Balance control of a segway through Texas Instruments hardware

The aim of this thesis is to study and implement the equilibrium control of a self-balancing segway. It has to autonomously swing up starting from rest position, and then reaching and maintaining the equilibrium around a stable reference angle. The adopted control board is a LaunchXL-F28069M, produced by Texas Instruments. This hardware is programmed in Simulink environment. The setup includes a BoostXL-DRV8301, managing the power side of the control action. This driver has 3 legs only. For this reason, a particular PWM control technique has been developed in order to fully control both the motors. The final scheme consists of a cascade control, in which the inner loops are devoted to the current control of the two motors, while the external loop regulates the roll angle of the segway. The roll angle is measured combining data coming from three accelerometers and a gyroscope through a complementary filter. Current PIs coefficients are based on electrical parameters of the motors, experimentally obtained during some laboratory tests. The roll angle adopted controller is a PD. It comes from some on-field adjustments on the preliminar regulator, that was based on the simulations performed on the mathematical model of the entire system. This model is the result of a mechanical analysis of the segway structure, modeled as an inverted pendulum. To make the segway able to autonomously swing up from rest position, a dedicated initial procedure has been implemented. It basically consists of feeding the motors with an acceleration and deceleration profile that drives up the segway. Once the roll angle reaches a defined threshold, the controller starts keeping the segway in equilibrium position. In the last part of the dissertation, an early step towards regarding motion control is treated. In particular, it consists of unbalancing the segway acting on the reference angle. In this way it is set to motion. Then, it is stopped by restoring the equilibrium position.

Lo scopo di questa tesi consiste nella realizzazione di uno schema di controllo in grado di mantenere in equilibrio un segway autobilanciante. Il segway deve essere in grado di sollevarsi autonomamente dalla sua posizione di riposo, fino a raggiungere e mantenere un equilibrio stabile nell'intorno dell'angolo di riferimento imposto. La scheda di controllo utilizzata è una LaunchXL-F28069M, prodotta da Texas Instruments e programmata in ambiente Simulink. La scheda è equipaggiata con un BoostXL-DRV8301 per permettere l'interfacciamento con i motori. Questo driver è dotato di soli 3 canali di uscita, di conseguenza è stato necessario sviluppare un particolare schema per la gestione del PWM, in modo da avere il controllo completo su entrambi i motori. Lo schema definitivo si basa su un controllo a cascata, in cui l'anello interno è dedicato al controllo in corrente dei due motori, mentre l'anello esterno regola l'angolo di inclinazione del segway. L'angolo viene misurato combinando con un filtro complementare i dati ottenuti da tre accelerometri e un giroscopio. I coefficienti dei PI di corrente sono basati sui parametri elettrici dei motori, ottenuti mediante alcuni test di laboratorio. Per l'angolo di inclinazione è stato utilizzato un regolatore PD, ottenuto modificando, sulla base di alcuni test sperimentali, un precedente regolatore sintetizzato attraverso uno studio teorico. Il regolatore di partenza era basato sul modello dell'intero sistema, derivante da un'analisi meccanica della struttura del segway, modellato come un pendolo inverso. Per rendere il segway in grado di raggiungere autonomamente la posizione di equilibrio, è stato necessario introdurre un'apposita procedura iniziale. In questa fase i motori vengono alimentati secondo un profilo di accelerazioni e decelerazioni che consente al corpo del segway di sollevarsi. Quando l'angolo supera una certa soglia, il controllore inzia ad agire sul sistema, fino a portarlo nella sua posizione di equilibrio. Nell'ultima parte di tesi viene introdotto l'argomento del controllo del moto. Nello specifico, il segway viene sbilanciato agendo sull'angolo di riferimento. In questo modo il controllore mobilita i motori nel tentativo di recuperare l'equilibrio, producendo un avanzamento. Il segway si arresta quando viene ristabilito il corretto angolo di riferimento.