Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghệ tự động hóa và robot, việc mô phỏng chuyển động thực tế của các phương tiện giao thông như tàu thủy ngày càng trở nên cấp thiết. Theo ước tính, các hệ thống robot mô phỏng chuyển động có thể giúp giảm thiểu chi phí và rủi ro trong thử nghiệm thiết bị trên tàu biển, đặc biệt trong điều kiện thời tiết phức tạp. Luận văn tập trung vào thiết kế và chế tạo robot 4 bậc tự do nhằm mô phỏng chuyển động trên tàu thủy, phục vụ cho việc kiểm tra và chạy thử các thiết bị trạm thu di động tín hiệu truyền hình vệ tinh trong phòng thí nghiệm. Mục tiêu cụ thể là tạo ra một hệ thống robot có khả năng mô phỏng ba góc phương hướng chính (nghiêng, ngẩng, cuộn) cùng với khả năng tịnh tiến theo trục Z, đáp ứng các yêu cầu về góc quay ±15 độ và tốc độ quay 12 độ/giây. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2017, với ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu chi phí thử nghiệm ngoài thực địa, tăng độ chính xác và tính linh hoạt trong kiểm định thiết bị. Hệ thống robot này không chỉ hỗ trợ nghiên cứu mà còn mở ra hướng phát triển sản phẩm thương mại hóa trong lĩnh vực tự động hóa và truyền thông trên tàu biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết động học robot song song: Phân tích cấu trúc động học kín, trong đó mỗi khâu robot liên kết với ít nhất hai khâu khác, tạo thành chuỗi khớp nối đồng bộ. Mô hình robot 4 bậc tự do được xây dựng dựa trên mô hình robot 3 bậc tự do, bổ sung thêm cơ cấu quay 360 độ để mô phỏng chuyển động quay trái - phải.
  • Phép biểu diễn Euler và góc Tait-Bryan: Sử dụng ba góc phương hướng (góc nghiêng, góc ngẩng, góc cuộn) để mô tả vị trí và phương hướng của antena thu phát sóng trên tàu thủy trong không gian ba chiều.
  • Thuật toán điều khiển PID: Áp dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh vị trí các cơ cấu cơ khí, đảm bảo robot đạt được các vị trí đặt trước với độ chính xác cao, ổn định và đáp ứng nhanh.
  • Bộ lọc số Kalman và Complementary: Sử dụng để xử lý tín hiệu cảm biến chuyển động MPU-6050, giảm nhiễu và tăng độ tin cậy của dữ liệu thu thập.

Các khái niệm chính bao gồm: bậc tự do của robot, động học thuận và ngược, góc Euler, thuật toán PID, bộ lọc số, cảm biến chuyển động 6 trục.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành về robot song song, cảm biến chuyển động, và điều khiển tự động. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Thiết kế mô hình cơ khí: Sử dụng phần mềm Solidworks 2017 để thiết kế, mô phỏng và điều chỉnh các bộ phận robot trước khi chế tạo thực tế.
  • Lựa chọn và tính toán thiết bị: Chọn động cơ DC 24V, encoder 334 xung/vòng, cảm biến MPU-6050 và bộ KIT Arduino Mega 2560 dựa trên các yêu cầu kỹ thuật và tính toán chi tiết.
  • Phân tích và điều khiển: Xây dựng thuật toán PID điều khiển vị trí động cơ, thử nghiệm điều chỉnh các hệ số Kp, Ki, Kd để tối ưu hiệu suất hệ thống.
  • Thử nghiệm thực tế: Tiến hành chạy thử nghiệm không tải và có tải, đo đạc các thông số như tốc độ xử lý vi điều khiển, bước dịch chuyển, độ bám vị trí của động cơ.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu và thiết kế trong năm 2017, hoàn thiện chế tạo và thử nghiệm trong cùng năm tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế robot 4 bậc tự do đáp ứng yêu cầu mô phỏng chuyển động tàu thủy
    Robot có khả năng mô phỏng ba góc phương hướng (nghiêng, ngẩng, cuộn) và tịnh tiến theo trục Z với tải trọng tối đa 50 kg, kích thước 1000x1000x850 mm. Động cơ tuyến tính có hành trình 300 mm, tốc độ 100 mm/s, động cơ quay đạt tốc độ 50 vòng/phút.

  2. Hiệu quả điều khiển PID trong việc ổn định vị trí động cơ
    Thử nghiệm với các hệ số PID cho thấy khi Kp tăng từ 20 lên 30, thời gian đáp ứng giảm từ 94 ms xuống 85 ms. Tuy nhiên, khi Kp vượt quá 35, hệ thống bắt đầu dao động và mất ổn định. Ki tăng từ 2 đến 30 làm giảm thời gian đáp ứng từ 68 ms xuống 22 ms nhưng tăng độ vọt lố. Kd từ 10 đến 30 giúp giảm dao động nhưng làm tăng thời gian ổn định từ 56 ms lên 95 ms.

  3. Bộ lọc số Kalman và Complementary cải thiện độ chính xác dữ liệu cảm biến
    Việc áp dụng bộ lọc số giúp giảm nhiễu do rung động và trường điện từ, đảm bảo dữ liệu góc quay từ MPU-6050 ổn định và chính xác hơn, hỗ trợ tốt cho thuật toán điều khiển PID.

  4. Chi phí chế tạo robot thấp hơn nhiều so với các mô hình nhập ngoại
    So với các mô hình robot song song trên thị trường có chi phí từ 4000 Euro đến 8500 Euro, sản phẩm nghiên cứu có chi phí khoảng 25 triệu đồng, phù hợp với điều kiện nghiên cứu và ứng dụng trong nước.

Thảo luận kết quả

Kết quả thử nghiệm cho thấy việc lựa chọn mô hình robot 4 bậc tự do là hợp lý, vừa đáp ứng đầy đủ các chuyển động cần thiết, vừa giảm thiểu độ phức tạp và chi phí so với robot 6 bậc tự do. Việc sử dụng động cơ DC 24V và bộ điều khiển Arduino Mega 2560 mang lại sự linh hoạt và dễ dàng trong điều khiển, đồng thời giảm thiểu chi phí so với động cơ servo hoặc bước. Thuật toán PID được điều chỉnh thủ công phù hợp với đặc điểm phi tuyến và độ trễ của hệ thống cơ khí, tuy nhiên vẫn còn tiềm năng phát triển thêm các thuật toán tự động điều chỉnh PID để nâng cao hiệu quả. Bộ lọc số đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý tín hiệu cảm biến, giúp giảm thiểu sai số do nhiễu môi trường. Các kết quả này tương đồng với các nghiên cứu trong ngành robot song song và điều khiển tự động, đồng thời mở ra hướng phát triển ứng dụng trong mô phỏng chuyển động tàu thủy và các phương tiện giao thông khác.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển thuật toán điều khiển PID tự động (PID autotuning)
    Áp dụng các thuật toán tự điều chỉnh tham số PID để tối ưu hóa hiệu suất điều khiển, giảm thời gian hiệu chỉnh thủ công, nâng cao độ ổn định và chính xác của hệ thống. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng, do nhóm nghiên cứu và kỹ sư phần mềm đảm nhiệm.

  2. Nâng cấp động cơ servo tích hợp bộ điều khiển PID
    Thay thế động cơ DC bằng động cơ servo có tích hợp bộ điều khiển PID để cải thiện độ chính xác vị trí và khả năng phản hồi nhanh, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu cao hơn. Thời gian thực hiện 12 tháng, phối hợp với nhà cung cấp thiết bị.

  3. Mở rộng mô hình robot lên 6 bậc tự do
    Nghiên cứu và thiết kế robot 6 bậc tự do để mô phỏng đầy đủ các chuyển động tịnh tiến và quay trong không gian 3 chiều, phục vụ các ứng dụng phức tạp hơn trong hàng hải và hàng không. Thời gian nghiên cứu 18-24 tháng, cần sự hỗ trợ từ các chuyên gia cơ khí và điều khiển.

  4. Tăng cường hệ thống lọc số và chống nhiễu
    Áp dụng các kỹ thuật lọc nâng cao và thiết kế mạch điện chống nhiễu để đảm bảo tín hiệu cảm biến ổn định trong môi trường có nhiều tác động điện từ và rung động. Thời gian thực hiện 6 tháng, do nhóm điện tử và phần mềm thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử, tự động hóa
    Có thể áp dụng kiến thức về thiết kế robot song song, thuật toán PID và xử lý tín hiệu cảm biến trong các đề tài nghiên cứu và luận văn.

  2. Kỹ sư phát triển sản phẩm trong lĩnh vực hàng hải và truyền thông
    Sử dụng mô hình robot để thử nghiệm và kiểm định thiết bị trạm thu di động tín hiệu vệ tinh, giảm thiểu chi phí và rủi ro khi thử nghiệm ngoài thực địa.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị tự động hóa và robot
    Tham khảo để phát triển sản phẩm robot mô phỏng chuyển động với chi phí hợp lý, nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường trong nước và quốc tế.

  4. Các trung tâm đào tạo và phòng thí nghiệm kỹ thuật
    Áp dụng mô hình robot 4 bậc tự do làm công cụ giảng dạy, thực hành và nghiên cứu, giúp sinh viên và học viên tiếp cận công nghệ hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot 4 bậc tự do có thể mô phỏng những chuyển động nào trên tàu thủy?
    Robot mô phỏng ba góc phương hướng chính: nghiêng (roll), ngẩng (pitch), cuộn (yaw) và tịnh tiến theo trục Z, giúp tái hiện các chuyển động thực tế của tàu thủy khi chịu tác động của sóng và thay đổi hướng.

  2. Tại sao chọn động cơ DC 24V thay vì động cơ servo?
    Động cơ DC 24V có giá thành thấp, dễ điều khiển với mạch đơn giản, phù hợp với yêu cầu tải trọng và tốc độ của robot. Động cơ servo tuy chính xác hơn nhưng chi phí cao và phức tạp hơn trong thiết kế.

  3. Thuật toán PID được điều chỉnh như thế nào trong hệ thống?
    Các hệ số Kp, Ki, Kd được điều chỉnh thủ công dựa trên thử nghiệm thực tế để cân bằng giữa thời gian đáp ứng, độ ổn định và độ vọt lố, đảm bảo robot đạt vị trí đặt trước nhanh và chính xác.

  4. Bộ lọc số Kalman và Complementary có vai trò gì?
    Các bộ lọc này giúp xử lý tín hiệu từ cảm biến MPU-6050, giảm nhiễu do rung động và trường điện từ, nâng cao độ chính xác và ổn định của dữ liệu góc quay phục vụ điều khiển robot.

  5. Chi phí chế tạo robot 4 bậc tự do so với các mô hình nhập ngoại như thế nào?
    Robot nghiên cứu có chi phí khoảng 25 triệu đồng, thấp hơn nhiều so với các mô hình nhập ngoại có giá từ 4000 Euro đến 8500 Euro, phù hợp với điều kiện nghiên cứu và ứng dụng trong nước.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công robot 4 bậc tự do mô phỏng chuyển động trên tàu thủy với tải trọng 50 kg và khả năng quay 360 độ.
  • Thuật toán PID được áp dụng hiệu quả trong điều khiển vị trí động cơ, với các hệ số được điều chỉnh thủ công phù hợp.
  • Bộ lọc số Kalman và Complementary giúp cải thiện độ chính xác dữ liệu cảm biến chuyển động MPU-6050.
  • Chi phí chế tạo robot thấp hơn nhiều so với các sản phẩm nhập ngoại, mở ra hướng phát triển sản phẩm trong nước.
  • Đề xuất phát triển thuật toán PID tự động, nâng cấp động cơ servo và mở rộng mô hình robot 6 bậc tự do trong các nghiên cứu tiếp theo.

Để tiếp tục phát triển, nhóm nghiên cứu nên tập trung vào tự động hóa điều chỉnh PID, nâng cao độ chính xác và mở rộng ứng dụng robot trong các lĩnh vực khác. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển các giải pháp từ luận văn nhằm thúc đẩy công nghệ robot trong nước.