Carro com auto-equilíbrio em duas rodas, modelagem, simulação do sistema não linear e linearização

Autores

DOI:

https://doi.org/10.5902/2179460X87047

Palavras-chave:

Sinais e sistemas, Teoria de controle, Sistemas não lineares, Linearização, Simulação

Resumo

A aplicação da teoria de sinais e sistemas e da teoria de controle estudadas nos cursos de engenharia elétrica e engenharia mecânica requer dispositivos de manuseio sofisticados, caros e delicados. As ferramentas matemáticas que são ensinadas nas disciplinas de sinais e sistemas e teoria de controle no curso de graduação são muitas vezes abstratas, principalmente em termos de aplicação prática em ambiente industrial, o que torna necessária a utilização de plantas de controle didáticas para complementar o ensino e a experimentação prática. Este artigo apresenta um sistema de carro com autoequilíbrio de duas rodas de baixo custo como ferramenta de ensino para engenharia. O carro com equilíbrio automático de duas rodas é um sistema de referência dinâmico projetado para controlar o carro na posição vertical. O carro consegue se manter equilibrado por meio de cálculos que analisam o ângulo do giroscópio e a posição das rodas. Drivers de motor CC são usados para compensar a inclinação e equilibrar o carro. Como o objetivo do artigo é servir de material de apoio para alunos de graduação que estão dando os primeiros passos no estudo de sinais e sistemas e teoria de controle, são apresentadas modelagens detalhadas pelas leis da física, juntamente com a simulação do modelo não linear do sistema e uma linearização completa do modelo.

Downloads

Não há dados estatísticos.

Biografia do Autor

Pedro Henrique Rodrigues da Rosa, Universidade Federal de Santa Maria

Discente do curso de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Santa Maria - Cachoeira do Sul

Vandrei Rubin Steffanello, Universidade Federal de Santa Maria

Discente do curso de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Santa Maria - Cachoeira do Sul

André Caldeira, Universidade Federal de Santa Maria, Cachoeira do Sul, RS

Possui curso técnico em Informática Industrial pela E.T. Juscelino Kubitschek (1999) e eletromecânica pelo CFP - Usiminas (menor aprendiz) (1999). Graduação em Engenharia Elétrica pelo Centro Universitário do Leste de Minas Gerais (2007). Mestrado pelo programa de pós-graduação do CEFET-MG/UFSJ, em que foram desenvolvidas pesquisas na área de controle robusto, em especial tratando de análise estabilidade e projeto de controladores H-infinito de sistemas com atraso no vetor de estados utilizando otimização convexa (LMI's) e não convexas. Doutorado pelo programa de pós-graduação do Departamento de Automação e Sistemas (DAS) na instituição de ensino UFSC e pela École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal - (EEATS), laboratório Genoble Images Parole Signal Automatique (Gipsa), Université Grenoble Alpes (UGA ) em que foram desenvolvidas pesquisas sobre sistemas regidos por equações diferenciais parciais hiperbólicas de primeira ordem em Coordenadas de Riemann, controle de contorno de sistemas hiperbólicos de primeira ordem, sistemas singulares, sistemas com atraso no vetor de estados, sistemas singulares 2-D (Roesser, Fornasini-Marchesini e Geral ) e analise de estabilidade local (estimação de região de atração) e controle robusto de sistemas não lineares quadráticos com atraso na entrada.

Charles Rech, Universidade Federal de Santa Maria

Doutor em Engenharia Mecânica, Professor do curso de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Maria - Cachoeira do Sul.

Cristiano Frandalozo Maidana, Universidade Federal de Santa Maria

Doutor em Engenharia Mecânica, Professor do curso de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Maria - Cachoeira do Sul.

Simone Ferigolo Venturini, Universidade Federal de Santa Maria

Mestre em Engenharia Mecânica, Professora do curso de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Maria - Cachoeira do Sul

Referências

Arvidsson, M. and Karlsson, J. (2012). Design, construction and verification of a selfbalancing vehicle.

Fang, J. (2014). The lqr controller design of two-wheeled self-balancing robot based on the particle swarm optimization algorithm. Mathematical Problems in Engineering, 2014:1–6.

Galicki, M. (2016). Robust task space trajectory tracking control of robotic manipulators. International Journal of Applied Mechanics and Engineering, 21(3):547–568.

Grasser, F., D’Arrigo, A., Colombi, S., and Rufer, A. (2002). Joe: A mobile, inverted pendulum. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 49:107 – 114.

Jeong, S. and Takahashi, T. (2008). Wheeled inverted pendulum type assistant robot: design concept and mobile control. Intelligent Service Robotics, 1(4):313–320.

Jim´enez, F., Ruge, I., and Jim´enez, A. (2020). Modeling and control of a two wheeled self-balancing robot: a didactic platform for control engineering education. International Multi-Conference for Engineering, Education, and Technology, LACCEI.

Johnson, A. M. and Nasar, A. (2017). Design and development of a two wheeled self balancing robot for an application of object carrying. Int. Journal of Engineering Research and Technology, 6:580–587.

Kocaturk, B. (2015). Motion control of wheeled mobile robots. Interdisciplinary Description of Complex Systems, 13:41–47.

Kung, F. (2019). A tutorial on modelling and control of two- wheeled self-balancing robot with stepper motor. Applications of Modelling and Simulation, 3(2):64–73.

Majczak, M. and Wawrzynski, P. (2015). Comparison of two efficient control strategies for two-wheeled balancing robot. In 2015 20th International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), pages 744–749. IEEE.

Mates¸ic˘a, I., Nicolae, M., B˘arbulescu, L., and M˘argerus¸eanu, A.-M. (2016). Self-balancing robot implementing the inverted pendulum concept. In 2016 15th RoEduNet Conference: Networking in Education and Research, pages 1–5.

Shino, M., Tomokuni, N., Murata, G., and Segawa, M. (2015). Wheeled inverted pendulum type robotic wheelchair with integrated control of seat slider and rotary link between wheels for climbing stairs. Proceedings of IEEE Workshop on Advanced Robotics and its Social Impacts, ARSO, 2015:121–126.

Takei, T., Imamura, R., and Yuta, S. (2009). Baggage transportation and navigation by a wheeled inverted pendulum mobile robot. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 56(10):3985–3994.

Downloads

Publicado

2024-11-08

Como Citar

Rosa, P. H. R. da, Steffanello, V. R., Caldeira, A., Rech, C., Maidana, C. F., & Venturini, S. F. (2024). Carro com auto-equilíbrio em duas rodas, modelagem, simulação do sistema não linear e linearização. Ciência E Natura, 46(esp. 3), e87047. https://doi.org/10.5902/2179460X87047

Artigos mais lidos pelo mesmo(s) autor(es)