Проектирование системы управления на основе MPC для стабилизации двухколесного робота-балансира

Автор(ы): Ткаченко А.А.

Выпуск: 95

Рубрика: Управление подвижными объектами и навигация

Год: 2022

Библиография: Ткаченко А.А. Проектирование системы управления на основе MPC для стабилизации двухколесного робота-балансира // Управление большими системами. Выпуск 95. М.: ИПУ РАН, 2022. С.119-135. DOI: https://doi.org/10.25728/ubs.2022.95.7

Дата опубликования: 31.01.2022

Ключевые слова: модель управления с прогнозированием, система управления, робот-балансир, математическая модель

Аннотация: Целью данной работы является решение задачи проектирования системы управления на основе Model Predictive Control (MPC) для линейной Multiple Input Multiple Output (MIMO)-системы двухколесного робота-балансира. В наши дни данные роботы стали популярными проектами многих крупных компаний. В их числе одна из самых известных компаний, занимающаяся разработкой человекоподобных роботов, – Boston Dynamics. Но идея создания подобного типа роботов не обошла стороной и инженеров-любителей со всего мира, которые стали разрабатывать двухколесных балансирующих роботов для использования в качестве офисных помощников, средств передвижения и просто ради академического интереса. В работе рассмотрен процесс построения математической модели механической системы робота, а также выполнена линеаризация полученной модели. Представлены основные принципы построения системы управления на основе MPC для линейных систем без внешних возмущений, а также с использованием наблюдателя для оценки состояний модели при влиянии аддитивных белых гауссовских шумов. Приведен пример реализации данного алгоритма управления в среде Matlab Simulink для случая MIMO-системы, в качестве которой выступает модель двухколесного робота.

Author(s): Tkachenko A.

Article title: Design of MPC-based control system for stabilizing a two-wheeled self-balancing robot

Issue: 95

Year: 2022

Keywords: model predictive control, control system, self-balancing robot, mathematical model

Abstract: The purpose of this work is solving the problem of designing a control system based on Model Predictive Control (MPC) for a linear Multiple Input Multiple Output (MIMO) system of a two-wheeled self-balancing robot. These robots have become popular projects of many companies nowadays. One of the most famous companies engaged in the development of humanoid robots Boston Dynamics among them. Nevertheless, the idea of creating such type of robots did not pass by amateur engineers from all over the world, who began develop two-wheeled self-balancing robot for use as office assistants, vehicles and just for academic interest. The paper considers the process of constructing a mathematical model of the robot's mechanical system and linearization of the resulting model is performed. The basic principles of constructing an MPC-based control system for linear systems without external disturbances, as well as using an observer to evaluate the states of the model under the influence of additive white Gaussian noise are presented. Examples of implementation in the Matlab/Simulink environment for the case of a MIMO system, which is a model of a two-wheeled robot, are given.