Bachelor's Thesis

Design and implementation of an independent stabilization module of a balancing cube using a flywheel

Final Thesis 7.75 MB Appendix 11.03 MB

Author of thesis: Jakub Pilinský

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Ondřej Richter

Reviewer: Ing. Michal Bastl, Ph.D.

Abstract:

This thesis focuses on the development of a one-axis segment of a modular, cube like
robotic system driven by reaction wheels with brake mechanisms. The cube-like system
aims to achieve full control over its attitude, with the ability to throw itself over its edges
and corners.
    In the first half of the thesis, a mathematical model and simulations of attitude control
are used to verify the concept of the model and its parameters.
    The second half builds on these findings and creates a constructable modular system
with integrated electronics.
    Finally, the segment is built and, with swing up and stabilization control implemented,
successfully demonstrates the desired capabilities.

Keywords:

Balancing cube, reaction wheel, brake mechanism, modularity, attitude control

Date of defence

11.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Při obhajobě student nejprve prezentoval svoji bakalářskou práci, následně byly přečteny posudky a student odpovídal na dotazy oponenta. Poté byly členy komise položeny následující otázky: Z jakého důvodu nefungovala výkonová elektronika? Poznámka ke kinematice použité brzdy a kroucení kotouče. Jaký byl důvod k použití složitějšího BLDC motoru namísto jednoduššího stejnosměrného kartáčového motoru? Na závěr byla obhajoba hodnocena jako velmi dobrá.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics

Study programme

Mechatronics (B-MET-P)

Composition of Committee

Pplk. Ing. Radek Doskočil, Ph.D. (předseda)
Ing. Martin Appel, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Radek Vlach, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Pokorný, Ph.D. (člen)
Ing. Lubomír Houfek, Ph.D. (člen)
Ing. David Vlachý (člen)
Ing. Michal Bastl, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Vorel, Ph.D. (člen)
Ing. Stanislav Frolík, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Ondřej Richter

Závěrečná práce pana Pilinského se zabývá návrhem samostatného segmentu balanční kostky využívající setrvačník pro stabilizaci. Segment je navržen tak, aby bylo možné z více identických modulů sestavit kompletní kostku určenou především pro demonstrační a propagační účely mechatroniky.

V teoretické části se student věnuje principům stabilizace zařízení, využití setrvačníků v technické praxi a přehledu existujících řešení. Následně popisuje matematický model navrhovaného systému. Rešeršní část je stručná, ale poskytuje potřebný základ pro praktickou realizaci.

Praktická část zahrnuje vytvoření matematické simulace v prostředí Simulink a fyzikální simulace v Simscape, které sloužily jako podklad pro další návrh. Student následně navrhl mechanickou konstrukci využitelnou jak pro testování jednoho segmentu, tak pro sestavení celé kostky. Součástí řešení je také brzdový mechanismus, jehož princip mohl být v textu práce podrobněji rozveden. Kladně hodnotím návrh desky plošných spojů, který je poměrně komplexní a dobře zpracovaný. Přes vzniklé technické problémy se studentovi podařilo zařízení zprovoznit, implementovat regulační smyčku a výsledné řešení dostatečně otestovat. Zdrojové kódy jsou sice dostupné v přílohách práce, jejich podrobnější rozbor v textu by však přispěl k lepší technické úrovni práce.

Stanovené cíle byly splněny. S ohledem na uvedené připomínky navrhuji hodnocení klasifikačním stupněm B.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Michal Bastl, Ph.D.

Student se zabýval návrhem segmentu balancující krychle. Práce obsahuje rešerši obdobných projektů, popis problému a kapitolu ke stabilizaci systémů. V této části však chybí podrobnější popis PID regulátoru použitého v experimentech a alespoň stručné uvedení stavového řízení, které je pro problém vhodné.

Následuje matematický model, který je odvozen pomocí Lagrangeovy metody. Vytvořený model však není v další práci využíván, protože simulace jsou provedeny v prostředí Simscape Multibody a stabilizace je řešena PID regulátorem. Student dále navrhl jeden segment krychle včetně vlastní DPS s mikrokontrolérem STM32 a vlastní výkonovou elektronikou. Pro pohon setrvačníku použil BLDC motor řízený knihovnou SimpleFOC. Vyšvihnutí segmentu na hranu je řešeno mechanickou brzdou setrvačníku.

Kvůli záměně signálů na DPS musela být nakonec použita externí výkonová elektronika. Přesto se studentovi podařilo zařízení zprovoznit a ověřit vyšvihnutí segmentu na hranu i následnou stabilizaci pomocí PID regulátoru. Náklon je měřen IMU jednotkou s komplementárním filtrem.

K experimentální části mám výhrady. U grafu 5.5 chybí popisek osy y a v jednom grafu jsou tak zobrazeny veličiny různého fyzikálního významu. Tohle by šlo řešit pomocí více os, a nebo vícero grafy pod sebou.
Závěrečná část je poměrně stručná, zejména nejsou uvedeny finální hodnoty konstant PID regulátoru, což omezuje reprodukovatelnost experimentu.

Zadání považuji za náročné vzhledem ke kombinaci mechaniky, elektroniky a programování. Kladně hodnotím, že student zařízení i přes problémy s DPS zprovoznil a provedl praktický experiment.

Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji velmi dobře/B
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. V práci je v návrhu použita mechanická brzda na setrvačník jaký maximalní brzdný moment lze teoreticky získat jen s pomocí motoru?
  2. Pro experiment byla nakonec použita externí výkonová elektronika. Co byl hlavní důvod? Jaké signály se nepodařilo namapovat správně?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová