I. Giới thiệu và tính cấp thiết của luận văn
Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển cân bằng cho robot một bánh, một lĩnh vực mới mẻ trong tự động hóa. Robot một bánh là một hệ thống phức tạp, yêu cầu sự ổn định động lực học cao để duy trì cân bằng trên một quả bóng. Đề tài này không chỉ mang tính học thuật mà còn có ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như robot di động, công nghệ tự động hóa, và hệ thống điều khiển thông minh. Sự phát triển của robot một bánh đòi hỏi sự kết hợp giữa cân bằng động, điều khiển tự động, và công nghệ robot, làm nổi bật tính cấp thiết của nghiên cứu này.
1.1. Bối cảnh và mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu này nhằm mục tiêu thiết kế và xây dựng một hệ thống điều khiển hiệu quả cho robot một bánh, sử dụng các thuật toán LQR và điều khiển trượt. Robot tự hành này có khả năng cân bằng và di chuyển trên một quả bóng, mở ra nhiều ứng dụng trong tự động hóa và công nghệ robot. Luận văn cũng đề cập đến việc mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm các thuật toán điều khiển, nhằm đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của hệ thống.
II. Mô hình toán học và phần cứng hệ robot một bánh
Luận văn trình bày chi tiết mô hình toán học của hệ robot một bánh, bao gồm các phương trình chuyển động và phương pháp Lagrange để mô tả hệ thống. Phần cứng của robot được thiết kế với các thành phần chính như động cơ DC Servo, cảm biến IMU, và mạch điều khiển dựa trên vi điều khiển ARM-STM32F4-DISCOVERY. Hệ thống này cho phép robot duy trì cân bằng cơ học và di chuyển một cách ổn định.
2.1. Mô hình cơ khí và cơ cấu lái
Mô hình cơ khí của robot một bánh được thiết kế dựa trên kích thước của quả bóng bowling, với hai con lăn lái được điều khiển bởi động cơ DC Servo. Cơ cấu lái này cho phép robot di chuyển theo hai trục độc lập, đảm bảo sự linh hoạt và ổn định trong quá trình di chuyển. Các cảm biến gia tốc và vận tốc góc được tích hợp để đo lường góc nghiêng và vận tốc của robot, hỗ trợ quá trình điều khiển.
III. Thuật toán điều khiển và mô phỏng
Luận văn tập trung vào việc thiết kế và mô phỏng các thuật toán điều khiển LQR và điều khiển trượt cho hệ robot một bánh. Thuật toán LQR được sử dụng để tối ưu hóa quá trình điều khiển, trong khi điều khiển trượt giúp đảm bảo tính ổn định của hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Các thuật toán này được mô phỏng trên Matlab/Simulink để kiểm chứng hiệu quả trước khi áp dụng vào hệ thống thực tế.
3.1. Ứng dụng bộ lọc Kalman
Bộ lọc Kalman được sử dụng để lọc nhiễu từ các cảm biến IMU, giúp ước lượng chính xác góc nghiêng và vận tốc góc của robot. Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cân bằng động và cải thiện độ chính xác của hệ thống điều khiển.
IV. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng
Các thuật toán điều khiển được nhúng vào vi điều khiển ARM-STM32F4-DISCOVERY và kiểm chứng thực nghiệm trên robot một bánh. Kết quả cho thấy hệ thống có khả năng duy trì cân bằng động và di chuyển ổn định. Luận văn cũng đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc cải tiến hệ thống tự động hóa và ứng dụng công nghệ robot trong các lĩnh vực khác nhau.
4.1. Đánh giá và hướng phát triển
Luận văn đã đạt được những kết quả đáng kể trong việc điều khiển robot một bánh, nhưng vẫn còn một số hạn chế cần khắc phục. Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc tối ưu hóa hệ thống điều khiển, nâng cao khả năng tự động hóa, và mở rộng ứng dụng của robot thông minh trong các lĩnh vực công nghiệp và đời sống.
