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.
