Đặt vấn đề: Trong ngành tự động hóa – điều khiển tự động nói chung và điều khiển học nói riêng, mô hình con lắc ngƣợc là một trong những đối tƣợng nghiên cứu điển hình và đặc thù bởi đặc tính động không ổn định của mô hình nên việc điều khiển đƣợc đối tƣợng này trên thực tế đặt ra nhƣ một thử thách. Công nghệ robot đã đạt đƣợc nhiều thành tựu lớn và xuất hiện trong nhiều lĩnh vực nhƣ: robot dân dụng giúp việc gia đình, robot thực hiện việc giải trí - quảng cáo, robot công nghiệp, robot tự hành thám hiểm trong lòng đất, robot thăm dò các hành tinh trong khoa học vũ trụ. Kết quả nghiên cứu mô hình con lắc ngƣợc cơ bản, ví dụ nhƣ mô hình xe-con lắc, con lắc ngƣợc quay… có thể ứng dụng và kế thừa sang các mô hình tƣơng tự khác nhƣng có tính ứng dụng thực tiễn hơn, chẳng hạn nhƣ mô hình tên lửa, mô hình xe hai bánh tự cân bằng… Xuất phát từ ý tƣởng chiếc xe hai bánh tự cân bằng Segway, một phát minh nổi tiếng của Dean Kamen – một kỹ sƣ ngƣời Mỹ vào năm 2001, đã mở ra một hƣớng phát triển chế tạo robot mới, đó là các robot hai bánh tự cân bằng. Đây là loại robot có hai bánh, có thể tự giữ thăng bằng, di chuyển và hoạt động dễ dàng trong các khoảng không gian nơi mà sự linh hoạt, cơ động, hiệu quả đƣợc đặt lên hàng đầu.
Với những ƣu điểm đó, robot hai bánh tự cân bằng đã nhận đƣợc nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu và các hãng sản xuất robot trên thế giới trong những năm gần đây. Robot hai bánh tự cân bằng đƣợc xem nhƣ cầu nối kinh nghiệm giữa mô hình con lắc ngƣợc với robot hai chân và robot giống ngƣời. Đây là dạng robot có hai bánh đồng trục, do đó khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm vốn có của các robot hai hoặc ba bánh kinh điển. Các robot hai hoặc ba bánh kinh điển, theo đó có cấu tạo gồm bánh dẫn động và bánh tự do để đỡ trọng lƣợng robot.
Nếu trọng lƣợng đƣợc đặt nhiều vào bánh lái thì robot sẽ không ổn định và dễ bị ngã, còn nếu đặt vào nhiều bánh đuôi thì hai bánh chính sẽ mất khả năng bám. Nhiều thiết kế robot có thể di chuyển tốt trên địa hình phẳng nhƣng không thể di chuyển lên xuống trên địa hình lồi lõm hoặc mặt phẳng nghiêng. Khi di chuyển lên đồi, trọng lƣợng robot dồn vào đuôi xe làm mất khả năng bám và trƣợt ngã. Tuy nhiên, loại robot này hoạt động dựa trên mô hình hệ con lắc ngƣợc gắn lên trên trục có hai bánh xe, nên khuyết điểm chính của nó là cần phải có một bộ điều 2 khiển để điều khiển cho robot luôn giữ đƣợc thăng bằng, di chuyển và hoạt động.
Do vậy, bài toán đƣợc đặt ra ở đây là phải nghiên cứu, thiết kế đƣợc bộ điều khiển phù hợp với một mô hình phi tuyến và có các thông số hệ thống là bất định nhƣ là mô hình xe hai bánh tự cân bằng.1 - Robot dạng 3 bánh xe khi lên dốc, trọng lƣợng dồn vào bánh trƣớc khiến lực ma sát giúp xe bám trên mặt đƣờng không đƣợc đảm bảo.2 - Robot dạng 3 bánh xe khi xuống dốc, trọng lực dồn vào bánh sau khiến xe có thể bị lật úp. Ngƣợc lại, các robot dạng hai bánh đồng trục lại thăng bằng rất linh động khi di chuyển trên địa hình phức tạp, mặc dù bản thân robot là một hệ thống không ổn định. Khi robot di chuyển trên địa hình dốc, nó tự động nghiêng ra trƣớc và giữ cho trọng lƣợng dồn về hai bánh chính. Tƣơng tự, khi di chuyển xuống dốc, nó 3 nghiêng ra sau và giữ trọng tâm rơi vào bánh chính.
Vì vậy, không bao giờ có hiện tƣợng trọng tâm xe rơi ngoài vùng đỡ bánh xe để có thể gây ra lật úp. Các công trình liên quan 1. Một số mô hình robot hai bánh tự cân bằng Robot hai bánh tự cân bằng, tự di chuyển và hoạt động, không chở ngƣời nhƣ : Robot-JOE (mục 1.2), Robot dọn rác (mục 1. Xe hai bánh tự cân bằng, có chở ngƣời, là phƣơng tiện di chuyển: xe Segway (mục 1.4), robot chở ngƣời của hãng Toyota (mục 1.
Robot JOE - [2] Đây là sản phẩm của phòng thí nghiệm Điện tử công nghiệp của Viện công nghệ Federal, Lausanne, Thụy Sĩ. Robot JOE cao 65cm, nặng khoảng 12kg, tốc độ tối đa 1,5 m/s, có thể di chuyển trên dốc nghiêng 30 độ.3: Robot JOE Nguồn điện cấp là nguồn pin 32V dung lƣợng 1. Hình dạng của nó gồm hai bánh xe đồng trục, mỗi bánh gắn với một động cơ DC, robot này có thể chuyển động xoay theo hình chữ U. Hệ thống điều khiển gồm hai bộ điều khiển “không gian trạng thái” (state space) tách rời nhau, kiểm soát động cơ để giữ cân bằng cho hệ thống.
Thông tin trạng thái đƣợc cung cấp bởi hai encoder quang và hai cảm biến là gia tốc góc và con quay hồi chuyển (gyro). JOE đƣợc điều khiển bởi một bộ điều khiển từ xa RC. Bộ điều khiển trung tâm và xử lý tín hiệu là một board xử lý tín hiệu số (DSP) phát triển bởi chính nhóm và của viện Federal, kết hợp với FPGA của XILINC.4: Mô hình N-Bot N-Bot là sản phẩm của David P.Anderson và là một trong những robot hai bánh cân bằng thành công nhất khi đƣợc công nhận là “Robot độc đáo trong tuần” do NASA phong tặng và đƣợc một số tổ chức, tạp chí khoa học đánh giá cao. Nguyên tắc cơ bản của N-Bot là điều khiển hai bánh xe của robot chạy theo chiều mà phần thân phía trên của robot có khả năng ngã đổ.
Nếu các bánh có thể đƣợc lái theo cách đứng vững theo trọng tâm của robot thì robot sẽ giữ đƣợc cân bằng. Quá trình điều khiển sử dụng 2 tín hiệu cảm biến phản hồi là cảm biến góc nghiêng để đo góc nghiêng của robot với phƣơng của trọng lực, và encoder gắn ở bánh để đo vị trí của robot. Các biến sau đây thể hiện sự chuyển động và vị trí của „con lắc ngƣợc‟ này giúp nó giữ cân bằng: Góc nghiêng của thân robot (theta), đạo hàm góc nghiêng hay chính là vận tốc góc nghiêng (theta-dot), vị trí robot (position), đạo hàm của vị trí hay vận tốc di chuyển của robot (position-dot). Bốn thông số này sẽ đƣợc đƣa vào bộ điều khiển để tính ra điện áp điều khiển U cho 2 động cơ lái hai bánh xe.
Xe hai bánh cân bằng gom rác Với dáng tròn trịa, robot có tên gọi DustCart di chuyển trên hai bánh xe, tự định vị và có thể đến đúng ngôi nhà gọi nó tới thu gom rác. Giáo sƣ Paolo Dario - thuộc trƣờng Sant‟Anna ở Pisa và là điều phối viên của dự án DustBot do EU tài trợ - cho biết: “Chúng tôi đã tập hợp những thành phần chế tạo robot tiên tiến nhất để tạo ra DustCart, ngƣời máy giúp việc cho các đơn vị thu gom rác trên khắp châu Âu. Nó không chỉ là một thùng rác di động có ngăn kéo để bạn bỏ bao rác vào, mà còn có nhiều tính năng khác”.5: Xe hai bánh “DustCart” gom rác tự động DustCart có thể di chuyển qua con đƣờng hẹp, đƣợc trang bị camera và các thiết bị cảm biến khác. Xe có thể quan sát nơi nó đang di chuyển, chụp ảnh đƣờng đi và phân tích thông tin để tránh va chạm vào các chƣớng ngại vật cố định.
Nó cũng có thể nhận ra những đối tƣợng đang di chuyển, ví dụ nhƣ khách đi bộ, xe máy và nhanh chóng tính toán đƣờng đi rồi đổi hƣớng để tránh va chạm. Những hình ảnh hiển thị cũng đƣợc chuyển về trung tâm kiểm soát để nhân viên phụ trách có thể giám sát hoạt động của DustCart và can thiệp nếu cần thiết. Xe này sử dụng một hệ thống tam giác thông minh để di chuyển đến nhà một hộ dân bằng cách tƣơng tác với mạng không dây. Mạng không dây có thể xác định chính xác vị trí của xe, tính toán tuyến đƣờng tối ƣu giữa những lần gom rác và chuyển thông tin này đến xe.
Xe Segway PT , [20] Segway PT (viết tắt của Segway Personal Transporter - xe cá nhân Segway), 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 nhƣng luôn ở trạng thái cân bằng, ngƣời sử dụng chỉ việc ngả về đằng trƣớc 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- muốn điều khiển sang phải hoặc sang trái chỉ cần nghiêng cần lái về phía đó. Động cơ của xe Segway có thể đạt tốc độ 5,6 m/s (khoảng 20 km/h). Do có giá thành khá cao và mới chỉ thích hợp ở các địa điểm bằng phẳng nên Segway hiện chủ yếu đƣợc sử dụng ở các sở cảnh sát, căn cứ quân sự, cơ sở sản xuất hoặc khu công nghiệp.6: Các kiểu dáng của xe Segway 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, máy tính sẽ tính toán để truyền lệnh cho các động cơ phụ di chuyển bánh xe về phía trƣớc 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 trên giây, đủ để cân bằng xe cho dù ngƣời 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 ngƣời điều khiển tiếp tục nghiêng về trƣớc ngay cả khi Segway đã ở vận tốc tối đa. Các Segway cũng sẽ tự động giảm tốc và dừng lại khi gặp chƣớng ngại vật.
Về sự an toàn, Segway có tốc độ tối đa 20 km/giờ và không chạy quá 20 km/h, kể cả khi xuống dốc. Tất cả những thiết bị an toàn (ắc quy, động cơ, máy tính) đều đƣợc gắn 2 bộ vào xe. Trong trƣờng hợp 1 bộ phận bị hƣ hỏng bất ngờ, Segway vẫn có thể ổn định và ngừng một cách an toàn. Những năng lƣợng có thể tạo ra đƣợc khi thắng hoặc trƣợt dốc đều đƣợc nạp lại vào bình ắc quy.
Xe di chuyển ngƣời của hãng Toyota Toyota đã trình bày một xe di động hai bánh thông minh trong năm 2010. Xe này đƣợc sử dụng cho ngƣời già hoặc ngƣời tàn tật di chuyển trên địa hình gồ ghề và nhiều chƣớng ngại vật xung quanh.