Hệ Thống Điều Khiển và Ước Lượng Vị Trí Robot Di Động

Robot di động là thiết bị tự động có thể di chuyển và thực hiện nhiệm vụ ở nhiều địa điểm khác nhau. Khác với robot cố định, robot di động yêu cầu hệ thống điều khiển phức tạp hơn để thích ứng với môi trường thay đổi. Các đặc điểm chính bao gồm: khả năng nhận biết môi trường xung quanh thông qua cảm biến, khả năng đưa ra quyết định và điều khiển tự động, khả năng di chuyển linh hoạt, và khả năng mang theo các thiết bị hỗ trợ. Robot di động có tính ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực.

Robot di động có thể được phân loại dựa trên môi trường làm việc và ứng dụng. Theo môi trường, có robot di động trên không, dưới nước và trên cạn. Theo ứng dụng, có robot vận chuyển, quân sự, thám hiểm, dịch vụ, dân dụng và giải trí. Mỗi loại robot yêu cầu hệ thống truyền động và thiết kế khác nhau. Robot di chuyển bằng bánh xe là phổ biến nhất do tính đơn giản và hiệu quả trên địa hình bằng phẳng. Sự phát triển của công nghệ cảm biến và điều khiển đã mở rộng phạm vi ứng dụng của robot di động.

Mô hình robot di động hai bánh xe bao gồm khung robot, bánh xe chủ động, bánh xe bị động, động cơ, pin/ắc quy và bộ điều khiển. Khung robot là kết cấu vững chắc để gắn các thiết bị. Bánh xe chủ động kết nối với động cơ tạo chuyển động. Bánh xe bị động giữ thăng bằng. Động cơ một chiều cung cấp lực kéo. Pin/ắc quy cung cấp năng lượng. Bộ điều khiển điều khiển chuyển động của robot. Mô hình này đơn giản, hiệu quả và được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và ứng dụng thực tế.

Để mô tả vị trí của robot di động, cần định nghĩa hệ tọa độ gốc (cố định trong không gian) và hệ tọa độ robot (gắn trên robot). Ma trận chuyển đổi tọa độ được sử dụng để chuyển đổi vị trí giữa hai hệ tọa độ. Điều này cho phép xác định vị trí và hướng của robot trong không gian làm việc. Ma trận này phụ thuộc vào vị trí và góc quay của robot so với hệ tọa độ gốc, biểu diễn bằng xa, ya, và theta (θ).

Ràng buộc động học giới hạn chuyển động của robot. Hai ràng buộc quan trọng là: không trượt ngang (robot chỉ chuyển động tiến/lùi, không ngang) và quay thuần túy (bánh xe luôn tiếp xúc mặt đất). Các ràng buộc này được biểu diễn bằng phương trình toán học, giúp đơn giản hóa mô hình động học. Chúng có ảnh hưởng lớn đến khả năng điều khiển và ước lượng vị trí của robot.

Mô hình động học biểu diễn mối quan hệ giữa vận tốc của robot và vận tốc của bánh xe. Giả sử chỉ một bánh xe quay, robot sẽ quay quanh một tâm quay. Khi cả hai bánh xe quay, vận tốc robot là sự kết hợp của vận tốc hai bánh xe. Ma trận Jacobian được sử dụng để biểu diễn mối quan hệ này một cách toán học. Mô hình động học là nền tảng để thiết kế bộ điều khiển chuyển động cho robot.

Có nhiều phương pháp điều khiển chuyển động cho xe tự hành, bao gồm điều khiển PID, điều khiển mờ (Fuzzy Logic), điều khiển thích nghi, và điều khiển dựa trên mô hình. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Điều khiển PID đơn giản và dễ triển khai, nhưng có thể không hiệu quả trong môi trường phức tạp. Điều khiển mờ có thể xử lý các hệ thống phi tuyến, nhưng yêu cầu kiến thức chuyên gia để thiết kế luật mờ.

Thuật toán điều khiển tính toán mô men dựa trên mô hình động lực học của robot. Nó tính toán mô men cần thiết để đạt được quỹ đạo mong muốn. Ưu điểm là có thể đạt được hiệu suất cao trong điều kiện lý tưởng. Tuy nhiên, nó nhạy cảm với sai số mô hình và nhiễu. Ứng dụng trong các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao, như robot công nghiệp và xe tự hành.

Điều khiển phản hồi tuyến tính sử dụng thông tin phản hồi từ cảm biến để điều chỉnh đầu vào điều khiển. Nó đơn giản và dễ triển khai. Tuy nhiên, hiệu suất có thể bị giới hạn trong các hệ thống phi tuyến. Để xây dựng thuật toán, cần xác định ma trận phản hồi phù hợp. Ứng dụng trong các hệ thống đơn giản và ổn định, như điều khiển tốc độ động cơ và hệ thống cân bằng.

Thuật toán ước lượng vị trí xe tự hành sử dụng dữ liệu từ encoder gắn trên bánh xe. Dữ liệu encoder cung cấp thông tin về tốc độ và hướng quay của bánh xe. Từ đó, thuật toán tính toán vị trí và hướng của xe dựa trên mô hình động học. Sai số encoder và trượt bánh xe có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của ước lượng. Cần sử dụng các phương pháp lọc để giảm thiểu sai số.

Encoder tương đối tạo ra xung khi bánh xe quay. Số lượng xung tỷ lệ với góc quay. Tốc độ bánh xe được tính toán dựa trên tần số xung. Hai kênh (A và B) của encoder cho phép xác định hướng quay. Độ phân giải của encoder ảnh hưởng đến độ chính xác của ước lượng tốc độ. Sơ đồ thuật toán tính tốc độ bánh xe được trình bày chi tiết trong luận văn.

Độ chính xác của ước lượng vị trí bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm sai số encoder, trượt bánh xe, sai số mô hình, và nhiễu cảm biến. Sai số encoder có thể do độ phân giải hạn chế hoặc lỗi cơ khí. Trượt bánh xe xảy ra khi bánh xe mất độ bám với mặt đất. Sai số mô hình do đơn giản hóa mô hình động học. Cần sử dụng các phương pháp lọc và hiệu chỉnh để giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố này.

Mô hình mô phỏng hệ điều khiển robot bao gồm các thành phần sau: bộ điều khiển (PID, mờ, ...), mô hình động cơ (điện một chiều), mô hình động lực học - động học của xe, mô hình cảm biến (encoder), và mô hình môi trường. Các thành phần này được liên kết với nhau theo sơ đồ khối. Mô hình mô phỏng cho phép kiểm tra hiệu suất của hệ thống điều khiển trước khi triển khai thực tế.

Mô phỏng được sử dụng để kiểm chứng tính toán tốc độ bánh xe và vị trí xe. Kết quả mô phỏng so sánh với kết quả tính toán từ encoder và mô hình động học. Sai lệch giữa hai kết quả cho thấy sai số mô hình và sai số cảm biến. Việc điều chỉnh tham số mô hình và thuật toán giúp giảm thiểu sai số và tăng độ chính xác.

Phân tích kết quả mô phỏng giúp đánh giá hiệu suất của hệ thống điều khiển. Các tiêu chí đánh giá bao gồm thời gian đáp ứng, độ quá điều chỉnh, sai số xác lập, và tính ổn định. Kết quả mô phỏng được so sánh với yêu cầu kỹ thuật để xác định xem hệ thống có đáp ứng yêu cầu hay không. Nếu không, cần điều chỉnh tham số điều khiển hoặc thiết kế lại hệ thống.

Luận văn đã trình bày chi tiết về mô hình động học, thiết kế bộ điều khiển, phương pháp ước lượng vị trí, và mô phỏng hệ thống điều khiển cho robot di động hai bánh. Các kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho việc phát triển robot di động. Đóng góp của luận văn là xây dựng mô hình và thuật toán điều khiển hiệu quả, đồng thời phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác.

Robot di động có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, như công nghiệp, y tế, dịch vụ, và giải trí. Trong công nghiệp, robot được sử dụng để vận chuyển, lắp ráp, và kiểm tra chất lượng. Trong y tế, robot hỗ trợ phẫu thuật, chăm sóc bệnh nhân, và vận chuyển thuốc. Trong dịch vụ, robot phục vụ khách hàng, dọn dẹp, và giao hàng. Triển vọng phát triển của robot di động là rất lớn, với sự ra đời của các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo (AI) và Internet of Things (IoT).

Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm phát triển thuật toán điều khiển thích nghi và học tăng cường để robot có thể tự học và thích nghi với môi trường thay đổi. Cần nghiên cứu về các phương pháp tích hợp thông tin từ nhiều cảm biến khác nhau để cải thiện độ chính xác của ước lượng vị trí. Đồng thời, cần phát triển các hệ thống điều khiển phân tán để robot có thể hoạt động trong môi trường phức tạp và có nhiều robot.