Construção, modelagem e controle de um pêndulo com roda de reação utilizando técnicas modernas
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Data
2022-04-25
Autores
Andreassa, Marcio Maesta
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Este trabalho tem o foco na modelagem e controle do pêndulo invertido por roda de reação. É uma variante relativamente nova do pêndulo invertido com dinâmica não linear, que utiliza como atuador uma roda de reação para troca de momento angular, que tem sido de interesse às áreas de robótica, pesquisa, acadêmica e aeroespacial. Esta dissertação propõe a modelagem e controle para elevar o pêndulo e estabilizá-lo em um ponto de equilíbrio instável. O pêndulo foi construído com estruturas mecânicas de baixo custo, e também é empregado uma simulação pelo software Matlab Simulink, para análise de desempenho a partir dos parâmetros calculados e obtidos experimentalmente. Para levar o pêndulo até a vizinhança do ponto de equilíbrio instável, foi aplicado um método inspirado no controle de energia, desenvolvendo um movimento denominado swing up. O controlador linear empregado para estabilizar o pêndulo sobre um ponto de um equilíbrio instável consiste de um controle por realimentação de estados. Para a troca de controladores em suas regiões de atuação, foi desenvolvida uma estratégia de chaveamento. A estratégia de chaveamento foi implementada por um microcontrolador, sendo o motor da roda de reação alimentado a partir de uma ponte H. Um software de supervisão e aquisição de dados foi implementado no modelo experimental, com qual é possível, em tempo real, ajustar os ganhos dos controladores e analisar as respostas em gráficos.
This work focuses on the modeling and control of a reaction wheel pendulum. It is a relatively new variant of the inverted pendulum with nonlinear dynamics, that uses a reaction wheel as an actuator to exchange angular momentum, which has been of interest, for instance, in robotics, research and aerospace. This dissertation proposes the modeling and control to raise the pendulum and stabilize it an unstable equilibrium point. The pendulum was built with low-cost mechanical structures, and the numerical simulation was carried out using Simulink software, to verify the performance analysis based on the calculated parameters and those obtained experimentally. To bring the pendulum to the neighborhood of an unstable equilibrium point, a method inspired in energy control is applied, developing a movement called swing up. The linear controller used to stabilize the pendulum over an unstable equilibrium point consists of a state feedback control. For the switch of controllers in their operating regions, a switching strategy is developed. The switching strategy was implemented by a microcontroller, with the reaction wheel being powered with an H-bridge. A supervision and data acquisition software is implemented in the experimental model, in which it is possible, in real time, to adjust the gains of the controllers and analyze the responses in graphs.
This work focuses on the modeling and control of a reaction wheel pendulum. It is a relatively new variant of the inverted pendulum with nonlinear dynamics, that uses a reaction wheel as an actuator to exchange angular momentum, which has been of interest, for instance, in robotics, research and aerospace. This dissertation proposes the modeling and control to raise the pendulum and stabilize it an unstable equilibrium point. The pendulum was built with low-cost mechanical structures, and the numerical simulation was carried out using Simulink software, to verify the performance analysis based on the calculated parameters and those obtained experimentally. To bring the pendulum to the neighborhood of an unstable equilibrium point, a method inspired in energy control is applied, developing a movement called swing up. The linear controller used to stabilize the pendulum over an unstable equilibrium point consists of a state feedback control. For the switch of controllers in their operating regions, a switching strategy is developed. The switching strategy was implemented by a microcontroller, with the reaction wheel being powered with an H-bridge. A supervision and data acquisition software is implemented in the experimental model, in which it is possible, in real time, to adjust the gains of the controllers and analyze the responses in graphs.
Descrição
Palavras-chave
Pêndulo invertido por roda de reação, Hardwares de baixo custo, Controladores lineares, Software SCADA, Swing up, Reaction wheel pendulum, Low cost hardware, Linear controllers