The goal of this diploma thesis is a proposal of autonomous two wheeled balancing robot, differentially driven. This kind of robot is especially suitable in confined space, where it can utilize its maneuver skills. Many criteria as operational conditions, materials, size and weight of the robot, suitable hardware and sensors must to be considered, when designing the robot. Development and implementation of autonomous balancing control system is also part of the thesis.

This report will cover the work involved in building a quadruped robot which should to a certain extent resemeble a four-legged mammal. The introduction will present information related to what has inspired the project, purpose/aim, specifications, limitations and research questions. Most important in the introduction are probably the purpose/aim and research questions. Mainly, the goal was to have the robot be able to self-balance and later also be able to walk to some degree if possible. The first research question concerns how well a PID controller would affect the stability of the robot and the second question is about answering if referencing a fourlegged mammal is a good idea when building a quadruped robot. Theory and methods were combined and written as one chapter. This way relevant information could be provided in the appropriate places as the method for creating the robot was described. The chapter dives into the primary parts of the robot which are the choice of components, construction, inverse kinematics and last but not least the code including the implementation of a PID. The results show that PID regulation improves stability and performance, but PI regulation actually performed the best. Furthermore, the question regarding referencing a four-legged mammal remains inconclusive even though the model was sufficient for the task.

Self-stabilizing systems can be found in many contexts. They are used in aircraft and camera gimbals to name a few. In this project, a self-stabilizing container was constructed. The construction consists of three parts. An inner ring which rotates around the Z-axis, an outer ring which rotates around the Y-axis and a handle with space for three DC motors and a microcontroller. In this project an Arduino Nano was used. To detect inclination an IMU (Inertial Measurement Unit) was deployed. An IMU is a sensor consisting of three gyroscopes and three accelerometers, one for each coordinate axis. The software for the construction consists of four parts; angle reading, a Kalman filter, two PID-controllers and a motor controller. When a container is inserted into the construction the four-part system keeps the container horizontal and stable. Experimental data shows that in 84% of the tests the construction could stabilize the container. / Självstabiliserande system kan man finna i många olika sammanhang. Några exempel på självstabiliserande system är flygplan och kamerastabilisatorer. I detta projekt konstruerades en självstabiliserande behållare. Konstruktionen består av tre delar. En ring som kan rotera runt Z-axeln, en ring som kan rotera runt Y-axeln och ett handtag med plats för likströmsmotorer och mikrokontroller. I detta projekt användes Arduino Nano. För att avläsa vinklarna användes en tröghetsmäatare. En tröghetsmätare är en sensor som består av tre gyroskop och tre accelerometrar, en för varje axel. Mjukvaran i konstruktionen består av fyra delar; vinkelavläsning, ett Kalmanfilter, två PID-regulatorer och motorkontroller. Beroende på vilken vinkel konstruktionen har kommer någon av motorerna att korrigera vinkeln på behållaren. Testerna visade att konstruktionen kunde stabilisera behållaren i 84% av alla tester.

I denna rapport utreds olika metoder för att kunna reglera vattennivån i vattenkraftverket Avesta Lillfors i Dalarna. Två kraftverk ligger endast 900 m uppströms och detta gör att svarstiderna blir korta och regleringen blir lätt nervös. Att använda sig av vattennivåreglering i ett kraftverk för-enklar dess styrning då anpassning till inflödet sker automatiskt. En flödestabell har tagits fram genom mätningar i turbinen, med hjälp av Winter-Kennedy-metoden. Denna tabell används för att kunna fram-koppla regulatorn och därmed dämpa stora variationer i inflödet. Dessu-tom har en modell av älven skapats och testats med en återkopplad PID-regulator. Utefter dessa tester har lämpliga parametrar tagits fram, som ger önskad stabilitet, noggrannhet och snabbhet. Simuleringar har även gjorts med reglermetoden Fuzzy logic. / This report evaluates different methods to create a stable regulation of the water level in the hydro power plant Avesta Lillfors, in county Dalar-na. Another pair of plants are located just 900 m up the stream, which is why the regulation has to act fast. If the water level can be regulated and automatically adjust to the incoming flow, it facilitates the control of the plant. A flow chart is created from measurements in the turbine, using the Win-ter-Kennedy method. The results are used for feedforward control. A PID-regulator with feedback is also simulated in a model of the river. This helps finding the parameters that provide a stable, accurate and fast regu-lation. Fuzzy logic control has also been simulated.

Recent advancements in processing power, storage capabilities, and availability of data, has led to improvements in many applications through the use of machine learning. Using machine learning in control systems was first suggested in the 1990s, but is more recently being implemented. In this thesis, an embedded climate system, which is a type of control system, will be looked at. The ways in which machine learning can be used to replicate portions of the climate system is looked at. Deep Belief Networks are the machine learning models of choice. Firstly, the functionality of a PID controller is replicated using a Deep Belief Network. Then, the functionality of a more complex control path is replicated. The performance of the Deep Belief Networks are evaluated at how they compare to the original control portions, and the performance in hardware. It is found that the Deep Belief Network can quite accurately replicate the behaviour of a PID controller, whilst the performance is worse for the more complex control path. It was seen that the use of delays in input features gave better results than without. A climate system with a Deep Belief Network was also loaded onto hardware. The minimum requirements of memory usage and CPU usage were met. However, the CPU usage was greatly affected, and if this was to be used in practice, work should be done to decrease it. / Många applikationer har förbättras genom användningen av maskininlärning. Maskininlärning för reglersystem föreslogs redan på 1990-talet och har nu börjat tillämpas, eftersom processorkraft, lagringsmöjligheter och tillgänglighet till rådata ökat. I detta examensarbete användes ett inbäddat klimatsystem, som är en typ av reglersystem. Maskininlärningsmodellen Deep Belief Network användes för att undersöka hur delar av klimatsystemet skulle kunna återskapas. Först återskapades funktionaliteten hos en PID-regulator och sedan funktionaliteten av en mer komplex del av reglersystemet Prestandan hos nätverken utvärderades i jämförelse med prestandan i de ursprungliga kontrolldelarna och hårdvaran. Det visade sig att Deep Belief Network utmärkt kunde replikera PID-regulatorns beteende, medan prestandan var lägre för den komplexa delen av reglersystemet. Användningen av fördröjningar i indata till nätverken gav bättre resultat än utan. Ett klimatsystem med ett Deep Belief Network laddades också över på hårdvaran. Minimikrav för minnesanvändning och CPU- användning var uppfyllda, men CPU- användningen påverkades kraftigt. Detta gör, att om maskininlärning ska kunna användas i verkligheten, bör CPU-användningen minskas.

Technology advances each day, with every advancement new and improved products are accompanied. Robots come in various shapes and sizes, from the size of a fly to the size of a human being. The purpose of this project is to further our understanding in how to build a robot, more specifically, a mono wheeled robot and design control systems enabling it to balance by itself. The robot is a one-wheeler with ducted fans on top. It is to balance with the help of the wheel in one direction and with ducted fans in the perpendicular direction.The robot succeeded in balancing with the wheel. However with help of the fans the robot only managed to balance for approximately 20 seconds. Analysing the frequency content from figures 5.2, 5.4, 5.3 resulted in finding frequencies under 1Hz being dominant in the output signals from the control system, observing this a clear oscillation frequency was only determined for the ducted fan system while the wheel system was non periodic. The study concluded that one cannot stabilize the control systems individually because that can lead to disturbances for the other. The results showed that even though the wheel’s control system was stable, it was affected by the second control system, causing disturbances. / För varje dag som går tar tekniken ett steg frammåt, hela tiden med nya och förbättrade produkter. Robotar kommer i olika former och storlekar, från storleken av en insekt till storleken av en människa. Syftet med detta projekt är att utvidga förståelsen över hur man bygger en robot, mer specifikt, en enhjulig robot samt hur man konstruerar ett reglersystem för att få roboten att balansera på egen hand. Roboten är en enhjuling med fläktar. Syftet är att bygga och programmera den till att balansera på egen hand, i ena riktningen med hjulet och i andra riktningen med fläktarna. Roboten lyckades balansera med hjälp av hjulet, men med fläktsystemet balancerade roboten endast i cirka 20 sekunder. Med hjäp av frekvenspspekrumen i figurer 5.2, 5.4, 5.3 försöktes en oscillationsfrekvens och periodtid tas fram, detta erhölls endast för fläktsystemet då hjulsystemet inte gav en tydlig oscillationsfrekvens. Slutsatsen som drogs var att det inte går att stabilisera de individuella systemen separat och sedan kombinera dem. Detta på grund av att det leder till att det ena systemet riskerar att agera som en störsignal till det andra systemet.

This project explores the possibility to stabilize a hand held serving-tray using a micro-controller, two servomotors and an inertial measurement unit (IMU). It is heavily focused on control theory, specifically using a PID controller. Stabilization of an object using a PID controller have many applications such as drones, camera stabilizers and flight simulators. The report covers the theory necessary to construct a self stabilizing platform and describes involving components in the prototype and how they cooperate. With the gyroscopes and accelerometers involved in the IMU it is possible to determine orientation and rotation of the tray. The construction enables rotation about the x-axis (roll) and y-axis (pitch) but not the z-axis (yaw). The readings from the gyroscopes and the accelerometers are combined and filtered through a complementary filter to estimate the rotations. The servomotors compensate disturbance in keeping the platform horizontal through PID regulation. The PID constants are tuned through tilting the platform at a specific angle and plotting the step response in MATLAB. / Detta projekt utforskar möjligheten att stabilisera en handhållen serveringsbricka med hjälp av en mikrokontroller, två servomotorer och en tröghetssensor (IMU). Projektet lägger mycket fokus på reglerteknik, specifikt att använda en PID-regulator. Stabilisering genom PID-reglering är användbart i många olika produkter, exempelvis drönare, kamerastabiliserare och flygsimulatorer. Rapporten täcker relevant teori för att konstruera en självstabiliserande plattform och beskriver ingående komponenter i prototypen samt hur de samverkar. Med gyroskopen och accelerometrarna som finns i IMU:n är det möjligt att uppskatta position och rotation för ett objekt. Konstruktionen tillåter rotation kring x-axeln (roll) och y-axeln (pitch) men inte zaxeln (yaw). Mätningarna från gyroskopen och accelerometrarna kombineras och filtreras med hjälp av ett s.k. complementary filter för att uppskatta rotationen av objektet. Servomotorerna används i sin tur till att hålla plattan horisontell genom att kompensera störningar från omgivningen. Detta görs genom PID-reglering. Konstanterna i PID-regulatorn är framtagna genom tester där plattformen lutas ett bestämt antal grader och stegsvaret plottas i MATLAB.

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.

Most companies that have any type of combustion or other pollution process via emission to air needs to measure their emissions to ensure they are within legal boundaries. Among the different types of pollution measurements, one of the most common is dust concentration, also known as particle concentration. An important factor in dust concentration measurements is to ensure that the concentration of the measured dust is representative to the dust concentration in the emissions. This is measured in isokinetic deviation, defined as (vn 􀀀 vd)=vd, where vn is the velocity in the entry nozzle and vd the velocity in the duct. Methods of dust concentration measurements used today are dependent on manual tuning and sensor readings, and the isokinetic deviation is calculated after a test. The focus of this project was therefore to investigate how the process of dust concentration measurements using standard reference methods could be automated in the way that isokinetic sampling is controlled and regulated by an automated control system in real time. Pressures, temperatures and sampled gas volume were quantized. A PIDcontroller was designed, implemented and tested. The PID-controller took the differential pressure between the inside of the entry nozzle and the duct, called zero pressure, as input. The system was tested in a laboratory environment by letting a radial fan create a flow, and thus create a zero pressure of -60 Pa, meaning that the pressure in the duct was 60 Pa greater than the pressure inside the entry nozzle. The PID-controller was then enabled and ran for five minutes. The result showed that the PID-controller managed to control the system to the reference point in less than 50 seconds for entry nozzles of diameters 6 mm, 8 mm, 10 mm and 12 mm. The results of the isokinetic deviations were -12 %, -5 %, -6 % and -4 % for entry nozzles with diameters 6 mm, 8 mm, 10 mm and 12 mm respectively. This is higher than the accepted values according to the European standard, which allows deviations in the interval -5%to 15%. However, these tests ran for relatively short time periods and started with large deviations which made it difficult to reach an isokinetic deviaiton in the accepted interval. Possible improvements could be to include the real time isokinetic deviation in the PID-controller, this would make it possible to change the reference value of the zero pressure in real time and guarantee isokinetic deviations in the accepted interval, even in extraordinary situations. / EU-regler ställer krav på anläggningar att kontrollera och begränsa sina utsläpp av stoft enligt EU standard 13284-1:2017. Vid en stoftmätning måste det tas hänsyn till många parametrar, där en av de viktigaste parametrarna är att provtagningen ska utföras isokinetiskt. Isokinetisk provtagning innebär att hastigheten i kanalen (skorstenen) är samma som i sonden där provgasen sugs ut. Dagens metoder för stoftmätning förlitar sig på manuella inställningar och den isokinetiska avvikelsen beräknas efter ett test. Det resulterade i frågeställnigen hur en automatiserad metod för bestämning av masskoncentration av stoft kan utformas så att den isokinetiska avvikelsen beräknas i realtid. Tryck, temperatur och gasvolym kvantiserades från analoga sensorer och kommunicerades till en mikrokontroller med det seriella protokollet I2C. En PID-reglator designades, implementerades och testades. PID-regulatorn tog tryckskillnaden mellan kanal och sond som insignal. Utsignalen från PID-regulatorn var en spänning som via en motordriven ventil kontrollerade inflödet i munstycket. Systemet testades i laborativ miljö genom att låta en fläkt skapa ett flöde tills den uppmätta tryckskillnaden mellan sond och kanal var -60 Pa. Därefter aktiverades PID-regulatorn och testet pågick sedan i fem minuter. Testet utfördes för munstycken med diameterna 6 mm, 8 mm, 10 mm och 12 mm. Resultatet visade att PID-regulatorn styrde systemet till referenspunkten på mindre än 50 sekunder för samtliga diametrar på munstyckena. De isokinetiska avvikelserna (skillnaden i hastighet mellan munstycke och kanal) beräknades till -12 %, -5 %, -6 % och -4 % för munstyckena 6 mm, 8 mm, 10 mm och 12 mm. I två av fallen var det högre än det accepterade värdet enligt EU standarden som tillåter avvikelser inom intervallet -5 % till 15 %. Det kan förklaras av att testen utfördes under en relativ kort tidsperiod och startades med stora avvikelser. Regulatorn skulle dock kunna förbättras genom att använda testets aktuella isokinetiska avvikelse och med den informationen bestämma systemets referenspunkt. Det skulle göra det möjligt att kompensera för tidigare avvikelser och på det sättet uppnå isokinetiska avvikelser inom tillåtet intervall även för extremfall.

<p>Examensarbetet syftar till att jämföra nya alternativ till olika system för användning i laborationer i reglerteknikkurser för olika studentkategorier. Det skall utredas vilket av ett antal alternativ till mjukvaruplattformar som är bäst lämpat att användas vid reglerteknikundervisningen i ITN:s reglerlaboratorium vid Linköpings universitet. Tidigare laborationer i berörda kurser skall även modifieras så att dessa kan genomföras i de nya systemen.</p><p>Examensarbetet resulterade i en rad modifierade laborationer och system att tillämpa i dessa. De nya systemen medför att all reglering sköts direkt från en dator istället för tidigare variant med externa apparater som programmeras. På så sätt kan större fokus läggas på regleringen i sig och inte de system som tillämpas för att utföra den.</p> / <p>The purpose of this thesis work is to compare new alternatives for different systems to use in laborations, in courses offered in control system design, for different types of students. The intention is to investigate which of a number of software platform alternatives are best suited for these purposes. Current laborations are to be modified to be viable in the new systems.</p><p>The project resulted in a number of modified laborations and control systems to use in these. The new solutions are made so that all of the control is done by one computer, as opposed to the previous solution where external units had to be programmed and controlled. This way, the laborations can focus more on the control theory and less on the systems used to realize it.</p>