Making a better use of accelerometers for self-balancing vehicles

The diffusion of self-balancing vehicles has become popular in recent years since those systems are compact and capable of handling sharp maneuvers. These characteristics make them particularly appreciated by the urban mobility. Besides, their particular mode of operation is attractive and eye-catching. All this has been made possible thanks to the achievement of control systems engineering. To control these systems, it is fundamental to know the pitch angle of the rod. To do that, the designers sense the angle using accelerometers assuming they are tilt sensors and define the controller accordingly to this assumption. However, when they switch to real system they meet some troubles in terms of performance and adjust the gains by a trial and error procedure to fit the requirements. In this work, a new method for the control of a self-balancing human transporter is proposed. This method makes use of the system equations and of the measurements to reconstruct the pitch angle. An observer is fed with this angle to estimate the real pitch angle of the system. The reconstructed angle is more reliable than the tilt sensor assumption. This allows to reach a good performance and results in an easiness of tuning of the controller.

Negli ultimi anni la diffusione di veicoli autobilancianti è diventata popolare poiché questi sistemi sono compatti e capaci di effettuare manovre strette. Queste caratteristiche li hanno resi particolarmente apprezzati nel campo della mobilità urbana. Inoltre, il loro particolare funzionamento li rende attrattivi. Tutto ciò è stato reso possibile grazie alle conquiste dell’ingegneria dei controlli. Per controllare questi sistemi, è fondamentale conoscere l’angolo di beccheggio del pendolo. Per fare ciò, i progettisti ottengono la misura dell’angolo usando gli accelerometri assumendo siano degli inclinometri e progettano il sistema di controllo basandosi su questa ipotesi. Tuttavia, quando passano al sistema reale si incontrano dei problemi in termini di performance e aggiustano i guadagni per tentativi per cercare di soddisfare i requisiti. In questo lavoro viene presentato un nuovo metodo per il controllo dei suddetti mezzi. Questo metodo fa uso delle equazioni del sistema e delle misure per ricostruire l’angolo di inclinazione. Un osservatore viene alimentato con questo angolo per stimare quello del sistema. L’angolo così ricostruito risulta essere più affidabile di quello basato sull’ipotesi di avere un inclinometro. Ciò permette di raggiungere delle performance migliori e rende più semplice la sintesi del controllore.