Luận văn thạc sĩ về bộ điều khiển nhúng và thuật toán CMAC cho xe hai bánh tự cân bằng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển nhúng sử dụng thuật toán CMAC cho xe hai bánh tự cân bằng, nâng cao hiệu suất và ổn định.

• Tác giả: Nguyễn Lê Nhựt Tuyên
• Người hướng dẫn: TS. Trương Đình Châu
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Xây Dựng Bộ Điều Khiển Nhúng Giải Thuật CMAC Cho Xe Hai Bánh Tự Cân Bằng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan

Trong những năm gần đây, xe hai bánh tự cân bằng đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành tự động hóa. Các hệ thống này thường được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như robot, phương tiện tự hành và các thiết bị di động. Việc phát triển bộ điều khiển nhúng cho các hệ thống này là cần thiết để đảm bảo tính ổn định và khả năng điều khiển chính xác. Đặc biệt, thuật toán CMAC (Cerebellar Model Articulation Controller) đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả cho việc điều khiển các hệ thống không ổn định như xe hai bánh tự cân bằng. CMAC có khả năng học nhanh và dễ dàng hội tụ, giúp cải thiện hiệu suất điều khiển trong thời gian thực.

1.1 Giới thiệu về đề tài

Đề tài này tập trung vào việc xây dựng bộ điều khiển nhúng cho xe hai bánh tự cân bằng sử dụng thuật toán CMAC. Mục tiêu chính là phát triển một bộ điều khiển có khả năng thích nghi cao, không cần mô hình hóa hệ thống, nhằm điều khiển góc nghiêng và vị trí của xe. Việc áp dụng CMAC trong điều khiển giúp cải thiện khả năng phản ứng của hệ thống trước các thay đổi trong môi trường và các yếu tố gây nhiễu.

1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều khiển xe hai bánh tự cân bằng có thể được chia thành ba phần: điều khiển góc nghiêng, điều khiển vị trí và điều khiển góc xoay. Các phương pháp điều khiển truyền thống như PID thường gặp khó khăn khi hệ thống hoạt động xa điểm tuyến tính hóa. Do đó, việc sử dụng công nghệ điều khiển nhúng và các thuật toán thông minh như CMAC đang ngày càng trở nên phổ biến. CMAC không chỉ giúp cải thiện tốc độ học mà còn cho phép điều khiển thời gian thực hiệu quả hơn.

II. Khảo sát đặc tính động lực học của hệ thống

Để xây dựng một bộ điều khiển nhúng hiệu quả cho xe hai bánh tự cân bằng, việc khảo sát đặc tính động lực học của hệ thống là rất quan trọng. Mô hình động lực học giúp xác định các thông số cần thiết cho việc điều khiển, bao gồm khối lượng, bán kính bánh xe, và các lực tác động lên hệ thống. Các phương trình động lực học được xây dựng dựa trên phương pháp Lagrange, cho phép phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của xe. Việc hiểu rõ các đặc tính này sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế bộ điều khiển và cải thiện hiệu suất điều khiển.

2.1 Đặc tính động lực học của hệ thống

Mô hình động lực học của xe hai bánh tự cân bằng được xây dựng dựa trên các thông số như khối lượng, kích thước và lực ma sát. Các phương trình động lực học cho phép phân tích mối quan hệ giữa điện áp điều khiển và các yếu tố như góc nghiêng, vị trí và vận tốc của xe. Việc khảo sát các thông số này giúp xác định các tín hiệu điều khiển cần thiết để duy trì sự ổn định của hệ thống trong quá trình hoạt động.

2.2 Khảo sát ảnh hưởng của đặc tính phi tuyến

Đặc tính phi tuyến của hệ thống có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất điều khiển. Các yếu tố như góc nghiêng và vận tốc có thể thay đổi theo thời gian, dẫn đến sự thay đổi trong phản ứng của hệ thống. Việc mô phỏng và phân tích các đặc tính phi tuyến giúp hiểu rõ hơn về cách mà hệ thống phản ứng với các tín hiệu điều khiển khác nhau. Kết quả từ các mô phỏng cho thấy rằng việc sử dụng thuật toán CMAC có thể cải thiện đáng kể khả năng điều khiển trong các tình huống phi tuyến.

III. Giải thuật CMAC

Giải thuật CMAC là một trong những phương pháp điều khiển thông minh được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động. CMAC hoạt động dựa trên nguyên lý học tập của tiểu não, cho phép hệ thống học hỏi và thích nghi với các điều kiện thay đổi mà không cần phải xây dựng mô hình toán học phức tạp. Việc áp dụng CMAC trong điều khiển xe hai bánh tự cân bằng giúp cải thiện tốc độ phản ứng và khả năng hội tụ của hệ thống.

3.1 Giải thuật CMAC

Giải thuật CMAC sử dụng một mạng neural để thực hiện việc điều khiển. Mạng này có khả năng học nhanh và dễ dàng hội tụ, giúp cải thiện hiệu suất điều khiển trong thời gian thực. CMAC không yêu cầu mô hình hóa hệ thống, điều này giúp giảm thiểu độ phức tạp trong việc thiết kế bộ điều khiển. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng CMAC có thể đạt được hiệu suất cao trong việc điều khiển các hệ thống không ổn định như xe hai bánh tự cân bằng.

3.2 Xây dựng bộ điều khiển CMAC cho xe hai bánh tự cân bằng

Việc xây dựng bộ điều khiển CMAC cho xe hai bánh tự cân bằng bao gồm các bước như xác định các tham số đầu vào, thiết kế cấu trúc mạng và tối ưu hóa tốc độ học. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các tham số này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất điều khiển. Hệ thống CMAC có khả năng học hỏi từ các tín hiệu điều khiển thực tế, giúp cải thiện khả năng phản ứng của xe trong các tình huống khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về xe hai bánh tự cân bằng, tình hình nghiên cứu trên thế giới, các giải thuật điều khiển đã được sử dụng cho hệ này với những ưu và khuyết điểm của nó, giới thiệu tổng quát về bộ điều khiển CMAC. - Chương 2: Tìm hiểu đặc tính động lực học của hệ xe hai bánh tự cân bằng để phục vụ cho việc xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab, khảo sát ảnh hưởng của các thông số và nhiễu tác động để từ đó hiểu sâu hơn về đối tượng điều khiển. - Chương 3: Nghiên cứu về giải thuật điều khiển CMAC thông thường và giải thuật CMAC mở rộng, mô phỏng để khảo sát các thông số của giải thuật, ứng dụng bộ bộ điều khiển CMAC cho hệ xe hai bánh tự cân bằng. - Chương 4: Trình bày thiết kế cơ khí, các thành phần cảm biến sử dụng cho đối tượng thực và cách thực hiện bộ điều khiển nhúng trên vi điều khiển TMS320F28335 và so sánh kết quả đạt được giữa mô phỏng và thực nghiệm, 7 giúp đánh giá kết quả đáp ứng của hệ robot 2 bánh tự cân bằng so với các thuật toán kinh điển đã thực hiện.

- Chương 5: Đề cập đến những ưu điểm và khuyết điểm của từng giải thuật đã thực hiện trong luận văn, cũng như đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện và mở rộng đề tài. 8 Chương 2 KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ THỐNG 2.1 Giới thiệu Bộ điều khiển CMAC được thiết kế không dựa trên mô hình toán của hệ thống. Tuy nhiên, cần phải khảo sát đặc tính động lực học của hệ thống để biết được tín hiệu điều khiển là gì, ngõ ra mong muốn là gì. Đồng thời, cần biết mô hình toán của hệ thống để xây dựng chương trình mô phỏng, khảo sát bộ điều khiển CMAC.2 Đặc tính động lực học của hệ thống Xét mô hình xe hai bánh tự cân bằng: Hình 2.1 – Mô hình robot hai bánh tự cân bằng Hình 2.2 – Hình chiếu của mô hình xe hai bánh tự cân bằng lên các mặt phẳng Ý nghĩa các ký hiệu: STT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa 1 m kg Khối lượng bánh xe 9 2 M kg Khối lượng thân xe 3 R m Bán kính bánh xe 4 W m Chiều rộng của xe 5 D m Chiều sâu của xe 6 H m Chiều cao của xe 7 L m Khoảng cách từ trọng tâm của xe đến trục bánh xe 8 fw Hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt phẳng di chuyển 9 fm Hệ số ma sát giữa xe và động cơ DC 2 10 Jm kgm Moment quán tính của động cơ DC 11 Rm  Điện trở động cơ DC 12 Kb Vsec/rad Hệ số EMF của động cơ DC 14 Kt Nm/A Moment xoắn của động cơ DC 15 n Tỷ số giảm tốc 2 16 g m/s Gia tốc trọng trường 17  rad Góc trung bình của bánh trái và bánh phải 18 l,r rad Góc của bánh trái và bánh phải 19  rad Góc nghiêng của phần thân xe 20  rad Góc xoay của xe 21 xl , yl , zl m Tọa độ bánh trái 22 xr , yr , zr m Tọa độ bánh phải 23 xm , ym , zm m Tọa độ trung bình 24 F , F , F Nm Moment phát động theo các phương khác nhau 25 Fl , Fr Nm Moment phát động của động cơ bánh trái, bánh phải 26 il , ir A Dòng điện động cơ bánh trái, bánh phải 27 vl , vr V Điện áp động cơ bánh trái, bánh phải Với hệ trục tọa độ như hình vẽ, ta tìm phương trình động lực học của hệ xe hai bánh tự cân bằng theo phương pháp Lagrange.

Giả sử tại thời điểm t=0, xe di chuyển theo chiều dương trục x, ta có các phương trình sau: 1  (   r )     2 l     R  (0.1)    (   )   W r l  10  x dt   xm    m   y    y dt  ,  xm    R cos   m    m   y   R sin   (0.2)  zm   R  m        W   W   xm  2 sin    xm  2 sin    xl     xr     xb   xm  L sin cos   y    y  W cos  ,  y    y  W cos  ,  y    y  L sin sin   (0.3)  l  m 2   r  m 2   b  m   zl       r  z z     b  m z  z  Lc os   z m   m      Phương trình động năng của chuyển động tịnh tiến: 1 1 1 T1 m( x l2  y l2  z l2)  m( x 2r  y 2r  z 2r )  M ( x b2  y b2  z b2 ) (0.4) 2 2 2 Phương trình động năng của chuyển động quay: 1 1 1 1 1 1 T2  J w l2  J w 2r  J 2  J  2  n 2 J m (l  )2  n 2 J m ( r  ) 2 (0.5) 2 2 2 2 2 2 1 1 Trong đó, n 2 J m (l  ) 2 , n 2 J m ( r  ) 2 là động năng quay của phần ứng 2 2 động cơ trái và phải. Phương trình thế năng: U  mgzl  mgzr  mgzb (0.6) Phương trình Lagrangian L: L  T1  T2  U (0.10) Lấy đạo hàm L theo các biến  , , ta có các biểu thức sau: F  (2m  M ) R 2  2 J w  2n 2 J m    ( MLR cos  2n 2 J m )  MLR 2 sin (0.11) 11 F  (MLR cos  2n2 J m )  ( ML2  J  2n2 J m )  MgL sin  ML2 2 sin cos (0.12) 1 W2  F   mW  J  2 ( J w  n 2 J m )  ML2 sin 2     2ML2 sin cos 2 (0.13) 2 2R  Moment lực do động cơ DC sinh ra:    F   Fl  Fr        F   F  (0.15) Fr  nKt ir  f m (   r )  f w r (0.16) F  nKt il  nKt ir  f m (  l )  f m (  r ) (0.17) Do điều khiển động cơ DC theo phương pháp PWM nên chuyển từ dòng sang áp: Lmil ,r  vl ,r  Kb (  l ,r )  Rmil ,r (0.18) Điện cảm phần ứng tương đối nhỏ, có thể bỏ qua, suy ra: vl ,r  Kb (  l ,r ) il ,r  (0.19) Rm Từ đó, các công thức moment lực viết dưới dạng áp: F   (vl  vr )  2(   f w )  2  (0.23) Rm nKt Kb   fm (0.24) ta suy ra các phương trình động lực học mô tả chuyển động của xe hai bánh: 12 (2m  M ) R 2  2 J w  2n2 J m    (MLR cos  2n 2 J m )  MLR 2 sin (0.26) 1 W2  2 mW 2  J   2 ( J w  n 2 J m )  ML2 sin 2     2ML2 sin cos  2R  (0.27) 2 W W   (vr  vl )  2 (   f w ) 2R 2R Phương trình (2.26) thể hiện mối quan hệ giữa điện áp điều khiển hai động cơ với độ nghiêng, vị trí, vận tốc và góc xoay của xe, ta thấy vl và vr thể hiện dưới dạng tổng vl  vr. Trong khi đó, phương trình (2.27) thể hiện mối quan hệ giữa điện áp hai động cơ với góc xoay, ta thấy ta thấy vl và vr thể hiện dưới dạng hiệu vl  vr. Vì vậy, có thể xem tổng vl  vr là tín hiệu điều khiển góc nghiêng, vị trí và vận tốc và hiệu vl  vr là tín hiệu điều khiển góc xoay của xe.

Khi đó, bài toán điều khiển xe hai bánh tự cân bằng có thể được tách thành hai bài toán nhỏ hơn với hai tín hiệu điều khiển là V và V :  vl  V  V  1 V    ( vl  vr )   2   (0.3 Khảo sát ảnh hưởng của đặc tính phi tuyến Dựa vào các phương trình động lực học của hệ robot (2.20) thấy rằng các thông số phi tuyến bao gồm các thành phần: sin , cos và  2 , 2 , để thấy rõ được ảnh hưởng của đặc tính phi tuyến của hệ robot, xây dựng mô hình của hệ robot, kiểm tra đáp ứng của hệ thống trên Matlab Simulink.4 Mô hình phi tuyến đối tượng robot 2 bánh tự cân bằng. - Kết quả mô phỏng Simulink so sánh đáp ứng hệ phi tuyến và hệ tuyến tính hóa với tín hiệu vào ở hai bánh xe trái phải là hằng số khi góc nghiêng ban đầu là 0 rad: Hệ phi tuyến Hệ tuyến tính hóa tại điểm làm việc 25 x 10 6 2 Theta Theta 4 0 2 -2 0 -4 -2 -4 -6 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 26 x 10 40 0 Thetadot 20 -0.5 – Vị trí và vận tốc. 26 x 10 2 1 Psi 0 0 -1 Psi -2 -2 -4 -3 -6 -4 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 27 x 10 20 0 Psidot 10 Psidot -0.6 – Góc nghiêng và vận tốc góc nghiêng. 14 0 0 Phi Phi -1 -1 -2 -2 -3 -3 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 0 0 Phidot Phidot -0.7 – Góc xoay và vận tốc góc xoay.

- Kết quả mô phỏng Simulink so sánh đáp ứng hệ phi tuyến và hệ tuyến tính hóa với tín hiệu vào ở hai bánh xe trái phải có dạng sóng sin có biên độ nhỏ khi góc nghiêng ban đầu là 0 rad: Hệ phi tuyến Hệ tuyến tính hóa tại điểm làm việc 0.