Análise, modelagem e construção de um protótipo de moto elétrica autoequilibrante

Abstract

Motocicletas autoequilibrantes representam um desafio significativo na área de controlede sistemas devido à sua natureza instável e pouco estudada. Este trabalho apresenta odesenvolvimento e implementação de técnicas de controle aplicadas a uma motocicletaautoequilibrante em escala reduzida, visando aprofundar o conhecimento teorico com oprático sobre controle aplicado a veículos de duas rodas. O modelo matemático do sistema,que utiliza um giroscópio de momento de controle (CMG) como atuador, foi obtido atravésdas equações de Lagrange e representado no espaço de estados discreto. Foram projetadose comparados três controladores: Regulador Linear Quadrático (LQR), controle por lugardas raízes e alocação de polos no espaço de estados. As técnicas foram simuladas noMATLAB/Simulink considerando condição inicial de um grau de inclinação e especificaçõesde tempo de estabilização inferior a 0.5 segundo. Um protótipo foi construído utilizandoimpressão 3D, componentes eletrônicos (ESP32, MPU6050, motor DC) e implementaçãoem tempo real dos controladores projetados. Os resultados experimentais demonstraramque os controladores foram capazes de estabilizar o protótipo com sucesso, validando tantoa modelagem matemática quanto os controladores desenvolvidos. O trabalho contribuipara a integração entre teoria de controle e aplicações em motocicletas equilibrantes,comprovando experimentalmente a viabilidade de sistemas de controle autônomo para aumentar a segurança de veículos de duas rodas.

Self-balancing motorcycles pose a significant challenge in control systems due to their inherently unstable nature and limited research. This work presents the development and implementation of control techniques applied to a scaled-down self-balancing motorcycle prototype, aiming to bridge theoretical knowledge with practical applications in two- wheeled vehicle control. The mathematical model of the system, which uses a control moment gyroscope (CMG) as an actuator, was obtained through Lagrange equations and represented in discrete state space. Three controllers were designed and compared: Linear Quadratic Regulator (LQR), root locus control, and pole placement in state space. The techniques were simulated in MATLAB/Simulink considering an initial tilt condition of one degree and stabilization time specifications under 0.5 seconds. A prototype was built using 3D printing, electronic components (ESP32, MPU6050, DC motor), and real- time implementation of the designed controllers. Experimental results demonstrated that the controllers successfully stabilized the prototype, validating both the mathematical modeling and the developed control strategies. This work contributes to integrating control theory with self-balancing motorcycle applications, experimentally proving the feasibility of autonomous control systems to enhance two-wheeled vehicle safety.