CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU BICYROBOT 1.1 Giới thiệu vấn đề cần nghiên cứu Xe đạp được phát triển cách đây gần 2 thế kỷ, mở ra kỷ nguyên mới cho những phương tiện di chuyển có bánh hiện đại ngày nay. Xe đạp là phương tiện vận chuyển hàng hóa, phương tiện đi lại suốt từ khi được phát minh đến nay. Với tình hình ô nhiễm môi trường như hiện nay, các phương tiện di chuyển cá nhân thân thiện với môi trường đang được nghiên cứu rất nhiều. Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu về phương tiện không người lái đã được thực hiện.
So với ô tô, xe đạp cơ động hơn, sử dụng ít không gian hơn trong khi di chuyển bởi kích thước nhỏ gọn nhưng cũng có những bất lợi nhất định bởi cấu trúc 2 bánh. Xe đạp linh hoạt hơn và dễ điều khiển hơn so với bất cứ phương tiện nào khác, có thể di chuyển qua những con hẻm nhỏ hoặc những không gian chật hẹp, trong khi ô tô thì không thể. Cấu trúc chính của xe đạp gồm 4 phần: khung xe, hai bánh xe tiếp xúc với mặt đường (được giả sử phẳng và nằm ngang) và một phần không thể tách rời đó là người điều khiển xe (có khối lượng lớn nhất trong toàn bộ hệ thống). Người lái có thể được mô hình hóa gắn chặt với xe hoặc có thể di chuyển ngang, dọc, tác dụng lực vào tay lái.
Do chỉ có 2 điểm tiếp xúc với mặt đường, xe đạp mặc định đã là hệ thống không ổn định, giống như hệ con lắc ngược.2 Ý nghĩa khoa học Robot tự cân bằng là một hệ thống dựa trên khái niệm hệ thống con lắc ngược, nơi nó thẳng đứng được xoay trên hai bánh xe. Nếu không có bộ điều khiển thích hợp, hệ thống tự nó không thể được cân bằng và sẽ ngã. Do đó, bản thân nó là một hệ thống không ổn định và tính phi tuyến của nó làm cho vấn đề điều khiển trở nên khó khăn, kết quả là một chủ đề nghiên cứu đầy thách thức được đặt ra.3 Ứng dụng thực tiễn Với những chiếc mô tô PKL nặng thì việc giữ thăng bằng khi chạy ở tốc độ rất chậm đòi hỏi kỹ năng lái xe tốt. Việc có một bộ điều khiển giúp xe tự cân bằng khi di chuyển ở tốc độ chậm hoặc khi dừng lại là điều cần thiết.
Một phương tiện hai bánh có tên là C1 được phát triển từ công nghệ tự cân bằng của xe ba bánh và có thể là giải pháp hữu hiệu, phù hợp với những ai điều khiển mô tô trong điều kiện đường trơn trượt do điều kiện thời tiết. Mẫu xe lý tưởng này do công ty Lit Motors bắt đầu thực hiện từ năm 2012, xe hoạt động bằng điện và có khả năng tự thăng bằng nhờ vào hệ thống cảm biến điện tử, đối trọng đặc biệt nằm dưới gầm xe, thậm chí là xe còn có thể giữ cân bằng ngay cả khi bị húc bởi những phương tiện khác khi di chuyển trên đường. Hiện giá bán mà Lit Motors đưa ra cho mẫu xe này là 24.000 USD, tương đương khoảng 530 triệu đồng.1: Thiết kế xe tự cân bằng C-1 của Lit Motors. Ngoài ra, tại triễn lãm Điện tử tiêu dùng vào tháng 6/2017 tại Las Vegas, Honda đã giới thiệu công nghệ hỗ trợ lái, sử dụng công nghệ cho phép xe gắn máy cân bằng với tốc độ chậm mà không cần sử dụng con quay.
Khi chiếc xe chuyển từ chế độ thông thường sang chế độ tự cân bằng, phuộc trước sẽ được đẩy về phía trước, đưa bánh trước cách xa hơn với phần thân xe. Đồng thời các cảm biến sẽ hoạt đồng và đưa dữ liệu về bộ xử lý trung tâm nhằm điều chỉnh thân xe sao cho xe không bị ngã. Chiếc xe của Honda không chỉ hỗ trợ tài xế trong việc giữ thăng bằng mà nó còn có thể tự đứng thăng bằng lúc không có tài xế trên xe. Các kỹ sư của Honda nhận ra rằng nếu 3 một chiếc xe có thể “tự đứng” thì tại sao lại không cho phép nó có thể tự lái.
Honda đã ứng dụng những nghiên cứu từ thiết bị di chuyển cá nhân Uni-Cub vào các vấn đề của đời thực.2: Xe máy tự cân bằng của hang Honda với hệ thống hỗ trợ lái 1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan Trong vài thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã tìm ra các giải pháp khác nhau để cân bằng động hệ thống bicycle robot. Các ý tưởng thực hiện việc này có thể chia làm 4 nhóm chính như sau: Ổn định hồi chuyển, điều khiển góc lái, điều khiển bánh đà, Mass balancing Sau đây, ta đi tìm hiểu cụ thể các phương pháp điều khiển dựa trên các nhóm cơ bản này Nhóm phương pháp dựa trên ổn định hồi chuyển (CMG); Nghiên cứu đầu tiên thực hiện việc ổn định xe đạp bằng con quay hồi chuyển được thực hiện bởi Beznos et al, 1998 [1]. Về mặt khái niệm, nghiên cứu này dựa trên ý tưởng cũ về con quay hồi chuyển cân bằng hệ xe chạy trên monorail của Louis Brennan’s và xe của Pyotr Shylovsky’s (đầu thế kỷ 20). Xe được ổn định cân bằng bởi hai bánh đà quay ngược chiều nhau theo hướng đối diện, hai bánh đà được đặt giữa xe (về phía dưới).
Cả sự chuyển động của con quay hồi chuyển cũng như tốc độ của con quay đều góp phần điều khiển cho xe đứng thẳng. Việc sử dụng các con quay hồi chuyển nhanh chủ 4 yếu được các tác giả đánh giá cao đến mức độ ổn định liên tục mà phương pháp này có thể tạo ra khi so sánh với điều khiển bánh lái và điều khiển cân bằng khối lượng khi xe dừng hoặc di chuyển chậm. Phạm vi tốc độ mà các tác giả thường nghiên cứu và điều khiển do đó cũng thường ở trạng thái tĩnh và ở tốc độ thấp (<1m / s). Các loại bộ điều khiển khác nhau để kiểm soát sự vận động hồi chuyển được thực hiện như điều khiển H2 / H ∞ [3].
Thanh và Parnichkun, 2008 [3]đề xuất thiết kế một bộ điều khiển hỗn hợp H2/ H∞ sử dụng phương pháp tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để điểu khiển cân bằng xe đạp. Kết quả đạt được một bộ điều khiển bền vững với các thông số không chắc chắn cho hiệu suất cao hơn so với bộ điều khiển PD thông thường cũng như thuật toán đề xuất cho kết quả tốt hơn so với thuật toán di truyền.Tác giả đã chọn phương pháp áp dụng lực điều khiển lên bánh đà để đảm bảo xe có thể cân bằng ở mọi vận tốc (kế cả khi xe đứng yên_vận tốc bằng không). Quyết định sử dụng bộ điều khiển H2/H∞ được thúc đẩy bởi sự bền vững của bộ điều khiển lên đối tượng với những thông số không chắc chắn. Thuật toán tối ưu hóa phỏng sinh học sau đó được áp dụng để tìm kiếm các tham số của bộ điều khiển được chỉ định theo một cấu trúc có thể chấp nhận được để giảm thiểu tích phân bình phương sai số (chuẩn H2) chịu các ràng buộc về tính ổn định bền vững (chuẩn H ∞) đối với sự không chắc chắn của mô hình và nhiễu bên ngoài.
Mô hình thi công thực tế trong hình 1.3: Xe đạp cân bằng sử dụng H2/ H∞ (Thanh và Parnichkun, 2008) [3] 5 Hình 1.4: Mô hình xe cân bằng sử dụng con quay hồi chuyển bởi (Yetkin et al, 2014) [5]. Lam, 2011 [6] đã tuyên bố trong nghiên cứu của mình rằng bộ điều khiển PD là đủ để điều khiển con quay hồi chuyển gắn trên một mô hình xe đạp kích thước nhỏ. Kết quả được kiểm chứng trên một mô hình xe đạp thực tế với bánh đà quay trong mặt phẳng của khung và quay trái-phải như trong hình 1.5: Xe đạp cân bằng kích thước nhỏ với con quay hồi chuyển: tổng quát (Lam, 2011) [6] 6 Hình 1.6: Xe đạp cân bằng kích thước nhỏ với con quay hồi chuyển: bánh đà (Lam, 2011). Trong nghiên cứu của mình, Yetkin et al, 2014 [5] đã đề xuất thiết kế bộ điều khiển trượt (SMC) bậc 1 để điều khiển CMG và ổn định một chiếc xe đạp với vận tốc tới bằng không.
Kết quả được so sánh với phương pháp điều khiển PID để đánh giá tính ưu việt của bộ điều khiển SMC đối với việc ổn định hệ thống phi tuyến. Zhang et al, 2014 [7] đã ứng dụng phương pháp sử dụng hàm Lyapunov để lái CMG của mô hình robot hình 1. Kết quả của nghiên cứu là thiết kế được bộ điều khiển cân bằng được robot không người lái. Bên cạnh đó, nghiên cứu còn thực hiện các thí nghiệm với người lái xe đạp để nghiên cứu về khả năng điều chỉnh và kiểm soát tư thế động lực của con người.7: Xe đạp cân bằng sử dụng con quay hồi chuyển (Zhang et al, 2014).
[7] 7 He & Zhao, 2015 [8] quay lại với mô hình được sử dụng trong nghiên cứu của Suntharasantic và Wongsaisuwan (2011) [4] đề xuất bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính để điều khiển CMG nhưng với CMG được gắn ở phía sau xe – Hình 1. Nghiên cứu giải quyết được vấn đề cân bằng xe khi di chuyển với vận tốc thấp của con quay hồi chuyển. Nhưng bên cạnh ưu điểm, hệ thống vẫn tồn tại khuyết điềm là năng lượng tiêu hao quá lớn, bên cạnh đó, phát sinh thêm một vấn đề đó là khi con quay tạo ra moment thẳng đứng tác dụng lên xe, bánh trước của xe có xu hướng rời khỏi mặt đất và xe có thể ngã ngược về phía sau.8: Mô hình xe trong nghiên cứu của He và Zhao, 2015.[8] Ổn định bằng con quay hồi chuyển, ưu điểm của hệ thống này đó là nó có thể tạo ra moment quay lớn, hệ thống thậm chí có thể ổn định ngay cả khi xe đứng yêu. Nhược điểm là nó tiêu thụ quá nhiều năng lượng bởi con quay hồi chuyển lúc nào cũng xoay quanh trục, ngoài ra, cấu trúc vật lý của nó khá phức tạp.
Một dự án của so sánh các phương pháp trên đã được thực hiện bởi Coady et al, 2013 [10]. Xây dựng mô hình của dự án này được thể hiện ở hình 1.9: Mô hình xe thu nhỏ được xây dựng trong một dự án của sinh viên (Coady et al, 2013).[10] Nhóm phương pháp dựa trên điều khiển góc lái Lý thuyết về điểu khiển góc lái lần đầu tiên được J.Fajans giới thiệu trong tạp chí “American Journal of Physics” vào năm 1999. Điều khiển góc lái, một bộ điều khiển kiểm soát việc bao nhiêu lực sẽ được tác dụng lên tay láu để cân bằng xe đạp.