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慶應義塾大学理工学部システムデザイン工学科橋研究室

倒立振子型移動体 Mobile Inverted Pendulum

研究概要 Abstract

  • 位置制御
  • 倒立振子型移動体のレギュレータ問題に対して,エネルギー整形とシステムの受動性を利用する非線形制御系を構築した
  • 制御系導出は偏微分方程式の可解性に依存するが,倒立振子型移動体に対してこれを解くこと可能であることを示した
  • 導出の際,線形近似モデルやフィードバック線形化は用いない
  • 安定性を保証するパラメータを2次元領域から視覚的に選択し,同時に指定角度範囲内に振子の運動を理論的に制限する手法を提案した インパルス的外乱を付加する実機実験により,提案制御系を最適レギュレータ(LQR)と比較した
  • 外乱が小さい場合,両者は同等の性能を示した
  • 外乱が大きく,振子の状態が線形近似範囲から離れる場合,提案制御系のみが安定化を達成した
 
 


提案手法
 
比較手法(最適レギュレータ)
  • 加速制御
 
  • 倒立振子型移動体の振子部分のダイナミクスに着目することで,線形化等を用いない,エネルギー整形とシステムの受動性を利用した非線形加速制御系を提案した
  • 不安定性を利用し,振子角度の制御を通して間接的に並進加速度を制御する
  • 安全性の観点から,エネルギー整形の自由度を用い,指定角度範囲内に振子の運動を理論的に制限する
  • 目標角度を超えて振子が転倒に近づく場合,それに伴い値が増加する振子角度依存ゲインにより,積極的に転倒を回避する
 

目標最大倒れ込み角度 0.1 [rad]

目標最大倒れ込み角度 0.2 [rad]

実験映像 Movie


位置制御

加速制御

研究成果 Publication

  • 刊行論文
  1. 横山和人, 高橋正樹:IDA-PBCによる倒立振子型移動体の安定化制御と実機検証, 日本機械学会論文集C編, Vol. 77, No. 777, pp. 1850-1865, 2011.
  2. Kazuto Yokoyama and Masaki Takahashi, Stabilization of a Cart-Inverted Pendulum with Interconnection and Damping Assignment Passivity-Based Control Focusing on the Kinetic Energy Shaping, Journal of System Design and Dynamics, Vol. 4, No. 5, pp. 698-711, 2010.
  • 国際会議発表
  1. Kazuto Yokoyama and Masaki Takahashi, Energy Shaping Nonlinear Acceleration Control of a Pendulum Type Mobility, International Association for Vehicle System Dynamics, CD-ROM Proceedings (38.2), Manchester, United Kingdom, August, 2011.
  2. Kazuto Yokoyama and Masaki Takahashi, Passivity-Based Nonlinear Stabilizing Control for a Mobile Inverted Pendulum, 8th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics, CD-ROM Proceedings (68), Noordwijkerhout, Netherlands, July, 2011.
  3. Kazuto Yokoyama and Masaki Takahashi, Stabilization of a Cart-Inverted Pendulum with Interconnection and Damping Assignment Passivity-Based Control Focusing on the Kinetic Energy Shaping, International Conference on Motion and Vibration Control, CD-ROM Proceedings (4C16), Tokyo, Japan, August, 2010.
  • 国内会議発表
  1. 横山和人, 高橋正樹:エネルギー整形非線形制御による倒立振子型移動体の不安定性を利用した加速制御と実機検証, Dynamics and Design Conference 2011, , CD-ROM Proceedings (316), 高知, (2011年9月).
  2. 横山和人, 高橋正樹:エネルギー整形非線形制御による倒立振子型移動体の不安定性を利用した加速制御, 第12回「運動と振動の制御」シンポジウム, pp. 594-599, 長野, (2011年6月)
  3. 横山和人, 高橋正樹:受動性に基づく非線形制御による倒立振子型移動ロボットの安定化と走行制御, ロボティクス・メカトロニクス講演会, 岡山, CD-ROM Proceedings (1P1-Q04), (2011年5月).
  4. 横山和人, 高橋正樹:IDA-PBCによる倒立振子型移動体の安定化制御の実機検証, 第53回自動制御連合講演会, 高知, CD-ROM Proceedings (327), (2010年11月).
  5. 横山和人, 高橋正樹:IDA-PBCによる倒立振子型移動体の安定化制御, Dynamics and Design Conference 2010, 京都, CD-ROM Proceedings (305), (2010年9月).

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