nghiên cứu hệ thống điều khiển cân bằng cho robot hai bánh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Các nghiên cứu chính về điều khiển robot hai bánh bằng lực ly tâm 21 Bảng 1.2 Các nghiên cứu

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

THÁI NGUYÊN – 2014

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Hữu Công

THÁI NGUYÊN – 2014

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Ngô Thị Châm

Trang 4

, Khoa Sau Đại học

Ngô Thị Châm

Trang 5

MỤC LỤC

Trang

Trang bìa phụ

Lời cam đoan i

Lời cam ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các bảng v

Danh các hình ảnh (Hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị) vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 3

1.1 Giới thiệu robot hai bánh tự cân bằng 3

1.2 Tổng quan về robot hai bánh tự cân bằng trong nước và trên thế giới 3

1.2.1 Các nghiên cứu về robot hai bánh song song tự cân bằng 3

1.2.2 Các nghiên cứu về robot hai bánh trước sau tự cân bằng trên thế giới 21

1.2.3 Các nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng trong nước 29

1.3 Kết luận chương 1 29

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 31

2.1 Giới thiệu 31

2.2 Thiết kế robot hai bánh tự cân bằng 31

2.2.1 Thiết kế phần cơ khí 31

2.2.2 Thiết kế phần điện 38

2.3 Mô hình hóa robot hai bánh tự cân bằng 44

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ-MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM THỰC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 48

3.1 Giới thiệu 48

3.2 Một số phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển theo kỹ thuật không gian trạng thái 48

Trang 6

3.2.1 Thiết kế theo phương pháp áp đặt điểm cực 49

3.2.2 Phương thức so sánh trực tiếp 50

3.2.3 Phương thức dạng kinh điển điều khiển được 50

3.2.4 Công thức Ackermann 51

3.2.5 Thiết kế theo tiêu chuẩn chất lượng 51

3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái để điều khiển cân bằng cho robot hai bánh tự cân bằng 52

3.4 Hệ thống điều khiển thực robot hai bánh tự cân bằng 55

3.5 Kết luận chương 3 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

Trang 7

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Các nghiên cứu chính về điều khiển robot hai bánh bằng lực ly tâm 21 Bảng 1.2 Các nghiên cứu chính về điều khiển robot hai bánh bằng di chuyển

tâm trọng lực 24

Bảng 1.3 Các nghiên cứu về điền khiển robot hai bánh sử dụng bánh đà 25

Bảng 1.4 Các nghiên cứu về robot hai bánh sử dụng điều khiển kết hợp 28

Bảng 2.1 Thông số động cơ điện một chiều 33

Bảng 2.2 Thông số của robot 47

Trang 8

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Robot hai bánh song song khi leo dốc và xuống dốc 5

Hình 1.5 Robot hai bánh nBot 8

Hình 1.6 Robot hai bánh Balance-bot I 9

Hình 1.7 Robot hai bánh Balancing robot (Bbot) 10

Hình 1.8 Robot hai bánh JOE 11

Hình 1.9 Robot hai bánh Equibot 13

Hình 1.10 Robot hai bánh BaliBot 14

Hình 1.11 Các tầng cảm biến của BaliBot 15

Hình 1.12 Robot hai bánh Bender 16

Hình 1.13 Robot phục vụ con người Rolling 16

Hình 1.14 Xe Segway 18

Hình 1.15 Xe Balancing Scooter 19

Hình 1.16 Xe Spider 20

Hình 1.17 Robot hai bánh tự cân bằng của Gallaspy 26

Hình 1.18 Robot hai bánh tự cân bằng của Suprapto 27

Hình 1.19 Robot hai bánh tự cân bằng của Pom Yuan Lam 27

Hình 1.20 Murata Boy Robot 28

Hình 2.1 Kích thước robot hai bánh tự cân bằng 32

Hình 2.2 Kích thước thiết kế của bánh đà 32

Hình 2.3 Hình dạng thực tế của bánh đà 33

Hình 2.4 Cảm biến gia tốc Gyro GY-521 6DOF MPU6050 34

Hình 2.5 Sơ đồ mạch cảm biến MPU - 6050 35

Hình 2.6 Sơ đồ xác định góc nghiêng của cảm biến gia tốc 36

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý cảm biến góc nghiêng 37

Hình 2.8 Cảm biến tốc độ 37

Hình 2.9 Hệ thống điều khiển tiến lùi của robot 38

Trang 9

Hình 2.10 Mạch Arduino 39

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H dùng tranzitor 42

Hình 2.12 Khối nguồn của robot 42

Hình 2.13 Mạch cầu H điều khiển động cơ tiến lùi 43

Hình 2.14 Mô hình hoàn thiệu của robot hai bánh tự cân bằng 43

Hình 2.15 Sơ đồ đơn giản của hệ thống cân bằng robot 44

Hình 2.16 Đáp ứng xung của mô hình hàm truyền robot 47

Hình 3.1: Điều khiển sử dụng phản hồi trạng thái 49

Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng Simulink hệ thống điều khiển cân bằng robot sử dụng phản hồi trạng thái 54

Hình 3.3: Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot trên Matlab – Simulink 54

Hình 3.4 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh tự cân bằng khi không mang tải 55

Hình 3.5 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh tự cân bằng khi có nhiễu 56 Hình 3.6 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh tự cân bằng khi thay đổi tải lệch tâm 56

Trang 10

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nghiên cứu về robot tự động (Autonomous robot) là một lĩnh vực nghiên cứu đang được phát triển mạnh trong những năm gần đây Một trong những khó khăn nhất của vấn đề nghiên cứu robot tự động là khả năng duy trì cân bằng ổn định trong những địa hình khác nhau Để giải quyết vấn đề này, các robot hầu hết có bánh xe rộng hoặc tối thiểu là ba điểm tiếp xúc so với mặt đất để duy trì sự cân bằng Tuy nhiên tăng kích thước hoặc số lượng bánh

xe sẽ làm giảm hiệu quả của hệ thống điều khiển do tăng trọng lượng xe, tăng

ma sát hoặc tăng lực kéo và tăng tổn hao năng lượng Robot hai bánh tự cân bằng là một hướng nghiên cứu sẽ giải quyết được nhược điểm Bởi robot hai bánh tự cân bằng chỉ sử dụng hai bánh xe nên giảm được cả trọng lượng và chiều rộng không gian Tuy nhiên vấn đề khó khăn cho robot là làm cách nào

để robot có thể tự cân bằng trong những điều kiện làm việc khác nhau, đồng thời tải trọng mang theo có thể thay đổi

Với mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm một mô hình robot hai bánh trước sau tự cân bằng, trong luận văn này tác giả sẽ tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo phần cứng cho robot hai bánh trước sau tự cân bằng

sử dụng bánh đà với nghiên cứu ban đầu là robot có thể cân bằng khi đứng yên và chuyển động thẳng cùng với một hệ thống điều khiển chất đảm bảo yêu cầu và áp dụng thuật toán điều khiển thích hợp

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Robot hai bánh có thể sử dụng thay con người trong thăm dò, … Từ nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng có thể phát triển mô hình robot hai bánh tự cân bằng thành xe hai bánh tự cân bằng sử dụng trong giao thông vận tải Xe hai bánh tự cân bằng có khả năng tự cân bằng cả khi đứng yên, khi chuyển động và cả khi xảy ra va chạm Xe hai bánh tự cân bằng nếu được

Trang 11

thiết kế tốt thì khi va chạm nó chỉ bị văng ra và vẫn giữ được phương thẳng đứng nhờ hệ thống tự cân bằng lắp trên nó do đó sẽ đảm bảo an toàn cho người sử dụng Do đó, nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng có tính khoa học và thực tiễn rất lớn

Trang 12

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

1.1 Giới thiệu robot hai bánh tự cân bằng

Nghiên cứu về robot tự động (Autonomous robot) là một lĩnh vực nghiên cứu đang được phát triển mạnh trong những năm gần đây Một trong những khó khăn nhất của vấn đề nghiên cứu robot tự động là khả năng duy trì cân bằng ổn định trong những địa hình khác nhau Để giải quyết vấn đề này, các robot hầu hết có bánh xe rộng hoặc tối thiểu là ba điểm tiếp xúc so với mặt đất để duy trì sự cân bằng Tuy nhiên tăng kích thước hoặc số lượng bánh

xe sẽ làm giảm hiệu quả của hệ thống điều khiển do tăng trọng lượng xe, tăng

ma sát hoặc tăng lực kéo và tăng tổn hao năng lượng Robot hai bánh tự cân bằng là một hướng nghiên cứu sẽ giải quyết được nhược điểm Bởi robot hai bánh tự cân bằng chỉ sử dụng hai bánh xe nên giảm được cả trọng lượng và chiều rộng không gian Tuy nhiên vấn đề khó khăn cho robot là làm cách nào

để robot có thể tự cân bằng trong những điều kiện làm việc khác nhau, đồng thời tải trọng mang theo có thể thay đổi

Chính vì sự hấp dẫn của robot hai bánh tự cân bằng đến từ cả vấn đề lý thuyết và thực tế nên nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học

Robot hai bánh tự cân bằng được chia làm hai loại:

+ Loại có hai bánh song song

+ Loại có hai bánh trước và sau

1.2 Tổng quan về robot hai bánh tự cân bằng trong nước và trên thế giới

1.2.1 Các nghiên cứu về robot hai bánh song song tự cân bằng

Robot hai bánh song song tự cân bằng là loại robot được thiết kế chỉ

với 2 bánh song song và đồng trục nhau Nguyên lý để giữ cân bằng cho robot

Trang 13

là việc giữ cho góc lệch giữa trục vuông góc với trục 2 bánh, với phương của trọng lực là không đổi

Việc xuất hiện của robot hai bánh giúp cho người sử dụng thuận tiện và

dễ dàng hơn trong việc di chuyển trong một không gian hẹp, trong văn phòng hay khu vui chơi Hơn nữa việc sử dụng robot cũng góp phần giảm thiểu chi phí và thân thiện với môi trường

Những loại robot tự hành hầu hết là những loại robot di chuyển bằng ba hoặc bốn bánh xe với hai bánh dẫn động được lắp ráp đồng trục, và một hoặc hai bánh tự do có thể được lắp ráp trước hoặc sau xe có nhiệm vụ giữ thăng bằng cho xe

Việc thiết kế với ba hay bốn bánh làm cho robot thăng bằng ổn định vì trọng tâm của xe được đặt vào giữa bánh dẫn động chính và bánh tự do Nếu trọng lượng đặt nhiều vào bánh dẫn động thì robot sẽ không ổn định dễ bị ngã, còn nếu đặt nhiều vào bánh lái thì hai bánh chính sẽ mất khả năng bám Nhiều robot có thể di chuyển tốt trên địa hình phẳng nhưng không thể di chuyển lên xuống trên địa hình lồi lõm hay mặt phẳng nghiêng Khi di chuyển trên mặt nghiêng sẽ làm cho robot mất khả năng bám và trượt ngã

Ngược lại các robot hai bánh đồng trục lại thăng bằng rất linh động trên các địa hình phức tạp, mặc dù bản thân là một hệ thống không ổn định Khi

nó leo sườn dốc, nó tự động nghiêng ra trước và giữ cho trọng lượng dồn về hai bánh lái chính Tương tự như vậy, khi đi xuống dốc nó nghiêng ra sau và trọng tâm rơi vào các bánh lái Chính vì vậy không bao giờ có trường hợp trọng tâm của robot rơi ra ngoài vùng đỡ của các bánh xe để có thể gây ra sự lật úp hay mất thăng bằng cho xe khi di chuyển

Trang 14

Hình 1.1 Robot hai bánh song song khi leo dốc và xuống dốc

Đối với những địa hình lồi lõm và những ứng dụng thực tế, sự thăng bằng của robot hai bánh có thể đem lại nhiều ý nghĩa thực tiễn trong giới hạn

ổn định hơn các loại robot ba hay bốn bánh truyền thống

Đối với các robot ba hay bốn bánh, việc thăng bằng và ổn định của chúng là nhờ trọng tâm của chúng nằm trong bề mặt chân đế do các bánh xe tạo ra Còn đối với robot hai bánh tự cân bằng, là loại robot chỉ có hai bánh song song với trục của hai bánh robot trùng nhau, để cho xe cân bằng, trọng tâm của robot (bao gồm cả người sử dụng chúng) cần được giữ nằm ngay giữa các bánh robot Điều này giống như ta giữ một cây gậy dựng thẳng đứng cân bằng trong lòng bàn tay

Trang 15

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 1.2 Trạng thái cân bằng của robot hai bánh song song

Hình 1.3 Trạng thái bị nghiêng của robot hai bánh song song

Trang 16

Hình 1.4 Mô tả cách bắt đầu di chuyển của robot hai bánh song song

Thực ra, trọng tâm của toàn bộ robot không được biết nằm ở vị trí nào, cũng không có cách nào tìm ra nó, và có thể không có khả năng di chuyển bánh robot đủ nhanh để giữ nó luôn ở dưới toàn bộ trọng tâm

Về mặt kỹ thuật, góc giữa sàn robot và chiều trọng lực có thể biết được Do vậy, thay vì tìm cách xác định trọng tâm nằm giữa các bánh robot, tay lái cần được giữ thẳng đứng, vuông góc với sàn robot (góc cân bằng khi

ấy là zero)

Trang 17

Nếu tay lái được đẩy hơi nghiêng tới trước, xe sẽ chạy tới trước và khi

nó được đẩy nghiêng ra sau, xe sẽ chạy lùi Đây là một phân tích lý tính Hầu hết mọi người đều có thể kiểm soát tay lái trong vòng vài giây để giữ lấy nó

Để dừng lại, chỉ cần kéo trọng tâm xe nghiêng ngược hướng đang di chuyển thì tốc độ xe giảm xuống Do tốc độ cảm nhận và phản ứng thăng bằng của mỗi người là khác nhau, nên xe hai bánh tự cân bằng chỉ được thiết kế cho một người sử dụng

1.2.1.1 Một số robot hai bán song song tự cân bằng trên thế giới

1.2.1.1.1 nBot

Hình 1.5 Robot hai bánh nBot

nBot [28] do David P Anderson sáng chế và chế tạo nBot được lấy ý tưởng cân bằng theo nguyên lý con lắc ngược như sau: Các bánh robot sẽ phải chạy theo hướng mà phần trên robot sắp ngã sao cho trọng tâm của robot luôn được giữ nằm trên đường nối giữa hai điểm tiếp xúc của hai bánh robot với mặt đất Trong thực tế, điều này đòi hỏi, robot phải có hai cảm biến là: Cảm

Trang 18

biến góc nghiêng để đo góc nghiêng của robot so với phương thẳng đứng và encoder trên mỗi bánh robot để đo vị trí cơ bản của robot Bốn thông số ngõ vào để xác định hoạt động và ví trí của robot là:

1 Góc nghiêng

2 Vận tốc góc nghiêng : đạo hàm của góc nghiêng

3 Vị trí bánh robot

4 Vận tốc bánh robot: đạo hàm của vị trí bánh robot

Hệ thống điều khiển xe được xây dựng dựa trên 4 thông số đầu vào như trên để tạo ra tín hiệu động cơ quay hai bánh của robot

1.2.1.1.2 Balance Bot I

Hình 1.6 Robot hai bánh Balance-bot I

Balance-bot I [35] (do Sanghyu, Hàn Quốc chế tạo) là một robot hai bánh song song tự cân bằng trên cơ sở điều khiển phản hồi vòng kín Robot

Trang 19

có chiều cao 50cm, khung chính được làm bằng nhôm Robot có hai trục bánh nối với hộp giảm tốc và động cơ DC để điều khiển chuyển động của robot Robot sử dụng ba bộ vi xử lý Atmel để điều khiển mọi hoạt động của robot

Vi xử lý chính (Master) thực hiện các nguyên lý điều khiển và thuật toán ước lượng Một vi điều khiển thứ hai kiểm soát tất cả các cảm biến analog Vi điều khiển thứ 3 điều khiển động cơ DC

Phương pháp điều khiển Linear quandratic regulator (LQR) được sử dụng để thiết kế và điều khiển robot Hệ thống điều khiển sử dụng 4 tín hiệu

từ hệ thống cảm biến của robot gồm:

1 Góc nghiêng

2 Vận tốc góc nghiêng : đạo hàm của góc nghiêng

3 Vị trí bánh robot

4 Vận tốc bánh robot: đạo hàm của vị trí bánh robot

để tạo ra tín hiệu điều khiển cho động cơ DC và điều khiển tốc độ bánh robot

1.2.1.1.3 Balancing robot (Bbot)

Hình 1.7 Robot hai bánh Balancing robot (Bbot)

Trang 20

Năm 2003, Jack và Jin Bai đã thiết kế và chế tạo Bbot [33] Robot có thể xác định vị trí hướng của nó đối với môi trường và lái động cơ theo hướng này

Để đo góc nghiên của robot, các tác giả đã sử dụng hệ thống đo lường góc 2DOF được tích hợp sẵn của hãng Romotion Hệ thống này gồm gia tốc

kế ADXL202 và mạch con quay hồi chuyển Vi mạch điều khiển dùng trên robot là BacsicX 24 có nhiều tính năng khác nhau, nó được dùng như bộ điều khiển động cơ, COM1 được nối với Pocket PC và COM3 được nối với bộ điều khiển Secvo Mini SSC 12 Vi xử lý nàu còn được sử dụng như CPU chính cho việc điều khiển cân bằng cho robot

1.2.1.1.4 JOE

Hình 1.8 Robot hai bánh JOE

Phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp của Viện Công nghệ Federal, Lausanne Thụy Sĩ đã tạo ra cuộc cách mạng đầu tiên khi xây dựng thành công

mô hình robot tự cân bằng đầu tiên có tên gọi JOE [30] Robot JOE có chiều

Trang 21

cao 65cm, nặng 12kg, tốc độ tối đa khoảng 1,5 m/s, có khả năng leo dốc nghiêng đến 300 Nguồn điện áp cấp cho robot là nguồn pin 32V dung lượng 1,8Ah

Robot có hai trục bánh, mỗi bánh gắn một động cơ DC và nó có thể xoay hình chữ U Hệ thống điều khiển được ghép từ hai bộ điều khiển không gian trạng thái tác rời nhau để điều khiển động cơ giữ cho robot cân bằng Những thông tin về trạng thái của JOE được cung cấp bởi hai encoder quang

và vận tốc của con quay hồi chuyển

JOE được điều khiển chuyển động bằng một bộ điều khiển từ xa R/C thường được sử dụng để điều khiển các máy bay mô hình Bộ điều khiển trung tâm và xử lý tín hiệu là một board xử lý tín hiệu số (DSP) được phát triển bởi chính nhóm nghiên cứu và viện Federal có khả năng xử lú dấu chấm động (SHARC floating point), FPGA XILINC, 12 bộ biến đổi A/D 12 bít và 4

bộ biến đổi D/A 10 bít

tứ cực LQR, đó là phần phức tạp nhất trong cấu trúc robot, bánh con lại bắt chước tốc độ của bánh thức nhất Equibot chỉ có một loại cảm biến hồng ngoại Sharp thay cho cảm biến về góc Nó được đặt thấp đề đo khoảng cách giữa robot với sàn Ngõ ra của cảm biến hồng ngoại được dùng để xác định hướng di chuyển của robot

Trang 22

Hình 1.9 Robot hai bánh Equibot

Trang 23

Hình 1.10 Robot hai bánh BaliBot

Cảm biến góc nghiêng được sử dụng để đo góc nghiên của robót so với phương thẳng đứng là gia tốc kế Motorola MMA2260 sử dụng cấu trúc MEMS

Trang 24

Hình 1.11 Các tầng cảm biến của BaliBot

PIC16F876 của hãng Microchip được dùng làm trung tâm của hệ thống điều khiển robot PIC tích hợp một bộ biến đổi A/D nhiều kênh để đo cảm biến góc nghiêng và các ngõ I/O để kiểm soát hai động cơ servo điều khiển chuyển động của robot Mạch điện điều khiển được xây dựng trên bảng prọect board Radio Shack RS 276-150 và lắp ráp phĩa trên các động cơ servo, trên khung bằng nhôm Nguồn điện cấp cho robot được đặt gần đỉnh và hoạt động như trọng lượng của con lắc ngược Một phiên bản khác của BaiBot sử dụng cảm biến hồng ngoại để đo khảng cách thay vì dùng cảm biến đo góc

Trang 25

1.2.1.1.7 Bender

Robot cân bằng Bender [32] là sản phẩm do TedLarson, San Francisco thiết kế và chế tạo Mục tiêu của dự án là xây dựng robot tự cân bằng trên mặt phẳng sàn, từ đó dùng làm nền cơ bản để xây dựng robot tự hành

Hình 1.12 Robot hai bánh Bender

1.2.1.1.8 Robot phục vụ con người Rolling của hàng TOYOTA

Rolling là một loại robot có công dụng phục vụ con người được thiết kế

và chế tạo bởi hảng TOYOTA Robot cao 100cm và năng 35kg Mẫu robot này có khả năng di chuyển nhanh mà không chiếm một không gian lớn, đồng thời đôi tay của nó cả thể làm nhiều công việc khác Robot được dùng chủ yếu làm trợ lý trong công nghiệp

Hình 1.13 Robot phục vụ con người Rolling

Trang 26

1.2.1.2 Một số loại xe hai bánh trước sau tự cân bằng

1.2.1.2.1 Segway

Segway PT [37] (viết tắt của Segway Personal Transporter - Xe cá nhân Segway), thường được gọi tắt là Segway là một phương tiện giao thông cá nhân

có hai bánh, hoạt động trên cơ chế tự cân bằng do Dean Kamen phát minh

Đặc điểm nổi bật của Segway là cơ chế tự cân bằng nhờ hệ thống máy tính, động cơ và con quay hồi chuyển đặt bên trong xe, nó giúp cho xe dù chỉ

có một trục chuyển động với hai bánh nhưng luôn ở trạng thái cân bằng, người sử dụng chỉ việc ngả về đằng trước hoặc đằng sau để điều khiển xe đi tiến hoặc đi lùi Với các điều khiển sang phải hoặc sang trái, Segway có một cần lái gọi là "Lean Steer" - muốn điều khiển sang phải hoặc sang trái chỉ cần nghiêng cần lái về phía đó Động cơ của Segway PT có thể đạt tốc độ 5,6 m/s (hay 20 km/h) Do có giá thành khá cao và mới chỉ thích hợp ở các địa điểm bằng phẳng nên Segway PT hiện chủ yếu được sử dụng ở các sở cảnh sát, căn

cứ quân sự, cơ sở sản xuất hoặc khu công nghiệp

Cơ chế tự cân bằng của Segway dựa trên hoạt động của hệ thống máy tính, hai sensor độ nghiêng và năm con quay hồi chuyển đặt trong xe Dựa trên các số liệu của sensor (lấy chuẩn cân bằng từ con quay hồi chuyển), máy tính sẽ tính toán để truyền lệnh cho các động cơ phụ di chuyển bánh xe về phía trước hoặc phía sau để tái lập cân bằng cho xe Với các mẫu Segway PT mới, quá trình này lặp đi lặp lại khoảng 100 lần một giây, đủ để cân bằng xe cho dù người lái ở trạng thái nào Khi xe đạt tới vận tốc tối đa, các phần mềm trong Segway sẽ tự động điều khiển xe hơi nghiêng về sau giúp xe di chuyển chậm lại, cơ chế này giúp hạn chế khả năng người điều khiển tiếp tục nghiêng

về trước (tăng tốc) ngay cả khi Segway đã ở vận tốc tối đa Các Segway cũng

sẽ tự động giảm tốc và dừng lại khi gặp chướng ngại vật

Trang 27

Hình 1.14 Xe Segway

Về tính an toàn, Segway có tốc độ tối đa 20 km/giờ và không bao giờ chạy quá 20 km/h, kể cả khi xuống dốc Tất cả những thiết bị an toàn (ắc quy, động cơ vận hành, máy tính computer) đều được gắn 2 lần vào xe Trong trường hợp 1 bộ phận bị hư hỏng bất ngờ, Segway vẫn có thể ổn định và ngừng một cách an toàn

Những năng lượng có thể tạo ra được khi thắng hoặc trượt dốc đều được nạp lại vào bình ắc quy

Segway có thể sử dụng để di chuyển trên vỉa hè, làn đường dành cho xe đạp hoặc đường giao thông tùy thuộc quy định của từng thành phố

1.2.1.2.2 Balancing Scooter

Trevor Blackwel chế tạo ra xe scooter dựa theo xe Segway của Mỹ Xe balancing scooter [29] tự cân bằng này được xây dựng từ những bộ phận giống động cơ xe lăn và pin từ xe RC Những bộ phận và modul để chế tạo có

Trang 28

giá thành thấp hơn phân nửa so với Segway Xe không cần phần mềm thực thi cao hay phức tạp Phiên bản đầu tiên của xe được viết trong Python và sử dụng port số để truyền thông tin đến con quay hồi chuyển và mạch điều khiển động cơ

Hình 1.15 Xe Balancing Scooter

Xe sử dụng vi điều khiển 8 bit từ Atmel chạy trên code C với một số điểm trôi Nó gọi những lệnh kiểm soát tốc độ ra port serial khoảng 9600 baud trong ASCII đối với bộ phận lái động cơ do Digikey chế tạo Một con quay hồi chuyển ceramic và gia tốc kế trên hai trục cuẩ xe để điều chỉnh hướng chính xác, cùng hoạt động với vi mạch điều khiển Atmel do Rôtmotion chế tạo

Trang 29

1.2.1.2.3 Spider

Hình 1.16 Xe Spider

Francisco Lobo cho ra đời Spider [31] vào cuối tháng 2/2004 với hình dạng trông giống scooter hơn là robot, tuy nhiên nó được ứng dụng trong cả hai lĩnh vực Nó có thể giữ cân bằng trong hầu hết các tình huống, di chuyển, lượn vòng quanh Spider được điều khiển bời hai động cơ của hàng NPC và gia tốc kế hai trục bằng thiết bị analog, chứa hai thành phần chính: Gyro kỹ thuật cảm biến silicon và Basic X (vi điều khiển) Khung xe được chế tạo từ khung nhôm và sợi carbon Bộ lái MOSFET do Roboteq sản xuất thường được dùng trên robot chiến đấu Nguồn điện là loại dùng trong mô hình RC (MiMh 3000mAh)

Trang 30

1.2.2 Các nghiên cứu về robot hai bánh trước sau tự cân bằng trên thế giới

Những năm cuối thế kỷ XX và đầu thế kỷ XXI, với sự phát triển mạnh của các thuật toán điều khiển, bài toán thiết kế và điều khiển robot hai bánh trước sau tự cân bằng phát triển rất mạnh

Về cơ bản, có ba phương pháp điều khiển cân bằng cho robot hai bánh trước sau:

(i) điều khiển cân bằng bằng bánh đà

(ii) điều khiển cân bằng bằng cách thay đổi tâm trọng lực;

(iii) điều khiển cân bằng sử dụng lực ly tâm

Cả ba phương pháp điều khiển này đã được nhiều nhà nghiên cứu phát triển và ứng dụng cho việc điều khiển cân bằng robot hai bánh trước sau

1.2.2.1 Điều khiển cân bằng bằng cách

tắc của lực ly tâm

Các phương pháp điều khiển cân bằng cho robot hai bánh bằng cách

liệu tham khảo [4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 24, 25] Bảng sau thể hiện các kết quả nghiên cứu mà các nghiên cứu này đạt được

Bảng 1.1 Các nghiên cứu chính về điều khiển robot hai bánh bằng lực ly

tâm Tài liệu

tham khảo

[6] 1995 Điều khiển cân bằng bằng cách

điều khiển lực ly tâm

Mô phỏng

[9] 1998 Định vị và cân bằng dùng mô men

hướng tâm

Mô phỏng

Trang 31

[10] 1999 Cân bằng và điều khiển chuyển

tâm trọng lực

Mô phỏng và thực nghiệm [11] 2005 Điều khiển cân bằng và tránh vật

Trong nghiên cứu ban đầu của Getz và Marsden [6], họ xây dựng một robot hai bánh tương tự như mô hình xe đạp đua Sau đó, họ phát triển một bộ điều khiển cân bằng dựa trên nguyên lý của lực ly tâm để điều khiển tay lái của robot khi robot di chuyển trên đường thẳng và một đường hình sin Tuy nhiên, kết quả của nghiên cứu chỉ dừng ở mô phỏng

Năm 1998, Yavin [9] tiếp tục phát triển một mô hình động lực học của robot hai bánh và thuật toán điều khiển robot đi theo một quỹ đạo đặt trước

mà vẫn duy trì được sự cân bằng Sau đó ông đã mở rộng nghiên cứu trong [5] bằng cách thêm một bánh đà vào trong cấu tạo của robot Trong [11], ông kết hợp điều khiển cân bằng, tránh va chạm theo một quỹ đạo đặt trước

Trang 32

Suryanarayanan et al [24] đã phát triển phương trình tuyến tính hóa mô

tả chuyển động của robot hai bánh ở tốc độ cao và đưa ra thuật toán điều khiển tay lái của robot để điều khiển cân bằng robot Bộ điều khiển được xây dựng dựa trên lý thuyết điều khiển kinh điển Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng duy trì cân bằng và chống nhiễu loạn bên trong tốt Tuy nhiên, nghiên cứu này không có mô hình thực nghiệm

Takana và Murakami [25] suất phát từ mô hình toán học bậc hai mô tả robot hai bánh dưới tác động của trọng lực và lực ly tâm, sau đó xây dựng bộ điều khiển để điều khiển tay lái robot nhằm duy trì sự cân bằng của robot Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh sự đúng đắn của mô hình robot

và thuật toán điều khiển

Trong nghiên cứu năm 2005, Iuchi et al [12] kết hợp cả điều khiển góc lái và điều khiển trọng tâm trọng lực để cân bằng robot hai bánh Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ở các tốc độ khác nhau cho thấy khả năng chống nhiễu loạn bên trong và duy trì cân bằng tốt

Ham and Choi [8] nghiên cứu về mô hình động lực học, động học và động học ngược của robot hai bánh Họ đã phát triển một thuật toán điều khiển bám theo quỹ đạo chuyển động Kết quả nghiên cứu chỉ dừng ở mô phỏng trên Matlab mà không có kết quả thực nghiệm

Năm 2006, Guo et al [7] phát triển một mô hình động học phi tuyến của robot hai bánh sử dụng phương pháp Lagrange Sau đó, họ thiết kế một

bộ điều khiển mờ để điều khiển góc lái để duy trì cân bằng của robot Kết quả nghiên cứu chỉ dừng ở mô phỏng trên Matlab

Trong nghiên cứu [4] Ånnestad đã xây dựng mô hình robot hai bánh dựa trên nền tảng của một xe đạp, mô hình hóa robot và xây dựng bộ điều khiển dựa trên LQG để điều khiển tay lái nhằm duy trì cân bằng cho robot và điều khiển robot bám theo quỹ đạo đặt trước Kết quả mô phỏng và thực

Trang 33

nghiệm đã chứng minh tính đúng đắn của mô hình robot và thuật toán điều khiển

Tất cả các nghiên cứu trong việc duy trì cân bằng bằng cách điều khiển tay lái cho thấy rằng hệ thống không thể cân bằng khi robot đứng yên Đây là một hạn chế lớn của phương pháp này

1.2.2.2 Điều khiển cân bằng nhờ thay đổi tâm trọng lực

Các phương pháp điều khiển cân bằng nhờ điều chỉnh tâm trọng lực được chỉ ra trong nghiên cứu [20] và [26]

Bảng 1.2 Các nghiên cứu chính về điều khiển robot hai bánh bằng di

chuyển tâm trọng lực Tài liệu

tham khảo

[26] 2006 Điều khiển cân bằng và điều khiển

quỹ đạo chuyển động

Mô phỏng và thực nghiệm

Lee và Ham [20] ban đầu xây dựng một mô hình động học cho robot hai bánh và sau đó xây dựng một bộ điều khiển phi tuyến để điều khiển việc

di chuyển tâm trọng lực để giúp robot hai bánh cân bằng

Yamakita et al [26] phát triển các thuật toán điều khiển độc lập cho việc điều khiển bám quỹ đạo chuyển động và cân bằng cho robot hai bánh dựa trên một bộ điều khiển phi tuyến

Trong phương pháp điều khiển này bất lợi lớn nhất là thời gian đáp ứng của hệ thống điều khiển chậm và cần phải thêm vào robot một bộ phận trọng lực làm tăng trọng lượng của robot

Trang 34

1.2.2.3 Điều khiển cân bằng sử dụng bánh đà

Các phương pháp điều khiển cân bằng cho robot hai bánh sử dụng bánh

đà được chỉ ra trong các nghiên cứu [1, 2, 3, 5, 19, 22, 23]

Bảng 1.3 Các nghiên cứu về điền khiển robot hai bánh sử dụng bánh đà Tài liệu

tham

khảo

[19] 2003 Điều khiển cân bằng và quỹ đạo

chuyển động

Mô phỏng và thực nghiệm

thực nghiệm [22] 2013 Điều khiển cân bằng và quỹ đạo

chuyển động

Mô phỏng và thực nghiệm Trong các nghiên cứu năm 1998 và 2003, Beznos et al [1] và Lenskii

et al [19] xây dựng các robot hai bánh sử dụng hệ thống con quay hồi chuyển

và xây dựng các thuật toán điều khiển để cân bằng các robot hai bánh này Bộ cân bằng gồm hai bánh đà quay theo hai chiều ngược nhau và được thiết kế gồm 3 vòng điều khiển: điều khiển góc lái để thay đổi hướng chuyển động; điều khiển vận tốc chuyển động của xe và điều khiển cân bằng Các bộ điều khiển được thực hiện trên vi điều khiển 80C196KC với tần số đồng hồ 20Mhz

Trang 35

Hình 1.17 Robot hai bánh tự cân bằng của Gallaspy

Gallaspy, J.M [5] xây dựng một mô hình robot hai bánh sử dụng bánh

đà theo nguyên lý con quay hồi chuyển để cân bằng robot Ông cũng mô hình hóa robot dựa theo phương pháp Lagrange và xây dựng bộ điều khiển theo phương pháp quỹ đạo nghiệm Trong thí nghiệm của ông, robot có thể duy trì cân bằng trong thời gian ngắn thời gian

Suprapto [23] sử dụng bộ điều khiển PD để điều khiển cân bằng robot, điều khiển tiến lùi của robot được thực hiện bằng tay Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy robot có thể cân bằng tốt khi không có tác động từ bên ngoài và không mang tải

Trang 36

Hình 1.18 Robot hai bánh tự cân bằng của Suprapto

Hình 1.19 Robot hai bánh tự cân bằng của Pom Yuan Lam

Pom Yuan Lam [22] xây dựng bộ điều khiển PD để điều khiển bánh đà theo nguyên lý con quay hồi chuyển để duy trì cân bằng cho robot hai bánh Kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng minh robot có thể duy trì cân bằng trong thời gian dài cũng như chịu tác động mạnh của ngoại lực

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	1,67 MB