Progettazione di un controllo per un sistema di stabilizzazione giroscopica per veicoli a due ruote

At rest, two-wheeled vehicles are intrinsically unstable around their vertical equilibrium position. In urban environments, characterized by frequent starts and stops, stabilizing the vehicle in this position would allow a safer and more comfortable driving experience. The objective of this work is to design a control system for an industrial gyro-stabilized two-wheeled vehicle. The gyro stabilization system creates a stabilizing torque on the vehicle based on the conservation of angular momentum. For example, this system can be composed of a spinning disk that is attached to the roll axis of the vehicle. When an external momentum is applied to change the direction of the spin axis of the disk, the reactive precession torque can be used as a stabilizing torque for the vehicle. This thesis focuses on two control objectives: the first is to stabilize the vehicle around its vertical equilibrium, while the second is to bring back the gyroscopes to a zero tilt angle, in order to allow successive stabilizing maneuvers. Two different state-space representations have been derived: the first approximates the system as a torque controlled inverted pendulum; the second one considers a more complex model including also the gyroscope tilting dynamic. Different strategies have been implemented and their performance is compared. Starting from a simple regulator like a real Proportional Derivative controller, more advance control strategies have been considered, like Sliding mode control, which is a technique that is more robust to model parameters uncertainties. The performed simulations have allowed the study of the controlled system response dependent on the choice of the parameters of the regulator and on the actuator dynamic modelling. In order to better understand the trend of the variables of interest, an Optimal Control problem has been solved considering different formulations. Eventually, a control strategy that takes the optimum trajectories as reference to the sliding mode controller has been proposed.

In condizioni statiche, i veicoli a due ruote sono intrinsecamente instabili attorno alla loro posizione di equilibrio verticale. Immaginando un contesto urbano, caratterizzato da numerose frenate e ripartenze, stabilizzare il veicolo in tale posizione di equilibrio permetterebbe di aumentare il comfort e la sicurezza di guida. Lo scopo di questo elaborato è la progettazione di un controllo per un veicolo a due ruote equipaggiata con un sistema di attuazione giroscopica industrializzabile. Tale sistema sfrutta il principio di conservazione del momento angolare per generare una coppia stabilizzante sul corpo del veicolo. Si può pensare che l’attuazione giroscopica sia costituita da un disco posto in rotazione a velocità costante, attorno al proprio asse di simmetria polare. Al disco, vincolato al telaio del veicolo in modo da impedirne una rotazione relativa attorno all’asse longitudinale, viene applicata una coppia volta a modificare la direzione del suo asse di rotazione. Il risultato di tale variazione è la generazione di una coppia di rollio sul veicolo. Controllando opportunamente la direzione dell’asse di rotazione del disco è possibile ottenere una stabilizzazione nella posizione verticale. In questa tesi vengono affrontati due diversi obiettivi di controllo del sistema dotato di attuazione giroscopica. Il primo obiettivo mira alla sola stabilizzazione verticale del veicolo, il secondo, invece, prevede anche di riportare i giroscopi in posizione iniziale nell’eventualità di effettuare manovre di stabilizzazione successive. La progettazione del sistema di controllo ha reso necessaria la formulazione di due rappresentazioni in forme di stato: la prima approssima il sistema ad un pendolo inverso controllato in coppia, mentre la seconda considera un modello più complesso, comprensivo della dinamica di inclinazione dei giroscopi. Diverse strategie di controllo sono state applicate, confrontandone le prestazioni. A partire da una tecnica relativamente semplice come un controllore Proporzionale Derivativo reale si è arrivati a tecniche più avanzate di controllo Sliding Mode, di maggiore robustezza alle incertezze di modello. Le simulazioni effettuate hanno permesso lo studio della risposta del sistema controllato in dipendenza dalle scelte dei parametri dei regolatori e dalla modellazione del sistema di attuazione. Per approfondire ulteriormente la conoscenza del sistema, è stato risolto il problema del Controllo Ottimo per diverse formulazioni. Infine, è stata proposta una strategia di controllo che utilizzi le traiettorie ottime come riferimento al controllore Sliding Mode.