LEGOを用いた倒立振子の 制御系設計に関する研究 電気工学科 5年 36番 米田典正 指導教員 河合康典 今からLEGOを用いた倒立振子の制御系設計に関する研究の説明をします。
はじめに 本研究ではLEGOを用いて倒立振子の作成を行う. 本発表では, 光センサ はじめに研究目的を示し, モータ 作成した倒立振子 本研究ではLEGOを用いて倒立振子の作成を行う. 本発表では, はじめに研究目的を示し, 次にLEGOで作成した倒立振子の動作の仕組みを説明する, 最後に実験結果と今後の課題について考察する. LEGOで作った倒立振子について考察します。 左の写真が作成した倒立振子です。
目的 振子（ふりこ）は普通, 棒の先に取り付けた 重りが一定振幅で揺れつづけるものです. 振子（ふりこ）は普通, 棒の先に取り付けた 重りが一定振幅で揺れつづけるものです. これを逆さまにして, 手のひらで棒を立てるような事をするのが倒立振子です. 倒立振子が倒れそうになった時に, 人の手を使わずに自動でバランスを取って倒れないように, 振子を制御する装置をLEGO MINDSTORMSで, プログラムをROBOLABを用いて作成する. まず上半分、倒立振子とはどのような物かを説明しています。 下半分は実験目的で このためのハードとソフトをLEGOで作りました。
動作の流れ *振子に取り付けられた, 光を遮る板が, 光センサの受講部にさしかかると, 光センサは光量の変化により, 傾きを感知します. 光センサが棒の一定以上の*傾きを 感知すると, 本体に信号を送る 本体が信号をキャッチすると, それに応じてモータを動かしてバランスをとろうとする 光センサが棒の傾きが一定以下になったのを感知すると今度はモータを停止させる Start Startに戻る *振子に取り付けられた, 光を遮る板が, 光センサの受講部にさしかかると, 光センサは光量の変化により, 傾きを感知します. 振子 光を遮る板 光センサ この左の図ようにstartからstartに戻るの間をループすることで振子を制御します。 右の写真は作成した倒立紳士のこの部分の拡大図です。 また、傾きを感知する仕組みを左に示しました。
明るくなるのを光センサが感知するまで待つ 制御プログラム 二列あるうちの上側は振子が右に倒れたときに動作し, 下側は左に倒れたときに動作する. 暗くなるのを待つ モータを回転させる 回転していた モータを止める 明るくなるのを光センサが感知するまで待つ この図はROBOLABで作成したプログラムです。 このように上下に分かれていて、振子が左右どちらに倒れるかによって 適当な時に切り替わるようになっています。 並列処理をさせる ループさせる
制御方法 速度 速度 振子 台車 平衡状態 振り子が右に傾く 台車が右に動く 上図のとき, 台車の速度 ＞ 振子の倒れる速度 台車の速度 ＞ 振子の倒れる速度 ならば, 傾いた振り子は再び平衡状態にもどる 台車の速度 ≦ 振子の倒れる速度 だと, 振子を立て直す事ができない 図に振子が傾いた時の図をしめし、このときのvpは振子の速度 ｖを台車の速度とすると振子が倒れるか倒れないかの条件を以下にしめしました。 ｖp＞ｖでは倒れていく振子に台車が追いつけず倒れてしまいます
実験結果 作成したLEGOを用いて実験した結果, 最大で約20秒, 平均で10秒程度, 振子を倒れないようにする事ができた. また, このときに工夫した点を以下に示す. 振り子を長くした ⇒１mのアルミの棒を付け足して振子の長さは最終的に1.5m 光センサをできるだけ高い位置に取り付ける ⇒振り子の小さな揺れを感知するため. 最終的に振り子の支点から50cm位置に取り付けました 結果はこのようになり倒れる原因としては、先ほど説明したｖが小さいためにvp＞ｖとなってしまうためです。 以下の工夫した点の目的は、振子の倒れる速度vpをなるべく小さくするためです
今後の課題 おわりに ・角度センサを用いる ⇒より小さな振子の振れを感知し, すばやく対応できる ・モータの数を増やす ⇒台車部分が速く動けるようになれば, 振子が大きく振れ ても立て直す事ができる おわりに 今後の課題としては、上記のことを実行する事で振子がより倒れにくくする事ができるとおもいます。 本研究ではLEGOを用いて倒立振子の作成を行った. 初めに研究目的を示し, 次にLEGOで作成した倒立振子の動作の仕組みを説明し, 最後に実験結果と今後の課題について考察した.