TWO-WHEELED SINGLE-TRACK VEHICLES SELF BALANCING SYSTEM AND CONTROL DESIGN

TWO-WHEELED SINGLE-TRACK VEHICLES SELF BALANCING SYSTEM AND CONTROL DESIGN. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
MSthesisfinal21stdec.pdf
Restricted to Repository staff only until 21 December 2022.

Download (5MB)

Arabic Abstract

تتمتع المركبات ذات العجلتين بالعديد من المزايا مثل الحجم الصغير واستهلاك الطاقة المنخفض والتكاليف المنخفضة للتصنيع والصيانة والتشغيل. إن تطوير أنظمة مستقلة لمثل هذه المركبات يؤثر بشكل مباشر ويوسع نطاق تطبيقاتها. يمكن استخدام المركبات ذات العجلتين بدون سائق في عمليات التسليم والقتال، ومساعدة متعلمي الدراجات والسماح لذوي الإعاقة في الساق بركوب الدراجات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لهذه المركبات تقليل حركة المرور والحوادث الناجمة عن الخطأ البشري. ومع ذلك، فإن تصميم نظام التوازن الذاتي والتحكم في المركبات ثنائية العجلات ذات المسار الواحد أمر بالغ الأهمية لتطوير المركبات المستقلة وتحقيق جميع الفوائد المذكورة أعلاه. لذلك، جذب هذا المجال الكثير من الاهتمامات البحثية. تقدم هذه الدراسة مراجعة حديثة للتصاميم وأنظمة التحكم في البحوث السابقة لتحقيق التوازن الذاتي والتي تم تصنيفها على النحو التالي: التحكم بعزم المدوار (الجيروسكوب)، والتحكم في التوجيه ، والتحكم في عجلة التفاعل، والتحكم في الكتلة المتحركة. التحكم بعزم الجيروسكوب والتحكم في التوجيه هما أكثر الفئات تم البحث عنها لتحقيق التوازن الذاتي. تقترح الدراسة الحالية نهجًا جديدًا لتحقيق التوازن الذاتي من خلال استخدام نظام تحكم مشتق متكامل متناسب (PID). ببساطة ، يتكون التصميم المبتكر من مروحتين كهربائيتين أنبوبية (EDF) تدفعان الهواء عكس اتجاه السقوط وبالتالي تحافظ على التوازن. إذا سُمح لهذه المحركات بالتحرك بدرجتين من الحرية ، فإن محركات EDF ستدفع وتقلل من وزن العجلتين مع الحفاظ على الثبات. على حد علمنا ، لم تقترح أي دراسة نظامًا يوفر في وقت واحد الدفع وخفض الوزن إلى جانب تحقيق التوازن الذاتي. تم توضيح آلية العمل لوحدة التحكم PID arducopter المستخدمة والتي تستخدم مستشعر IMU وتستخدم مرشحًا تكميليًا غير خطي على مجموعة متعامدة خاصة لتحديد الزوايا العجاف في أي لحظة من الوقت وحلقة تغذية مرتدة للحفاظ على موضع النظام عند الصفر المستقيم المطلوب درجة زاوية الميل. بعد ذلك ، يتم اختبار وحدة التحكم PID المقترحة أولاً على نموذج صغير الحجم للتحقق من صحة المفهوم المطور لتحقيق التوازن الذاتي من خلال استخدام محركات EDF. بعد تحقيق نتائج ناجحة على النموذج الصغير وبالتالي تحقيق خطوة التحقق ، يتم اختبار المفهوم المقترح مقابل نموذج كامل الحجم (دراجة نارية) من خلال تصميم الأجزاء الميكانيكية والكهربائية. تنقسم المنهجية إلى ثلاث خطوات رئيسية - تصميم الأجزاء الميكانيكية وتصنيعها ، وتصميم المكونات الكهربائية وتصميم نظام التحكم. علاوة على ذلك ، تم تصميم ثلاث آليات على عجلتين كبيرتين وكبير الحجم للتحكم في التوجيه والفرامل والخانق عبر جهاز التحكم عن بعد في جهاز الاستقبال والتحكم الذاتي

English Abstract

Two wheeled vehicles have several advantages such as compact size, low energy consumption and low costs for manufacturing, maintenance and operation. Developing autonomous systems for such vehicles directly impacts and broadens their scope of applications. Unmanned two wheeled vehicles can be used for delivery and combat operations, assist bike learners and allow leg disabled people to ride bikes. Additionally, these vehicles can minimize traffic and accidents caused by human error. However, self balancing system design and control of two wheeled single track vehicles is crucial to develop autonomous vehicles and attain all the aforementioned benefits. Therefore, this area has attracted a lot of research interest. This study presents a state of the art review of the designs and control systems in the literature to achieve self balance which are categorized as follows: control moment gyroscope, steer control, reaction wheel control and moving mass control. Control moment gyroscope and steer control are the most researched categories used to achieve self balance. Additionally, the current study proposes a novel approach to achieve self balance by employing a proportional integral derivative (PID) control system. Simply put, the innovative design consists of two electric ducted fans (EDF) that propel air against the direction of fall and thereby maintain balance. If these motors are allowed to move in two degrees of freedom, the EDF motors will propel and reduce weight of the two wheeler while maintaining stability. To the best of our knowledge, no study has proposed a system that simultaneously provides propulsion and weight reduction along with achieving self balance. The working mechanism of the utilized PID arducopter controller is elucidated which utilizes an IMU sensor and employs a nonlinear complementary filter on the special orthogonal group to determine the lean angles at any instant of time and a feedback loop to maintain the system’s position at the desired upright zero degrees lean angle. Next, the proposed PID controller is first tested on a small scale model to validate the developed concept to achieve self balance by employing EDF motors. After achieving successful results on the small scale model and thereby attaining the step of validation, the proposed concept is tested against a full scale model (motorbike) by designing the mechanical and electrical parts. The methodology is divided into three major steps – mechanical parts design and manufacture, electrical components design and control system design. Furthermore, three mechanisms are designed on a full sized large scale two wheeler to control steering, braking and throttle via a remote transmitter receiver control and autonomous control.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Engineering
Research
Electrical
Mechanical
Department: College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor: Alzaydi, A.
Committee Members: Hawwa, M.A. and Ali, U.
Depositing User: MIRZA SAHALUDDIN (g201476100)
Date Deposited: 21 Dec 2021 06:28
Last Modified: 21 Dec 2021 06:28
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141992