I. Giới thiệu về Luận Văn Thạc Sĩ
Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc thiết kế và ứng dụng bộ điều khiển dự báo cho hệ robot hai bánh cân bằng. Mục tiêu chính là nghiên cứu và phát triển một hệ thống điều khiển hiệu quả, đảm bảo sự cân bằng và ổn định của robot. Điều khiển robot là một lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết điều khiển và thực tiễn kỹ thuật. Luận văn này sử dụng kỹ thuật điều khiển dự báo để giải quyết các thách thức trong việc điều khiển hệ thống có thời gian đáp ứng nhanh, đặc biệt là trong hệ robot hai bánh.
1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu của luận văn là thiết kế một bộ điều khiển dự báo cho hệ robot hai bánh cân bằng, sử dụng các phương pháp như Lagrange và Fast Gradient. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc mô hình hóa hệ thống, thiết kế thuật toán điều khiển, và kiểm tra hiệu quả thông qua mô phỏng và thực nghiệm. Luận văn cũng phân tích các ưu điểm và hạn chế của phương pháp điều khiển dự báo trong việc điều khiển các hệ thống cơ khí có thời gian đáp ứng nhanh.
II. Lý thuyết và phương pháp điều khiển dự báo
Chương này trình bày lý thuyết điều khiển dự báo và các phương pháp tối ưu hóa hàm mục tiêu, bao gồm phương pháp Lagrange và Fast Gradient. Điều khiển dự báo là một kỹ thuật dựa trên mô hình toán học của hệ thống, cho phép dự đoán và điều chỉnh tín hiệu điều khiển để đạt được mục tiêu mong muốn. Luận văn sử dụng các phương pháp này để thiết kế thuật toán điều khiển cho hệ robot hai bánh cân bằng.
2.1. Phương pháp Lagrange trong điều khiển dự báo
Phương pháp Lagrange được sử dụng để tối ưu hóa hàm mục tiêu trong điều khiển dự báo. Phương pháp này giúp giải quyết các bài toán tối ưu với ràng buộc, đảm bảo rằng hệ thống đạt được trạng thái cân bằng mong muốn. Luận văn áp dụng phương pháp này để thiết kế bộ điều khiển dự báo cho hệ robot hai bánh, đảm bảo sự ổn định và hiệu quả trong điều khiển.
2.2. Phương pháp Fast Gradient
Phương pháp Fast Gradient là một kỹ thuật tối ưu hóa nhanh, được sử dụng để giải quyết các bài toán điều khiển dự báo với thời gian đáp ứng ngắn. Phương pháp này giúp giảm thiểu thời gian tính toán, đặc biệt quan trọng trong việc điều khiển các hệ thống cơ khí có thời gian đáp ứng nhanh như hệ robot hai bánh. Luận văn sử dụng phương pháp này để cải thiện hiệu suất của bộ điều khiển dự báo.
III. Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển dự báo
Chương này trình bày quá trình thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển dự báo cho hệ robot hai bánh cân bằng. Luận văn sử dụng công cụ Matlab/Simulink để mô phỏng và đánh giá hiệu quả của thuật toán điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển dự báo đạt được sự cân bằng và ổn định cho hệ thống, đồng thời đáp ứng được các yêu cầu về thời gian đáp ứng nhanh.
3.1. Mô hình hóa hệ robot hai bánh
Mô hình hóa robot hai bánh là bước đầu tiên trong quá trình thiết kế bộ điều khiển dự báo. Luận văn sử dụng các phương trình động lực học để mô tả hệ thống, sau đó tuyến tính hóa mô hình quanh điểm cân bằng. Mô hình này được sử dụng để thiết kế thuật toán điều khiển và kiểm tra hiệu quả thông qua mô phỏng.
3.2. Kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng trong Matlab/Simulink cho thấy bộ điều khiển dự báo đạt được sự cân bằng và ổn định cho hệ robot hai bánh. Các thông số như góc nghiêng và vị trí của robot được kiểm soát chặt chẽ, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau. Kết quả này khẳng định tính khả thi của phương pháp điều khiển dự báo trong việc điều khiển các hệ thống cơ khí có thời gian đáp ứng nhanh.
IV. Thiết kế phần cứng và phần mềm cho hệ robot hai bánh
Chương này trình bày quá trình thiết kế phần cứng và phần mềm cho hệ robot hai bánh cân bằng. Luận văn sử dụng các cảm biến robot và khối vi điều khiển để xây dựng hệ thống điều khiển thực tế. Phần mềm được thiết kế để thực hiện thuật toán điều khiển dự báo, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.
4.1. Thiết kế phần cứng
Thiết kế phần cứng bao gồm việc lựa chọn và tích hợp các cảm biến robot, khối vi điều khiển, và các mạch điều khiển. Luận văn sử dụng các cảm biến như MPU-6050 để đo góc nghiêng và vận tốc của robot, đồng thời sử dụng khối vi điều khiển STM32F4 để thực hiện thuật toán điều khiển dự báo. Phần cứng được thiết kế để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao trong quá trình điều khiển.
4.2. Thiết kế phần mềm
Phần mềm được thiết kế để thực hiện thuật toán điều khiển dự báo trên hệ robot hai bánh. Luận văn sử dụng các ngôn ngữ lập trình như C để viết mã điều khiển, đồng thời tích hợp các thuật toán tối ưu hóa để cải thiện hiệu suất của hệ thống. Phần mềm được kiểm tra và đánh giá thông qua các thử nghiệm thực tế, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.
V. Kết quả thực nghiệm và kết luận
Chương này trình bày kết quả thực nghiệm và kết luận của luận văn. Bộ điều khiển dự báo được thử nghiệm trên hệ robot hai bánh cân bằng thực tế, cho thấy hiệu quả trong việc duy trì sự cân bằng và ổn định của hệ thống. Luận văn cũng đưa ra các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc cải thiện thuật toán điều khiển và ứng dụng phương pháp này trong các hệ thống robot phức tạp hơn.
5.1. Kết quả thực nghiệm
Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển dự báo đạt được sự cân bằng và ổn định cho hệ robot hai bánh. Các thông số như góc nghiêng và vị trí của robot được kiểm soát chặt chẽ, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau. Kết quả này khẳng định tính khả thi của phương pháp điều khiển dự báo trong việc điều khiển các hệ thống cơ khí có thời gian đáp ứng nhanh.
5.2. Kết luận và hướng phát triển
Luận văn kết luận rằng bộ điều khiển dự báo là một phương pháp hiệu quả để điều khiển hệ robot hai bánh cân bằng. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần được cải thiện, bao gồm việc tối ưu hóa thuật toán và ứng dụng phương pháp này trong các hệ thống robot phức tạp hơn. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc nghiên cứu các thuật toán điều khiển thông minh hơn và tích hợp các công nghệ mới để nâng cao hiệu suất của hệ thống.
