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 giảm thiểu chi phí và rủi ro trong thử nghiệm thiết bị, đồng thời nâng cao hiệu quả nghiên cứu và phát triển sản phẩm. 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 hoàn thiện các thiết bị trạm thu di động tín hiệu truyền hình vệ tinh ứng dụng trên tàu biển. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế cơ khí, điện tử, lập trình điều khiển và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm tại Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, trong năm 2017. Mục tiêu cụ thể là tạo ra hệ thống robot có khả năng mô phỏng ba góc phương hướng chính (nghiêng, ngẩng, cuộn) cùng với chuyển động quay 360 độ, đáp ứng các yêu cầu về tải trọng tối đa 50 kg và phạm vi hoạt động góc nghiêng ±15 độ. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua khả năng mô phỏng chính xác các chuyển động phức tạp của tàu thủy trong môi trường phòng thí nghiệm, giúp tiết kiệm chi phí, giảm thiểu rủi ro khi thử nghiệm ngoài thực tế và nâng cao độ tin cậy của thiết bị.

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 được liên kết với ít nhất hai khâu khác, tạo thành chuỗi khớp nối với số bậc tự do tương ứng. Mô hình robot 4 bậc tự do được phát triển từ mô hình 3 bậc tự do, bổ sung thêm cơ cấu quay 360 độ để mô phỏng chuyển động quay trái - phải của tàu thủy.

  • Phép biểu diễn Euler và góc Tait-Bryan: Sử dụng ba góc phương hướng (góc nghiêng, góc ngẩng, góc cuộn) để xác định vị trí và phương hướng của hệ thống antena thu phát sóng trên tàu thủy trong không gian ba chiều.

  • Thuật toán điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative): Áp dụng để điều khiển chính xác vị trí các cơ cấu cơ khí của robot, đảm bảo các thanh trượt và mâm xoay di chuyển đến vị trí mong muốn với độ ổn định cao.

  • Bộ lọc số Kalman và Complementary: Giúp xử lý tín hiệu cảm biến chuyển động MPU-6050, giảm thiểu nhiễu và tăng độ chính xác 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 quá trình thiết kế, mô phỏng và thử nghiệm thực tế hệ thống robot 4 bậc tự do tại phòng thí nghiệm của Đại học Công nghệ. Cỡ mẫu nghiên cứu là một hệ thống robot hoàn chỉnh với các thành phần cơ khí, điện tử và phần mềm điều khiển. Phương pháp chọn mẫu là nghiên cứu phát triển sản phẩm dựa trên các mô hình robot song song có sẵn, tối ưu hóa theo yêu cầu mô phỏng chuyển động tàu thủy.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Mô phỏng thiết kế cơ khí bằng phần mềm Solidworks 2017 để đánh giá hành trình, giới hạn và liên động các bộ phận.

  • Tính toán lựa chọn động cơ DC 24V, encoder 334 xung/vòng, cảm biến chuyển động MPU-6050 và bộ KIT điều khiển Arduino Mega 2560.

  • Thiết kế mạch điện và sơ đồ ghép nối hệ thống.

  • Lập trình thuật toán điều khiển PID và bộ lọc số, thử nghiệm điều chỉnh các tham số PID bằng phương pháp điều chỉnh thủ công.

  • Thu thập và phân tích dữ liệu thử nghiệm qua giao diện Serial Plotter của Arduino IDE.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2017, bao gồm các giai đoạn thiết kế, chế tạo, lập trình và thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế thành công robot 4 bậc tự do mô phỏng chuyển động tàu thủy với tải trọng tối đa 50 kg, kích thước 1000 x 1000 x 850 mm, khả năng nâng hạ chân robot tối đa 300 mm và chuyển động quay 360 độ không giới hạn. So với các mô hình robot song song trên thị trường có chi phí từ 4000 đến 8500 Euro, sản phẩm nghiên cứu có chi phí thấp hơn đáng kể, khoảng 25 triệu đồng.

  2. Hiệu quả điều khiển PID được chứng minh qua thử nghiệm thực tế: Khi thay đổi hệ số tỉ lệ Kp từ 20 đến 60 (với Ki = Kd = 0), thời gian đáp ứng giảm từ 94 ms xuống 85 ms ở Kp = 30, nhưng tăng lên và dao động không ổn định khi Kp vượt quá 40. Tham số tích phân Ki tăng từ 2 đến 30 làm thời gian đáp ứng giảm từ 68 ms xuống 22 ms, nhưng độ vọt lố tăng lên đến 1,5 độ. Tham số vi phân 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 giúp giảm nhiễu tín hiệu từ cảm biến MPU-6050, đảm bảo dữ liệu góc quay chính xác và ổn định trong môi trường có nhiều nhiễu điện từ và rung động cơ học.

  4. Phương pháp điều khiển trực tiếp bằng bước dịch chuyển thay cho động học ngược giúp đơn giản hóa quá trình điều khiển, tuy nhiên chưa tận dụng được giá trị góc trực tiếp, là hướng phát triển tiếp theo.

Thảo luận kết quả

Kết quả thử nghiệm cho thấy việc lựa chọn mô hình robot 4 bậc tự do là phù hợp để mô phỏng đầy đủ các chuyển động quan trọng của tàu thủy, đặc biệt là chuyển động quay trái - phải mà các mô hình 3 bậc tự do không đáp ứng được. So với robot 6 bậc tự do, mô hình 4 bậc tự do có ưu điểm về tốc độ xử lý nhanh hơn và chi phí thấp hơn, đồng thời tránh được sự phức tạp trong thiết kế và điều khiển.

Việc điều chỉnh tham số PID bằng phương pháp thủ công tuy mất thời gian nhưng cho phép tối ưu hóa đáp ứng hệ thống trong điều kiện thực tế, phù hợp với đặc điểm phi tuyến và độ trễ của cơ cấu truyền động bánh vít - trục vít. Bộ lọc số góp phần quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy dữ liệu cảm biến, từ đó cải thiện hiệu quả điều khiển.

Dữ liệu thử nghiệm có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng góc quay theo thời gian, thể hiện rõ ảnh hưởng của từng tham số PID đến thời gian đáp ứng, độ ổn định và độ vọt lố. Bảng so sánh chi phí và thông số kỹ thuật giữa các mô hình robot song song cũng minh họa ưu thế của sản phẩm nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển thuật toán điều khiển động học ngược để sử dụng trực tiếp giá trị góc làm đầu vào, nâng cao độ chính xác và linh hoạt trong điều khiển robot. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng, do nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ đảm nhiệm.

  2. Nâng cấp động cơ servo tích hợp bộ điều khiển PID tự động nhằm giảm thiểu công sức điều chỉnh tham số thủ công, tăng độ ổn định và hiệu quả vận hành. Khuyến nghị áp dụng trong vòng 1 năm, phối hợp với các nhà cung cấp thiết bị.

  3. Mở rộng ứng dụng robot 4 bậc tự do trong các lĩnh vực khác như mô phỏng chuyển động máy bay, thiết bị giải trí, hoặc thử nghiệm thiết bị công nghiệp, nhằm đa dạng hóa thị trường và tăng giá trị thương mại. Thời gian nghiên cứu và phát triển 1-2 năm.

  4. Tăng cường sử dụng bộ lọc số nâng cao và các cảm biến đa trục mới để cải thiện độ chính xác và khả năng chống nhiễu trong môi trường phức tạp. Đề xuất nghiên cứu song song với việc nâng cấp phần cứng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử, tự động hóa và robot: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế, chế tạo và điều khiển robot song song, đặc biệt là robot 4 bậc tự do.

  2. Các kỹ sư phát triển sản phẩm trong lĩnh vực hàng hải và truyền thông vệ tinh: Tham khảo để ứng dụng mô phỏng chuyển động tàu thủy trong thử nghiệm thiết bị trạm thu di động, giảm chi phí và rủi ro.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị tự động hóa và robot trong nước: Có thể áp dụng các giải pháp thiết kế và điều khiển để phát triển sản phẩm thay thế hàng nhập khẩu với chi phí hợp lý.

  4. Các tổ chức đào tạo và nghiên cứu công nghệ cao: Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các khóa học và đề tài nghiên cứu liên quan đến robot song song và điều khiển PID.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot 4 bậc tự do có thể mô phỏng những chuyển động nào của tàu thủy?
    Robot mô phỏng ba góc phương hướng chính: nghiêng (roll), ngẩng (pitch), cuộn (yaw) và chuyển động quay 360 độ quanh trục đứng, giúp tái hiện chính xác các chuyển động thực tế của tàu thủy.

  2. Tại sao chọn động cơ DC 24V thay vì động cơ servo hay bước?
    Động cơ DC 24V có giá thành rẻ, dễ điều khiển với mạch đơn giản, phù hợp với yêu cầu tải trọng và phạm vi chuyển động của robot. Động cơ servo có độ chính xác cao hơn nhưng chi phí và phức tạp điều khiển lớn hơn.

  3. Thuật toán PID được điều chỉnh như thế nào trong nghiên cứu?
    Phương pháp điều chỉnh thủ công được sử dụng, bắt đầu với Ki và Kd bằng 0, tăng dần Kp đến khi hệ thống dao động, sau đó điều chỉnh Ki và Kd để cân bằng giữa thời gian đáp ứng, độ ổn định và độ vọt lố.

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

  5. Sản phẩm robot 4 bậc tự do có thể ứng dụng ở đâu ngoài mô phỏng chuyển động tàu thủy?
    Ngoài mô phỏng tàu thủy, robot có thể được ứng dụng trong mô phỏng chuyển động máy bay, thiết bị giải trí, thử nghiệm thiết bị công nghiệp hoặc các lĩnh vực cần mô phỏng chuyển động phức tạp trong không gian ba chiều.

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 phạm vi hoạt động góc ±15 độ.
  • Thuật toán điều khiển PID được áp dụng hiệu quả, với các tham số được điều chỉnh thủ công để đạt độ ổn định và thời gian đáp ứng tối ưu.
  • Bộ lọc số Kalman và Complementary giúp nâng cao độ chính xác dữ liệu cảm biến trong môi trường nhiễu.
  • Sản phẩm có chi phí thấp hơn nhiều so với các mô hình robot song song nhập ngoại, mở ra hướng phát triển sản phẩm trong nước.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo là phát triển thuật toán động học ngược và nâng cấp động cơ servo tích hợp PID tự động.

Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm phối hợp phát triển, ứng dụng rộng rãi sản phẩm trong các lĩnh vực công nghiệp và nghiên cứu. Liên hệ nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội để trao đổi và hợp tác.