SAS-C : a steady-as-stone self-balancing cube for future planetary exploration

The thesis concerns the development of a self-standing cube that makes use of three reaction wheels to perform certain actions, basing on the principle of a 3D inverted pendulum. In particular, the cube can balance itself either on an edge or on a corner and pass from one configuration to another one. Each reaction wheel is moved by a DC brushless motor; the three motors produce the torques required for keeping the cube at an equilibrium position. A braking system is necessary to let the cube jump from the resting position to the equilibrium on one of its edges and eventually to one of its corners. Several control algorithms are studied, implemented, and compared. The final objective is to determine the optimal control technique in terms of speed, accuracy, energy consumption, and computational effort. The cube must be capable of rejecting disturbances thanks to robust control and smoothly moving from a configuration to another one. An hybrid back-stepping PID controller resulted to be the optimal one. The most futuristic applications find this cube well for planetary exploration and self-assembling robots.

La tesi riguarda lo sviluppo di un cubo capace di auto bilanciarsi facendo uso di tre ruote d'inerzia per svolgere particolari azioni, basandosi sul principio del pendolo tridimensionale inverso. Nello specifico, il cubo può bilanciarsi o su uno spigolo o su un vertice, ed eventualmente passare da una configurazione all'altra. Ogni ruota d'inerzia è mossa da un motore brushless a corrente continua; i tre motori forniscono le coppie necessarie a mantenere il cubo in equilibrio. Un sistema frenante è necessario per permettere al cubo di saltare dalla posizione di riposo ad una delle due configurazioni di equilibrio. Diversi algoritmi di controllo vengono studiati, implementati e confrontati. L'obiettivo finale è quello di determinare il controllore ottimale in termini di velocità, accuratezza, consumo energetico e carico computazionale. Il cubo deve essere in grado di reagire ai disturbi grazie ad un controllo robusto, e muoversi fluidamente da una configurazione all'altra. Un controllore ibrido back-stepping PID è risultato essere quello ottimale. Dispositivi come questo cubo trovano le loro applicazioni più futuristiche nell'esplorazione planetaria e nei robot capaci di assemblarsi autonomamente.