No description available.

No description available.

No description available.

The work is motivated by the goal of linking reality and model, and to see if there is an opportunity to develop an inexpensive educational tool for training in cyber-physical systems. This project has investigated the possibilities to build a cheap inverted pendulum with controller and connect this with the modeling language Acumen. Acumen models is used for comparison with the actual prototype. To solve these problems has a 3D printer been used to create hardware, Arduino UNO for control and Raspberry Pi for enable communication with Acumen over WLAN. The result was a cheap inverted pendulum, which can be built for a cost around 750 SEK. Graphs created in Acumen and from data collected from sensors can be analyzed. With a model of the inverted pendulum system, the results show that Acumen can be used in the development of cyber-physical systems. There are differences between model and reality but also similarities. / Arbetet motiveras av målet att knyta samman verklighet och modell, samt att se om det finns möjlighet att utveckla ett billigt utbildningsverktyg för utbildning i cyberfysiska system. Detta projekt har undersökt möjligheter att bygga en billig inverterad pendel med regulator samt koppla samman denna med modelleringsspråket Acumen. I Acumen skapa en modell av systemet och jämföra den med en fysisk prototyp. För att lösa dessa problem har en 3D skrivare använts för att skapa hårdvara. Arduino UNO för styrning och Raspberry Pi för att möjligöra kommunikation med Acumen över WLAN. Resultatet blev en billig inverterad pendel, som kan byggas för en kostnad runt 750 kr. Grafer från Acumen, och från data samlad från sensorer kan analyseras. Med en modell av en inverterad pendel visar resultaten att Acumen kan användas i utveckling av cyberfysiska system. Skillnader finns mellan modell och verklighet men även likheter.

This report presents the construction of a two-wheeled self balancing robot with the ability to handle an uneven load. Two-wheeled self-balancing robots have proven to be a potential solution to the problem of efficient warehouse management, thanks to their ability to navigate tight spaces quickly and efficiently while balancing their load. The research questions defined include the ability to develop an algorithm to dynamically adjust the robot’s tilt angle, how an uneven load affects the robot’s stability, and whether a PID controller is sufficient in this context. The project was limited to constructing a prototype that could balance with an external load, with a budget of 1,000 Swedish kronor and a four-month timeframe. By testing and evaluating different control algorithms, the robot’s performance was presented in terms of stability and efficiency. The implementation of PID control was successful, and the robot was able to balance as a result. However, the goal of handling an uneven load was not met without the implementation of an additional algorithm to dynamically adjust the robot’s tilt angle. With these two control techniques, the robot was able to balance with and without an added load with good stability. To evaluate performance, tests were performed with the load placed centered and off-centered on the robot’s top plate. The results of the tests showed that the robot was able to dynamically adjust its tilt angle to balance with added weight without affecting stability. / Denna rapport presenterar konstruktionen av en tvåhjulig självbalanserande robot med förmågan att hantera snedfördelad last. Tvåhjuliga självbalanserande robotar har visat sig vara en potentiell lösning på problemet kring effektiv lagerhantering tack vare deras förmåga att hantera snäva utrymmen på ett snabbt och energieffektivt sätt samtidigt som lasten balanseras. Forskningsfrågorna som definierades inkluderar möjligheten att framställa en algoritm för att dynamiskt ställa in robotens lutningsvinkel, hur ojämn last påverkar robotens stabilitet, och om en PID-kontroller är tillräcklig i detta sammanhang. Projektet begränsades till att konstruera en prototyp som klarar av att balansera med extern last, med en budget på 1000 svenska kronor och en tidsram på fyra månader. Genom att testa och utvärdera olika kontrollalgoritmer presenterades robotens prestanda i termer av stabilitet och effektivitet. Roboten balanserade tack vare implementeringen av PID-reglering, men önskemålet om snedfördelad last uppfylldes inte och det krävdes ytterligare en algoritm för att dynamiskt reglera robotens lutningsvinkel. Med hjälp av dessa två reglertekniker kunde roboten balansera både med och utan adderad last med god stabilitet. Tester utfördes för att utvärdera prestandan när lasten var placerad både centrerat och ocentrerat på robotens topplatta. Resultaten visade att roboten kan dynamiskt anpassa lutningsvinkeln för att balansera med tillagd vikt utan att stabiliteten påverkas.

This bachelor thesis at the Royal Institute of Technology in Stockholm, Sweden, aims to clarify how the minimum bandwidth of a stabilised mobile inverted pendulum is affected by the position of its center of mass and the frequency of measuring the state variables. The scope is to apply basic theories in automation control and electronic systems when designing the system. The mechatronical system in the experimental trials is constructed with the main components consisting of bipolar stepper motors, stepper motor drivers (DRV8825), potentiometer and Arduino UNO. The mobile pendulum in question consists of a cart on a rail with a potentiomoter and a rod mounted to it. In the experimental trials in this paper, three different radial positions of the center of mass are analysed with regards to the bandwidth of relevant measurements. A variety of PID parameters, for both the angle and position regulation, are the essential basis on which these stability trials are performed. The results are limited to the resolution of the potentiometer outputs, the length of the rail and the stiffness of the rod. The result is presented by comparisons between data of the greatest angles which are stabilised and the corresponding maximal latency of the angle corrections. These data concludes to that the minimum required bandwidth to sustain stability decreases for an increasing length between the center of mass and the point of rotation. / Denna kandidatexamensuppsats genomfördes på Kungliga Tekniska Högskolan, i Stockholm, Sverige, och har som mål att klargöra hur den minsta bandbredden för en stabiliserad inverterad pendel påverkas av positionen av dess tyngdpunkt samt nätfrekvensen av tillståndsvariablerna. Projektet omfattar grundläggande teorier om reglerteknik och elektriska system.  Det mekatroniska systemet som används i experimenten är uppbyggt av följande nyckelkomponenter: bipolära stegmotorer, stegmotordrivare (DRV8825), potentionmeter och Arduino UNO. Den mobila pendeln består av en stång och en potentiometer som är monterad på en vagn löpandes på en räls. I de utförda experimenten i denna rapport analyseras tre radiella positioner på masscentrum med hänsyn till bandbredden och relevanta mätningar. En reglering med olika PID parametrar, för både vinkel- och positionsreglering, är den kritiska process som lade grunden för analyserna av stabiliteten. Resultaten är begränsade av upplösningen hos potentiometerns utsignal, längden av rälsen och stångens styvhet.  Resultaten presenteras genom jämförelser mellan data för de största vinklarna som stabiliseras och de motsvarande maximala fördröjningarna. Sammanfattningsvis minskar den minst nödvändiga bandbredden för att upprätthålla stabilitet för ökande längder mellan pendelns tyngdpunkt och rotationspunkten.

En damm används i huvudsak för att magasinera vatten i energiutvinningssyfte. Dammen rör sig fram och tillbaka i ett säsongsmönster mestadels beroende på skillnader i utomhustemperatur och vattentemperaturen i magasinet. Det nordiska klimatet innebär risk för isläggning i magasinet, för vilken lasten är relativt outforskad. Denna rapport syftar till ett med multipla linjära regressionsmodeller samt dynamiska regressionsmodeller avgöra vilka variabler som förklarar en specifik svensk dammkonstruktions rörelse. Dammens rörelse mäts genom att mäta dammens förflyttning kontra berggrunden med data från dammens inverterade pendlar. Av särskilt intresse är att avgöra islastens påverkan på rörelsen. Resultaten visar att multipla linjära regressions-modeller inte fullständigt lyckas modellera dammens rörelse, då de har problem med autokorrelerade residualer. Detta hanteras med hjälp av autoregressiva regressionsmodeller där de initiala förklarande variablerna inkluderas, kallat dynamisk regression. Denna rapports resultat visar att de autoregressiva parametrarna fungerar mycket väl för att förklara pendlarna, men att även tid, temperatur, det hydrostatiska trycket samt istjocklek är användbara förklarande variabler. Istjockleken visar signifikant påverkan på 5 % signifikansnivå på två av de undersökta pendlarna, vilket är ett noterbart resultat. Författarna menar att rapportens resultat indikerar att det finns anledning att fortsätta forska kring islastens påverkan på dammkonstruktioner. / A dam is a structure mainly used for storing water and generating electricity. The structure of a dam moves in a season-based pattern, mainly because of the difference in temperature between the air on outside of the dam and the water on the inside. Due to the Nordic climate, occurrences of icing on the water in the basin is fairly frequent. The effects of ice on the structural load of the dam are relatively unexplored and are the subject to this bachelor’s thesis. The goal of this project is to evaluate which predictors are significant to the movement of the dam with multiple linear regression models and dynamic regressions. The movement is measured by inverted pendulums that register the dam’s movement compared to the foundation. It is of particular interest to determine if the ice load influences the movement of the dam. The multiple regression models used to explain the dam’s movement were all discarded due to autocorrelation in the residuals. This falsifies the models, since autocorrelation means that they don’t meet the needed assumptions. To counteract the autocorrelation, dynamic models with autoregressive terms were fitted. These models showed no problem with autocorrelation. The result from the dynamic models were successful and managed to significantly explain the movement of the dam. The autoregressive terms proved to be efficient explanatory variables. The dynamic regression models also show that the time, temperature, hydrostatic pressure and ice thickness variables are also useful explanatory variables. The ice thickness shows a significant effect at the 5 % significance level on two of the investigated pendulums. The report's results indicate that there is reason to continue research on the ice load impact on dam constructions.

A robot capable of balancing itself on two wheels has been built and programmed. While balancing, the robot keeps within a limited area. The robot has a face with two eyes and a mouth, consisting of LED-matrices, which switch between six different facial expressions. The robot is programmed using Arduino boards, one of which implements PID regulators to control the motors.

With the development of technology and availability of data, it is sometimes easier to learn the control policies directly from the data, rather than modeling a plant and designing a controller. Modeling a plant is not always possible due to the complexity of the plant. Data-enabled predictive control (DeePC) is a recently proposed approach that combines system identification, estimation, and control in a single optimization problem. DeePC is primarily designed for LTI systems. The purpose of this thesis is to extend the application of DeePC to nonlinear systems with a particular focus on a non-holonomic ground robot. To reach this goal, we decompose the system states into different working modes where each mode can be linearly approximated. Furthermore, the data collection policies were also evaluated to conclude how they affect the performance of the DeePC. We identified several key challenges in this direction, namely: data-demanding structure, high computational complexity, and performance deterioration with increased non-linearity. While these challenges prohibited the application of DeePC to the ground robot system; we successfully applied the method to a benchmark non-linear system, the inverted pendulum on cart problem, and studied the effect of various design choices on control performance. Our observations indicate potential areas of improvement toward enabling DeePC for highly nonlinear systems. / Med utvecklingen av teknik och tillgänglighet av data är det ibland enklare att lära sig styrpolicyerna direkt från data, snarare än att modellera ett system och designa en styrenhet. Att modellera ett system är inte alltid möjligt på grund av systemets komplexitet. Data aktiverad prediktiv kontroll (DeePC) är en nyligen föreslagen metod som kombinerar systemidentifiering, uppskattning och kontroll i ett enda optimeringsproblem. DeePC är främst designad för LTI-system. Syftet med denna avhandling är att utöka tillämpningen av DeePC till icke-linjära system med särskilt fokus på en icke-holonomisk markrobot. För att nå detta mål delar vi upp systemtillstånden i olika arbetslägen där varje läge kan approximeras linjärt. Dessutom utvärderades datainsamlingspolicyerna för att dra slutsatser om hur de påverkar DeePCs prestation. Vi identifierade ett antal nyckelutmaningar i denna riktning, nämligen: datakrävande struktur, hög beräkningskomplexitet och prestandaförsämring med ökad icke-linjäritet. Även om de utmaningerna hindrade tillämpningen av DeePC på markrobot systemet; har vi framgångsrikt tillämpat metoden på ett benchmark icke-linjärt system, problemet med inverterad pendel på vagn, och studerade effekten av olika designval på kontrollprestanda. Våra observationer indikerar potentiella förbättringsområden för att möjliggöra DeePC för mycket olinjära system.

Hydrofoiling in general has the potential to revolutionize watercraft in the future since it allows smoother and faster transport on water with less energy consumption than traditional planning hulls. Even if the concept of hydrofoiling has been around since the last century, development in control theory and material science together with increased computing power has led to a growing interest for the technology. Especially in water sports such as speed sailing and surfing due to its superiority in speed and comfort. Researchers and students at the Engineering Mechanics Department at KTH, Royal Institute of Technology, Stockholm are working on a new type of watercraft, utilizing only one single hydrofoil with the intention to minimize drag for faster and smoother rides in various wave and weather conditions. The difficulties lie in understanding the relationship between actuators and the mechanics. This thesis is a continuation work from a previous thesis which designed a control strategy based on a model with 4 degrees of freedom (DOF). Due to simplifications and linearizations, the 4 DOF model was not rich enough to meet the performance requirements. This thesis presents a 6 DOF model by deriving the mechanical equations for the spherical inverted pendulum and actuation from the hydrofoiling module. The inverted pendulum model is a well-known control problem that can be solved with different strategies. By showing that the hydrofoiling concept can be modelled as an inverted pendulum, it is also shown that it can be controlled as an inverted pendulum. The derived model is used together with an Extended Kalman Filter to create an observer. The observer is validated with a spherical inverted pendulum model in Matlab and the block diagram environment, Simulink. Simulation results show that the 6 DOF model is able to produce accurate state estimation of the watercraft even in the presence of stochastic measurement noise. It is also concluded that viscous forces, that arise from the watercraft being partly surrounded by water and partly by air, need further investigation. / Principen för bärplan är att generera lyftkraft från vattnet på samma sätt som flygplansvingar genererar lyftkraft från luften för att lyfta farkostens skrov ur vattnet. Detta minskar motståndet från friktionen mellan skrov och vatten vilket möjliggör snabbare och jämnare transport på vatten med en lägre energiförbrukning än traditionella planande skrov. På senare år har tekniken fått ett uppsving i och med framsteg inom strömningsmekanik, reglerteknik och materiallära. Detta i takt med datorers ökande beräkningskraft har lett till att bärplanskonstruktioner har kunnat uppvisa en överlägsenhet i vattensporter som kappsegling och surfing när det kommer till fart och komfort. Forskare och studenter på avdelningen för farkostteknik och solidmekanik vid Kungliga Tekniska Högskolan, Stockholm arbetar med att ta fram en ny typ av farkost med en minimal bärplansdesign, FoilCart. Dess utformning gör att det mekaniska beteendet kan liknas vid en inverterad pendel, vilket är ett välkänt, olinjärt reglerproblem som kan lösas på flera sätt. Denna avhandling är ett vidarearbete som bygger på en modell med fyra frihetsgrader från en tidigare avhandling kring FoilCart-projektet. Modellen med fyra frihetsgrader var, på grund av förenklingar och linjärisering av systemdynamiken, bristfällig och kunde inte garantera en robust balansering av farkosten förutom i linjäriseringspunkten. Modellen som presenteras i denna avhandling har sex frihetsgrader. Mekaniken och systemdynamiken härleds från den sfäriska inverterade pendeln tillsammans med styrningen från bärplansmodulen, utan förenklingar och linjärisering. Modellen används i ett Kalmanfilter för att konstruera en observatör för tillståndsrekonstruktion. Den framtagna modellen valideras med en FoilCart-modell i Simulink. Resultaten visar att observatören kan ge en noggrann tillståndsrekonstruktion även vid simulerat mätbrus i mätsignalen. Avhandlingen syftar till att visa hur den inverterade pendelmodellen kan användas vid framtida implementation av rekonstruerad tillståndsåterkoppling. I och med avgränsningar i avhandlingen finns det också en del strömningsmekaniska aspekter som inte tagits med vid framtagningen av denna modell. Eftersom farkosten delvis är omgiven av vatten och delvis av luft skulle det vara intressant att undersöka om noggrannheten i tillståndsrekonstruktionen kan förbättras genom att använda avancerad strömningsmekanik.