Praca przedstawia projekt i walidację eksperymentalną nowatorskiego rozwiązania robota jednokołowego. Robot posiada nierozważaną dotąd strukturę typu monocykl. Jest utrzymywany w równowadze za pomocą napędzanego wahadła a koło robota napędzane jest poprzez przekładnię cierną. System sterowania w płaszczyźnie poprzecznej potrafi śledzić zadaną wartość przechyłu robota by umożliwić skręcanie. Robot został zaprojektowany jako stabilny w płaszczyźnie podłużnej ale musi być wyposażony w system sterowania zapewniający uzyskanie zadanej prędkości i utrzymanie poziomego położenia ramy. Rozprawa rozpoczyna się krótkim przeglądem literatury dotyczącej robotów jednokołowych. Następnie przedstawione jest wyprowadzenie modeli matematycznych robota, obejmujących jego kinematykę i dynamikę. Model dynamiczny został rozdzielony na dwie płaszczyzny by ułatwić projektowanie systemu sterowania. W dalszej części rozprawy przedstawiona jest złożona struktura systemu sterowania. Najpierw opisane zostały kontrolery oparte o modele, obliczone z wykorzystaniem optymalizacji wypukłej, a następnie funkcjonowanie napędów i estymacja stanu robota. Kolejnym zagadnieniem jest szczegółowa symulacja zachowania robota, wykonana w środowisku MATLAB/Simulink jak i w autorskim oprogramowaniu do symulacji wieloczłonowej w czasie rzeczywistym. Projekt prototypu robota jest opisany pod kątem mechaniki, elektroniki oraz implementacji oprogramowania sterującego. Teza pracy została potwierdzona, tj. robot działa zgodnie z założeniami, przez przeprowadzenie testów eksperymentalnych z użyciem prototypu.
In the thesis a complete design and experimental validation of a novel mono-wheel robot is presented. The robot is of a monocycle type, with a structure not considered before. It is balanced in the lateral plane using an actuated pendulum and the robot's wheel is propelled through a friction drive. The lateral control system was designed to track the robot tilt reference to facilitate turning. The robot was designed to be stable in the longitudinal plane, but it had to be equipped with a longitudinal control system, to ensure tracking of the desired speed reference and stabilisation of the chassis. The thesis begins with a short state of the art in the area of mono-wheel robots. Then, a full derivation of the robot mathematical models is presented. The models include both the kinematics and the dynamics of the robot. The dynamical system is divided into the lateral plane and the longitudinal plane, to simplify the control design. A complex structure of the control system follows. The model-based controllers, calculated using convex optimisation, are described first, then the drive operation and system state estimation is discussed. Next, the thesis describes simulation environments used for numerical validation of the developed control system. Detailed simulations were performed using MATLAB/Simulink and a realtime multi-body software, created by the author. The prototype design is shown and discussed in the context of mechanical design, electronics and software architecture. The research statement of the thesis is successfully proved by extensive experimental validation of the control algorithms implemented on the real robot.
