Vývoj nestabilního balancujícího vozidla s využitím nástroje Model Based Design

Abstract

Tato diplomová práce se zabývá návrhem a implementací řídicího systému pro nestabilní dvoukolové vozidlo pomocí metodologie Model Based Design (MBD). Hlavním cílem bylo vytvořit simulační model vozidla, navrhnout stabilizační algoritmus, navrhnout novou řídicí jednotku a otestovat celý systém nejprve pomocí simulací, poté v režimu Hardware-in-the-Loop (HIL) a nakonec i na reálném vozidle. Práce porovnává různé přístupy k modelování systému (white-box, grey-box a black-box) a testuje několik regulačních strategií (PID, SMC, LQR a MPC). Na základě výsledků simulací a experimentů byla pro reálné nasazení vybrána robustní metoda řízení typu Sliding Mode Control. Důraz je kladen na bezpečnost, modularitu systému a opakovatelnost testování. Výsledkem je funkční prototyp řízeného balancujícího vozidla, který slouží jako demonstrátor pokročilých mechatronických technik a metod návrhu řízení.

This master's thesis focuses on the development and implementation of a control system for an inherently unstable two-wheeled vehicle using the Model Based Design (MBD) approach. The objective was to build a simulation model of the vehicle, design and validate stabilization algorithms, develop a new control unit, and verify the entire system via simulation, Hardware-in-the-Loop (HIL) testing, and real-world deployment. The thesis explores various modeling techniques—white-box, grey-box, and black-box—and evaluates multiple control strategies including PID, Sliding Mode Control (SMC), Linear Quadratic Regulator (LQR), and Model Predictive Control (MPC). Based on the results, SMC was selected for implementation due to its robustness and favorable rider response. Emphasis is placed on safety, system modularity, and reproducibility. The outcome is a functional prototype that demonstrates advanced mechatronic design and control methodologies in practice.