2
22
222 22 2
22
12
2 22
b b w
b b bw b w
b b wb b ww w w b wb w w b w
b b bb b b
b b ww w w b w
b b b
m r r gI mr b c
mrrmrr I m r mrI m r mrI m rI m r
c umrr
I m r mrI m r
(18)
จากสมการ (17),(18) กาหนดให H1,H2,H3, H4 คอ
H1 =
2
22 2
2b b w
w w w b wb b b
b cm r r
I m r m rI m r
H2 =
2 2
2
22 2
2
b b w
b b b
b b wb w w b w
b b b
m r r gI m r
m r rI m r m r
I m r
H3 =
22 2
22
2 2
b b w
w w w b w
b b wb b b
w w w b w
m r r b cI m r m r
m r rI m r
I m r m r
H4 = 2
2 2
b b
b b wb b b
w w w b w
m grm r rI m r
I m r m r
19
H5 =
12
2 22
b b ww w w b w
b b b
cm r r
I m r m rI m r
H6 =
12 2
22 2
b b w
w w w b w
b b wb b b
w w w b w
m r r cI m r m r
m r rI m rI m r m r
จากสมการ (9), (10), เราสามารถเขยนใหอยในรปปรภมเสต
x Ax Buy Cx Du
เราจะได ปรภมเสตของรถสองลอ คอ
0 1 0 0 00 1 2 0 50 0 0 1 00 3 4 0 6
ww
ww
bb
bb
H H Hu
H H H
1 0 0 0 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 0
w
w
b
b
y u
การออกแบบระบบควบคม
บทนนาเสนอการออกแบบตวควบคม ในงานวจยนระบบการควบคมทใชคอตวควบคมฟซซ
(fuzzy control) ในบทนประกอบดวย 4 สวน คอ Fuzzification, Inference mechanism, Rule base
และ Defuzzication
20
ภาพท 13 ตวควบคมฟซซ
ทมา: Passino and Stephen (1998)
ภาพท 13 แสดงตวควบคมฟซซ ซงประกอบดวย 4 สวน คอ
1. Rule Base
เซตของ กฎ If-Then ซงสรางโดยความรและเหตผลของผเชยวชาญ(expert knowledge)
ในการควบคมระบบ อยในรปของ IF Premise THEN Consequence ตวอยางการควบคมระบบ
ลกตมหวกลบ เชน
IF error is neglarge and change-in-error is neglarge THEN force is poslarge
IF error is zero and change-in-error is possmall THEN force is neglarge
IF error is poslarge and change-in-error is negsmall THEN force is negsmall
21
ภาพท 14 สภาวะตางๆ ของลกตมหวกลบ
ทมา: Passino and Stephen (1998)
ในกรณลกตมหวกลบ ม 2 input คอ error (e) และ change in error (e ) และ 5
linguistic value สาหรบแตละinput ดงนนจะม กฎทงหมด 52 = 25 rule ดงแสดงในตาราง xxx
ตารางท 1 Rule base ของระบบลกตมหวกลบ
“force” “change-in-error”
u -2 -1 0 1 2
“error”
e
-2 2 2 2 1 0
-1 2 2 1 0 -1
0 2 1 0 -1 -2
1 1 0 -1 -2 -2
2 0 -1 -2 -2 -2
ทมา: Passino and Stephen (1998)
2. Fuzzication
เราใหความหมายของ linguistic value โดยใช “membership function”
22
ภาพท 15 membership function ของ possmall
ทมา: Passino and Stephen (1998)
ฟงกชน ในภาพท 15 แสดงความแนนอนของ ( )e t ในการเปน possmall รปแบบ
ของmembership function แสดงดงภาพท 16
ภาพท 16 แสดงรปแบบตางๆ ของ membership function
ทมา: Passino and Stephen (1998)
เราเรยกเซตของจานวนใน membership function ทกาหนดโดย วา fuzzy set.
สาหรบ membership function ของ crisp set แสดงในภาพ 17
23
ภาพท 17 membership function สาหรบ crips set
ทมา: Passino and Stephen (1998)
Universe of discourse สาหรบ input และ output ของตวควบคมฟซซ คอ ระยะจากดท
คาของ input และoutput จะเปนได Membership function ของระบบลกตมหวกลบบนราง
เคลอนท แสดงในภาพท 18
ภาพท 18 Membership function สาหรบระบบลกตมหวกลบ
ทมา: Passino and Stephen (1998)
24
จากภาพท 18 สาหรบ input e , คา ของ / 2e และ / 2e จะมคาเทากบ
ของ / 2e และ / 2e , คา ของ / 4dedt
และ / 4dedt
จะมคาเทากบ ของ
/ 4dedt
และ / 4dedt
. สามเหลยมอนนอกสดของ output u ทาใหคาจากดของoutput
คอ 20N , จากภาพท xx ถาเราให ( ) / 4e t และ /16dedt
เราจะได
( ) 1
( / ) ( / ) 0.5possmall
zero possmall
ede dt de dt
3. Inference mechanism
ในกระบวนการ Inference mechanism มอย 2 ขนตอนคอ 1. Matching step และ
inference step
3.1 Matching step
หาวา กฎ(rule) ขอไหนทเขากบ input e และ dedt
เชน ( ) 0e t
และ / 8 / 32 0.294dedt
ดงภาพท 19
ภาพท 19 ไดอะแกรมแสดง กฎ(rule) ททางาน
ทมา: Passino and Stephen (1998)
25
จากภาพท 19 ม 2 rule ทางาน คอ
1. IF error is zero and change-in-error is zero Then force is zero
2. IF error is zero and change-in-error is possmall Then force is negsmall
ดงนนในระบบนจะม rule ทางานไดมากทสดคอ 4 rule , ถากาหนด / 8e
และ / 32dedt
เราจะได ( ) 0.5zero e และ ( / ) 0.25possmall de dt เราหา premise ไดจาก
minimum : min ( ), ( / )premise zero possmalle de dt min 0.5,0.25 0.25 หรอ
product : (0.5)(0.25) 0.125premise
สาหรบทกคา ( )e t และ dedt
โดย วธ minimum เราจะได premise ดงภาพท 20
ภาพท 20 premise ของ single rule
ทมา: Passino and Stephen (1998)
26
3.2 Inference step
พจารณา rule 1 : IF error is zero and change-in-error is zero Then force is zero
เราสามารถหา (1)premise ไดจาก
(1) min 0.25,1 0.25premise
Implied fuzzy set ทไดจาก rule 1 คอ
(1) ( ) min 0.25, ( )zerou u
พนทแรเงาในภาพท 21 แสดง Implied fuzzy set
ภาพท 21 Implied fuzzy set จาก rule1
ทมา: Passino and Stephen (1998)
พจารณา rule 2 : IF error is zero and change-in-error is possmall Then force is
negsmall เราสามารถหา (2)premise ไดจาก
(2) min 0.75,1 0.75premise
Implied fuzzy set ทไดจาก rule 1 คอ
(2) ( ) min 0.75, ( )negsmallu u
27
พนทแรเงาในภาพท 22 แสดง Implied fuzzy set
ภาพท 22 Implied fuzzy set จาก rule 2
ทมา: Passino and Stephen (1998)
4. Defuzzication
4.1 วธ Center of gravity (COG)
ให ib เปนจดกงกลาง(center)ของแตละmembership function ของ consequence
สาหรบแตละ rule i ,ในตวอยางน 1 0b , 2 10b ,ให ( )i แทนพนทใตmembership function
( )i และให crisp แทน output ทไดจาก ตวควบคมฟซ, เราหา crisp ไดจาก
( )
( )
i iicrisp
ii
bu
ดงนน
(0)(4.375) ( 10)(9.375) 6.814.375 9.375
crisp
28
ภาพท 23 COG method
ทมา: Passino and Stephen (1998)
4.2 วธ Center average
เราหา crisp โดยวธ Center average ไดจาก
( )
( )
i premise icrisp i
premise ii
bu
ดงนน
(0)(0.25) ( 10)(0.75) 7.50.25 0.75
crisp
กระบวนการทางานของตวควบคมฟซซแสดงดงภาพท 24
29
ภาพท 24 การทางานของตวควบคมฟซซ
ทมา: Passino and Stephen (1998)
ตวควบคมฟซซสาหรบรถสองลอ
บลอกไดอะแกรมระบบควบคมแสดงในภาพท 25 ดานลาง เราใชตวควบคมฟซซแบบ 2
input 1 output โดยม g1 เปน input scaling gain ของ error , g2 เปน input scaling gain ของ change
in error และ h0 เปน output scaling gain ,h1และh2 เปน scaling gain ของมอเตอรซายและขวาโดย
ม WR และ WG เปน weight ในการควบคมการเลยวผานทางผขบข
30
ภาพท 25 บลอกไดอะแกรมระบบควบคม
กาหนดให linguistic variable ( )e deg และ ( )e deg s ม 11 linguistic numeric value คอ
-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5 เราใช minimum operator เปนตวเชอม premise และใชวธ COG
defuzzication ให effective universe of discourse เปน 1 1 และ เราใช triangular membership
function ดงแสดง ในภาพท 26
ภาพท 26 Membership Function
31
เนองจากเราม 11 linguistic numeric value ของแตละอนพต ทาใหมจานวน rule ทงหมด
121(112) rule ดงแสดงในตารางท 2
ตารางท 2 Rule Base
u
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
e
-5 -5 -5 -5 -4 -4 -4 -3 -3 -2 -1 0
-4 -5 -5 -4 -4 -4 -3 -3 -2 -1 0 1
-3 -5 -4 -4 -4 -3 -3 -2 -1 0 1 2
-2 -4 -4 -4 -3 -3 -2 -1 0 1 2 3
-1 -4 -4 -3 -3 -2 -1 0 1 2 3 3
0 -4 -3 -3 -2 -1 0 1 2 3 3 4
1 -3 -3 -2 -1 0 1 2 3 3 4 4
2 -3 -2 -1 0 1 2 3 3 4 4 4
3 -2 -1 0 1 2 3 3 4 4 4 5
4 -1 0 1 2 3 3 4 4 4 5 5
5 0 1 2 3 3 4 4 4 5 5 5
จากการออกแบบตวควบคมฟซซ เราสามารถแสดงการทางานของตวควบคม โดยใช
Control surface ดงแสดงในภาพ 27 ดานลาง โดยมแกนนอนเปน input ของตวควบคม คอ e
และ e , แกนตงเปน output ของตวควบคม คอ u และ อตราขยาย g1,g2,h0 ซงหาไดจากการ
ทดลอง เทากบ 0.0665,0.06,24 ตามลาดบ
32
ภาพท 27 Control surface
การวดมมเอยง
ภาพท 28 ระบบ inclinometer ชนดลกตมภายใน
เราใช Optical inclinometer รน US digital T6ความละเอยด2500ครง/รอบ วดมมเอยงของ
ลกตมภายในเทยบกบตวเรอนภายนอก ภาพท 28 แสดงระบบ Inclinometer จากการทลกตมม
ความหนวงในตวมนเองมมทวดได t จงมความแมนยาเฉพาะทความถตาขณะทมมเอยงจรงคอ
เพอทจะสงเกตพฤตกรรมทางพลศาสตรของ Inclinometer เราไดตดตง Inclinometer กบชดทดลอง
33
ภาพท 29 แสดงโครงสรางระบบทดลอง
ภาพท 29 แสดงโครง สรางของระบบทดลองอปกรณวดมมเอยง ซงประกอบดวย Inclinometer,
ไจโรสโคป ,ตวตรวจรความเรง,มอเตอรกระแสตรง และ Encoder เพอวดมมทไดเทยบกบมมเอยงท
แทจรงทมาจาก Encoder
ภาพท 30 มมเอยงทไดจาก Inclinometer และ Encoder
ทาการปอนสญญาณ Sine wave ทความถแปรผนตงแต 0.25 Hz จนถง 2 Hz ภายในเวลา 60
วนาท ภาพท 30 แสดงผลตอบสนองมมเอยงเทยบกบเวลา ของ Inclinometer เอาตพต t เทยบกบ
มมเอยงจรงทวดไดจาก Encoder จากภาพท 30 ทความถสงขน Inclinometer ใหมมเอยงท
คลาดเคลอนทงขนาดและมมเฟส
34
สมการการเคลอนทของระบบจากรปท 28 โดยไมคดคา y สามารถหาไดจากกฎของนวตน
คอ
sin
cost t
t
J c mgl
mlx
(19)
โดยท J คอโมเมนตความเฉอย, m คอมวลของ pendulum, l คอระยะจากจดหมนถงมวล
pendulum และ c คอ คาคงทความหนวง ทาใหเปนเชงเสนรอบจด zero equilibrium point และ
แปลงลาปาส กจะไดฟงกชนถายโอนดงสมการ
2
2
2
2
( )
( )( )
t
s mgl Js s
s c J s mgl J
ml J sX s
s c J s mgl J
(20)
โดยท t s , s , ( )X s คอ การแปลงลาปาสของ ( ), ( ), ( )t t t x t ตามลาดบ
Chatlatanagulchai et al. (2008) ไดหาตวแปรทไมทราบคา J cและ ml c ของ Inclinometer
รนน โดยใสสญญาณแปรผนความถใหกบมอเตอร จากนนนาสญญาณทไดจาก encoder และ
inclinometer ไปคานวณโดยเทคนค Linear least square ไดคา J c= 0.0022 และ ml c = 1.0314
เราใชอเลคทรอนกสไจโรสโคปรน IDG500 ในการศกษาพฤตกรรมทางพลศาสตรของ
ไจโรสโคป เราตดตงทตาแหนงเดยวกนกบ Inclinometer และปอนสญญาณเดยวกนใหแกมอเตอร
ผลตอบสนองของไจโรสโคป g เทยบกบความเรวเชงมมทไดจากEncoder แสดงในภาพท 31จาก
ภาพเอาตพตจากไจโรสโคปมbias ประมาณ 5.9 rad/s หลงจากหกลบbias ออกและจากการ
อนทเกรตสญญาณ จะไดมมเอยงดงภาพท32 แสดงถงความผดพลาดในขนาดของมมเอยง (ไจโรดรฟ)
ทไดจากอนทเกรตเอาตพตจากไจโรสโคปทาใหเกด bias ทไมทราบคาและแปรผนกบเวลา
สญญาณ ความเรงในแนวระดบ xใน(19) สามารถวดไดจาก ตวตรวจรความเรง
35
ภาพท 31 ความเรวเชงมมจาก ไจโรสโคป และ Encoder
ภาพท 32 มมเอยงจาก Encoder และจากอนทเกรตสญญาณไจโรสโคป
เราไดพฒนาตวสงเกตสถานะแบบเหมาะสมทสด(Optimal observer) หรอ คาลมาน
ฟลเตอร เพอประมาณมมเอยงทแทจรง ภาพท33 แสดงบลอก ไดอแกรม การประมาณคาสถานะ
โดยมสญญาณอนพตคอ g จากไจโรสโคป, t จาก inclinometer และ x จากตวตรวจรความเรง
36
ภาพท 33 บลอกไดอะแกรมการประมาณคาสถานะ
จากสมการถายโอนของระบบ (19) สามารถจดใหอยในปรภมสถานะแบบ observable-
canonical-form
1 1
2 2
10
00 /
x xc Jx xmgl J
c Jx
ml J
1
2
1 0t t
xv
x
(21)
โดยท tv คอ Inclinometer measurement noise แบบจาลองไจโรสโคปสามารถแสดงได
ดวยสมการ
1
g gv
(22)
โดยท g คอความเรวเชงมมทไดจากไจโรสโคป, คอความเรวเชงมมจรง, gv คอ gyro
measurement noise, และ คอbiasและscaling factor ตามลาดบสาหรบแบบจาลอง ไจโร bias
เราใชสมการ
bv (23)
โดยท bv คอ White noise
จาก (21) และ (22) เราจะไดสมการปรภมสเตต
37
11
22
0 0 0 01 0 0 00 10 0 0
xc J c Jxxmgl Jx
0 00
0 00
g
xml J
0 1 00 00 0 0
0 0
x
b
g
vvv
ml J
1
2
0 1 1t tc vxx
(24)
โดยท xv คอ Accelerometer measurement noise
ซงอยในรปแบบมาตรฐานของ
z Az Bu Gv
t tCz v
จาก Lewis and Syrmos (1995) เราไดคาลมานฟลเตอรจากสมการ
ˆ ˆ ˆ( )tz Az L Cz Bu (25)
หา คาอตราขยายคาลมาน L ไดจากสมการ
1TL PC R (26)
และ Error Covariance ARE
38
1 0T T TAP PA GQG PC R CP (27)
โดยท P คอ Steady-state error covariance, Q และR คอ Covariance matrix of the
process noise vector และ Covariance matrix of the measurement noise vector ตามลาดบ
เลอก {0.1 0.1 0.1 0.1}Q diag และ 0.01R จาก(27) และ (26) เราจะได อตราขยาย
คาลมาน [ 1.1 0.95 0.47 226.53]TL
39
ผลการทดลองและวจารณ
ผลการทดลองตววดมมเอยง
เราไดทดลองตวสงเกตสถานะทออกแบบไวในหวขอท 3 โดยการหมนกลบไปกลบมาตาม
สญญาณsine wave และไมมความเรงในแนวระดบ อปกรณวดมมเอยงไดถกตดทตงศนยกลางการ
หมน แผนผงการตอการทดลองแสดงใน ภาพท 34 ประกอบดวยอปกรณทดสอบการวดมมเอยง,
Host computer และ Target computer
ภาพท 34 แผนผงการตอการทดลอง
ภาพท 35 มมประมาณทความถ 0.5 Hz
40
ภาพท 36 มมประมาณทความถ 1 HZ
ภาพท 37 มมประมาณทความถ 1.5 Hz
ภาพท 35, 36, 37 แสดงคาประมาณมมเอยงจากตวสงเกตเทยบกบมมเอยงจรงทไดจาก
Encoder ทความถเทากบ 0.5,1และ1.5 Hz ตามลาดบ จากรปแสดงใหเหนวามมทประมาณ ไดจาก
คาลมานฟลเตอร ใหผลทแมนยา มความผดพลาด นอยลงและตอบสนองไดอยางรวดเรว
41
ผลการทดลองรถสองลอ
ผลการทดลองรถสองลอ ประกอบดวย 2 สวนคอผล จากการจาลองระบบ ดวยโปรแกรม
MATLAB และผลจากการทดลองจรง
1. ผลการจาลองดวยโปรแกรม MATLAB
ภาพท 38 ผลการจาลองระบบเมอใหมมเรมตนทคา 10 องศา
42
ผลการจาลองแสดงดงภาพท 38 เรากาหนดคาเรมตน มมเอยง b 10 องศาและ คาเรมตน
มมลอ w 10 องศา แสดงใหเหนถงตวควบคมแบบฟซซสามารถทาใหผขบขรกษาสมดลได ระบบ
จะเขาสจดสมดลเมอเวลา 3 วนาท ความเรวเชงมมของลอ w และ ความเรวเชงมมของคน b เขาส
สมดล 0 ( / )deg s ท3วนาทเชนกน
ภาพท 39 ผลการจาลองตวควบคมรถสองลอดวย Matlab เมอมสงรบกวนระบบ
ภาพท 39 แสดงผลตอบสนองของรถสองลอเทยบกบเวลา กาหนดคาเรมตน b 10 องศา
จากการจาลอง รถสองลอวงเขาสจดสมดล 0 องศา ทเวลา 3 วนาท จากนนเราใสสงรบกวนจาก
ภายนอกระบบเขาไปทเวลา 5 วนาท ในการจาลองของระบบใชสญญาณรบกวนแบบ unit impulse
43
จากภาพท 39 แสดงใหเหนวา ตวควบคมฟซซ สามารถกาจดสงรบกวนเนองจากแรงภายนอก และ
กลบ เขาสสภาวะสมดลได
ภาพท 40 ผลการจาลองระบบเมอใหสงรบกวนระบบเปน Sine wave
ภาพท 40 กาหนดคาเรมตน b 10 องศา และ จาลองของระบบโดยใชสญญาณรบกวนจาก
ภายนอกแบบ sine จากภาพท 40 แสดงใหเหนวา ผขบขสายไปมาอยในชวงระหวาทมสญญาณ
รบกวน และระบบไมเสยสมดล
44
2. ผลการทดลองจรง
2.1 การทรงตวในตาแหนงหยดนง
จากการทดสอบดงภาพท 41 พบวา รถสองลอสามารถทรงตวอยกบทได ในขณะ
มผขบขขนไปยนบงคบ และสามารถทดทานสงรบกวนจากแรงผลกภายนอกได
ภาพท 41 การทรงตวบนรถสองลอ
ภาพท 42 แสดงมมเอยงของรถสองลอเทยบกบเวลา เนองจากการสนไหวของขอเทาของผ
ขบขทาใหเกดมมแกวงอยในชวงไมเกน 20 deg อยางไรกตามวาตวควบคมฟซซยงสามารถ
ควบคมการทรงตวของรถสองลอไวได
45
ภาพท 42 มมเอยงของรถสองลอขณะทรงตวอยกบท
2.2 การเคลอนทไปขางหนาและขางหลง
จากภาพท 43 การเคลอนทไปขางหนาอาศยการเอยงตวไปขางหนาของผขบข
และสามารถเคลอนทไปขางหลงไดโดยการเอยงตวไปขางหลงของผขบขเชนกน
46
ภาพท 43 การเคลอนทไปขางหนา
2.3 การเคลอนทเลยวซายและเลยวขวา
รถสองลอเลยวซายขวาไดอยางอสระโดยผขบขสามารถปรบ potentiometer เพอ
scaling amplitude ของสญญาณปอนเขา motor ซายและขวา ทาใหสามารถเลยวไดตามตองการ
ภาพท 44 การเคลอนทเลยวขวา
47
สรปและขอเสนอแนะ
เราไดพฒนาตวควบคมฟซซแบบ2อนพต 1เอาทพท แตละอทพตม 11 linguistic numeric
value ทาใหเราม Rule base ทงหมด 121 Rule (112 ) เราใช minimum operator เปนตวเชอม premise
และใชtriangular membership function เราใชวธ COG defuzzication ให effective universe of
discourse เปน [-1,1] โดยมอตราขยายอนพต g1,g2 และอตราขยายเอาทพต h ซงไดจากการทดลอง
เราหาสมการทางคณตศาสตรของรถสองลอโดยใชสมการลากรานจ จะคานวณจากสมการ
พลงงานศกยและพลงงานจลนในรปของตวแปรพกด และจาลองระบบโดยใชโปรแกรม Matlab
Simulink จากการจาลองพบวาตวควบคมฟซซทออกแบบ สามารถรกษาสมดลของรถสองลอได
ในขณะหยดนง เมอมสงรบกวนจากภายของทเปนสญญาณรบกวนแบบ unit impulse และแบบ
sine wave ตวควบคมฟซซทออกแบบกยงสามารถรกษาสมดลได
เราไดทาการทดลองจรงโดยใหผขบขขนไปบงคบรถสองลอ พบวาตวควบคมฟซซท
ออกแบบสามารถ รกษาสมดลไวไดขณะหยดนงโดยทผขบขไมลมลง และผขบขสามารถเคลอนท
ไปดานหนาหรอดานหลงโดยการโนมตวไปดานหนาหรอหลง ผขบขสามารถเพมหรอลดความเรว
ของรถสองลอไดโดยใชขนาดการโนมเอยงทมากขนหรอนอยลง นอกจากน ผขบขยงสามารถเลยว
ซายหรอขวาไดโดยการปรบ potentiometer เพอ Scaling สญญาณทสงไปท motor ซายหรอขวา
การสนไหวของขอเทาของผขบขทเกดจากความไมเคยชน จะทาใหเกดสงรบกวนระบบ
แมวาตวควบคมฟซซของรถสองลอจะยงรกษาสมดลไวไดแตกทาใหการบงคบรถลองลอเกดความ
ยากลาบาก
การออกแบบ Rule Base ทง 121 rule ของตวควบคมฟซซ ทมาจากความรความเขาใจใน
การบงคบควบคมระบบของผออกแบบ มผลอยางมากในประสทธภาพของการควบคม การออกแบบ
Rule base ทไมเหมาะสมจะทาใหประสทธภาพของการควบคมลดลงหรอทาใหระบบไรเสถยรภาพได
48
เอกสารและสงอางอง
Baerveldt, A.J. and R. Klang. 1996. A low-cost and low-weight attitude estimation system for
an autonomous helicopter, pp 391-395. In Proceedings of IEEE Conf. Intelligent
Engineering System.
Binhayihmat, W. and W. Chatlatanagulchai. 2011. Inclination Angle Estimation Using Kalman
Filter and Low-Cost Sensors. Conference of the Mechanical Engineering Network of
Thailand. (ME-NETT 25). 19-21 Oct. 2011.
Chatlatanagulchai, W., K. Yaovaja and T. Siritanapipat. 2008. Design of servo systems for a
two-wheeled robot using integrators-augmented observer-based LQR.
Journal of Research in Engineering and Technology 5(4): 114-120.
Ching-Chih, T., H. Hsu-Chih and L. Shui-Chun. 2010. Adaptive Neural Network Control of a
Self-Balancing Two-Wheeled Scooter. IEEE Transaction on Industrial Electronic,
57(4): 178-215.
Grasser, F., A.D. Arrigo, S. Colombi and A. Ruffer. 2002. JOE: A Mobile, Inverted Pendulum.
IEEE Transactions on Industrial Electronics 49(1): 87-93.
Hashimoto, M. and F. Oba. 1993. Dynamic control approach for motion coordination of
multiple wheeled mobile robots transporting a single object, Proceedings of 1993
IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems 18(1): 1944-1951.
Ha, Y. and S. Yuta. 1996. Trajectory Tracking Control for Navigation of The Inverse Pendulum
Type Self-contained Mobile Robot. Robotic and Autonomous System 17(1-2): 65-80.
Kodagoda, K.R.S., W.S. Wijesoma and E.K. Teoh. 2002. Fuzzy Speed and steering control of an
agv. IEEE Transaction on Control System Technology 10(1): 135-147.
49
Leavitt, J., A. Sideris and J.E. Bobrow. 2006. High Bandwidth Tilt Measurement Using
Low-Cost Sensors. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics 11(3): 158-173.
Lewis, F.L. and V.L. Syrmos. 1995. Optimal Control. John Wiley & Sons, New York.
L.Wang, S. Zheng, X. Wang and L. Fan. 2010. Fuzzy control of a double inverted
pendulum based on information fusion. Conference on Intelligent Control and
Information Processing (ICICIP) 13-15 Aug 2010, Dalian, China.
Rehbinder, H. and X. Hu. 2004. Drift-free attitude estimation for accelerated rigid bodies.
Automatica 40: 653-659.
Sasaki, M., N. Yanagihara, O. Matsumoto and K. Komoriya. 2004. Forward and Backward
motion control of Personal riding-type wheeled mobile platform, pp.3331- 3336.
Conference on Robotics and Automation, 2004 IEEE International
April 26-May 1, 2004
Sasaki, M., N. Yanagihara, O. Matsumoto and K. Komoriya. 2005. Steering control of the
personal riding-type wheeled mobile platform (PMP), pp. 1697- 1702.
Conference on Intelligent Robots and Systems, 2005 IEEE/RSJ International.
(IROS 2005). 2-6 Aug. 2005.
50
ประวตการศกษา และการทางาน
ชอ-นามสกล นายวชรพล บลหะยหมด
วน เดอน ป ทเกด วนท 28 พฤษภาคม 2528
สถานทเกด จงหวดกรงเทพมหานคร
ประวตการศกษา ปรญญาตร วศวกรรมศาสตรบณฑต
มหาวทยาลยเกษตรศาสตร(บางเขน) พ.ศ. 2550
ทนการศกษาทไดรบ สถาบนวจยและพฒนาแหงมหาวทยาลยเกษตรศาสตร