Đặt vấn đề: Robot cân bằng trên bóng là đối tƣợng chƣa có nhiều đề tài nghiên cứu tại Trƣờng Đại học Bách Khoa TP. Hiện nay, tại trƣờng về đề tài luận văn Thạc sỹ chỉ có đề tài nghiên cứu của Đỗ Đăng Nguyên về “Điều khiển cân bằng robot một bánh”. Cho nên đây là đề tài còn khá mới, mang nhiều tính hấp dẫn khi nghiên cứu về cấu tạo cơ khí, cũng nhƣ về giải thuật điều khiển. Khi nghiên cứu về đối tƣợng robot một bánh, ta sẽ thấy có nhiều điểm tƣơng đồng với đối tƣợng robot xe 2 bánh tự cân bằng, vì thế ta có thể kế thừa những gì đã đƣợc nghiên cứu về xe 2 bánh tự cân bằng để tiếp tục nghiên cứu và phát triển cho đối tƣợng robot cân bằng trên bóng.
Những nét tƣơng đồng đó có thể kể đến nhƣ: cách thu nhận tín hiệu cảm biến, driver điều khiển động cơ hay cả về thuật toán điều khiển. Và điều đặc biệt ở đây ta có thể xem việc điều khiển cân bằng cho robot cân bằng trên bóng là điều khiển cân bằng cùng lúc 2 xe con lắc ngƣợc trên 2 hƣớng theo nằm trong 2 mặt phẳng trực giao Oxz và Oyz. Ngoài ra, tùy theo kết cấu cơ khí của robot mà ta có thể cần hoặc không cần chuyển đổi lực/moment hoặc gia tốc của động cơ để điều khiển vị trí/vận tốc quả bóng, ở trong mô hình robot cân bằng trên quả bóng thì quả bóng đƣợc xem nhƣ bánh xe của robot (bánh xe ảo để phân biệt với bánh xe thật – thƣờng dùng là bánh xe đa hƣớng (omnidirection wheel)). Trong nhiều năm từ khi xuất hiện ý tƣởng xây dựng robot cân bằng trên quả bóng, tính đến nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu của trên thế giới, các công trình nghiên cứu này xét về kết cấu cơ khí, về thuật toán điều khiển hay về mục đích nghiên cứu là riêng biệt nhau, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau.
Trong luận văn này tác giả sẽ thực hiện xây dựng mô hình và bộ điều khiển robot cân bằng trên bóng với mục tiêu giữ robot cân bằng và di chuyển bám theo tín hiệu đặt. Nguyễn Đức Thành Trang 5 HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Các công trình nghiên cứu có liên quan: 1. CMU Ballbot: Công trình ballbot của đại học CMU (Carnegie Mellon University, Úc) tập trung nghiên cứu theo hƣớng giao tiếp trao đổi thông tin với ngƣời, với kích thƣớc robot cao bằng ngƣời thật, thuật toán LQR giúp cho robot giữ cân bằng và di chuyển.
BallIP: Cũng lấy ý tƣởng robot cân bằng trên bóng nhƣng BallIP (Ball Inverted Pendulum) sử dụng cấu trúc và thuật toán điều khiển riêng. Robot sử dụng hệ thống gồm 3 động cơ bƣớc, bố trí đối xứng 120 độ trong không gian và đặt trên đỉnh quả bóng với góc tiếp xúc từ 45 độ. Thuật toàn mà Giáo sƣ Massaki Kumagai sử dụng là giải thuật PD, áp dụng cho cả góc nghiêng của robot và vị trí của quả bóng. Cũng giống nhƣ ballbot của đại học CMU thuật toán điều khiển đƣợc phát triển lên từ thuật toán điều khiển con lắc ngƣợc, bằng cách xem cách điều khiển ballbot là điều khiển con lắc ngƣợc đồng thời cả 2 hƣớng trƣớc – sau và phải – trái, ở đây trên mỗi hƣớng ta có góc nghiêng và vị trí chính là hình chiếu của robot trên CBHD: TS.
Nguyễn Đức Thành Trang 6 HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI mỗi trục của nó. Bằng cách này ta không cần phải mô hình hóa cụ thể ballbot mà có thể sử dụng lại mô hình con lắc ngƣợc để tìm thông số bộ điều khiển. BallIP của Đại học TGU 1. LEGO NXT Ballbot: Hình 1.
Ballbot Lego CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành Trang 7 HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Rezero: Công trình nghiên cứu của nhóm sinh viên đại học ETH (Eidgenössische Technische Hochschule, Thụy Sĩ) có cấu trúc bộ lái tƣơng tự nhƣ BallIP nhƣng có giải thuật điều khiển khác hơn, bằng cách mô hình hóa cụ thể đối tƣợng ballbot trong không gian 2D nhƣ các ballbot đã thực hiện và cả trong không gian 3D, nhóm nghiên cứu đã xây dựng thành công bộ điều khiển LQG. Đây cũng là ballbot có kết cấu cơ khí mang tính thẩm mỹ cao nhất, và di chuyển nhanh nhất trong số các ballbot đã thực hiện.
Rezero ballbot của Đại học ETH, Zurich, Thụy Sỹ 1. Các công trình nghiên cứu về ballbot khác: Ngoài các công trình nghiên cứu trên, còn rất nhiều nhóm và cá nhân khác đã thực hiện thành công mô hình và xây dựng bộ điều khiển hoàn chỉnh cho robot của mình. Theo nhận xét của cá nhân tác giả các ballbot này tuy có khác về kết cấu cơ khí nhƣng giải thuật điều khiển đều xoay quanh các bộ điều khiển PID và LQG, phần đông các nhóm nghiên cứu đều tập trung xây dựng bộ điều khiển PID. Đây là bộ điều khiển thông dụng nhất hiện nay, bởi tính đơn giản và hiệu quả mà nó mang lại.
Nguyễn Đức Thành Trang 8 HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Giới thiệu luận văn: 1. Mục đích: Thiết kế và thi công robot tự cân bằng trên một quả bóng. Do đó, bóng sẽ hoạt động nhƣ các bánh xe hình cầu, cho phép các robot di chuyển theo một vài hƣớng.
Hy vọng rằng với sự phát triển của robot một bánh, và công nghệ liên quan, các robot có thể hành động nhƣ con ngƣời, hỗ trợ đƣợc con ngƣời. Luận văn này nhằm thiết kế và xây dựng robot môt bánh, chủ yếu cho mục đích giáo dục. Sự phát triển của robot một bánh là một hệ thống của toàn dự án, bao gồm cả nguồn gốc của phƣơng trình về chuyển động của robot, thiết kế và thực hiện bộ điều khiển và phần mềm liên quan đến sự cân bằng robot, và thử nghiệm hệ thống. Hệ thống robot hoạt động ổn định ngoài phần cơ cấu hợp lý và phƣơng trình toán hệ thống sát với thực tế, robot còn phải đƣợc thiết kế bộ điều khiển thích hợp.
Đối với hệ robot một bánh tự cân bằng thì quá trình điều khiển có thể đƣợc chia thành ba phần: điều khiển góc nghiêng của hệ robot so với phƣơng thẳng đứng, điều khiển vị trí di chuyển của robot so với phƣơng nằm ngang, và cuối cùng là điều khiển góc xoay của robot. Và bản thân hệ robot là hệ không ổn định, nên quá trình điều khiển sẽ gặp rất nhiều khó khăn, khi phải thực hiện điều khiển ba thành phần: góc nghiêng, vị trí, và góc xoay cùng một thời điểm. Ở đề tài luận văn thạc sỹ này tác giả cũng tập trung xây dựng mô hình ballbot có kết cấu cơ khí tƣợng tự nhƣ BallIP, đồng thời xây dựng bộ điều khiển PID để giữ cân bằng và di chuyển robot. Kết quả của đề tài sẽ là cơ sở để các cá nhân khác tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện hơn nữa các giải thuật, cũng nhƣ đi đến tạo ra một sản phẩm hoàn chỉnh có thể phục vụ cho con ngƣời.
Nguyễn Đức Thành Trang 9 HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Phương pháp nghiên cứu: Phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc áp dụng để thực hiện luận án này là phân tích lý thuyết, mô phỏng trên máy tính và áp dụng kết quả vào thực nghiệm Phân tích lý thuyết : Là nghiên cứu các lý thuyết cơ sở liên quan đến việc thiết kế bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hoá, bộ điều khiển chế độ trƣợt, dựa trên cơ sở các lý thuyết này sẽ phân tích cho mô hình cụ thể đƣợc sử dụng trong luận án Mô phỏng trên máy tính : Sau khi đã xây dựng xong các thuật toán đều khiển dƣới dạng lý thuyết ta sẽ tiến hành mô phỏng trên Matlab để kiểm chứng sự hoạt động của bộ điều khiển, trên kết quả mô phỏng sẽ rút ra các nhận xét về thuật toán và kinh nghiệm khi áp dụng bộ điều khiển vào đối tƣợng thực Áp dụng kết quả vào thực nghiệm: Để kiểm chứng tính đúng đắn của các bộ điều khiển thiết kế bằng lý thuyết ta sẽ nhúng giải thuật điều khiển xuống vi xử lý và các khâu chấp hành để điều khiển đối tƣợng thực, kết quả thực tế giúp ta nhìn nhận chính xác cho chất lƣợng của bộ điều khiển đã đƣợc thiết kế. Cấu trúc luận văn: Luận văn có cấu trúc gồm các phần chính nhƣ sau: Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu, tình hình nghiên cứu hiện nay của thế giới về đề tài này. Chƣơng 2: Mô hình hóa đối tƣợng và khảo sát đặc tính động học của đối tƣợng trên Matlab Simulink.
Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết, kiến thức cơ sở và kiến thức nền tảng đề điều khiển robot. Chƣơng 4: Xây dựng giải thuật điều khiển robot, mô phỏng đáp ứng của hệ thống để kiểm tra tính phù hợp của giải thuật điều khiển. Chƣơng 5: Hiện thực hóa robot 1 bánh tự cân bằng về kết cấu cơ khí, điện tử, thành phần cảm biến và hệ thống điều khiển nhúng. So sánh kết quả đạt đƣợc giữa mô phỏng và thực nghiệm.
Chƣơng 6: Ƣu và khuyết điểm của các giải thuật đã thực hiện trong luận văn, đề xuất hƣớng nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện và mở rộng đề tài. Nguyễn Đức Thành Trang 10 HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Chƣơng 2 ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC CBHD: TS. Nguyễn Đức Thành Trang 11 HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Chƣơng 2 ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC 2. Tài liệu liên quan: 2.
Các cơ cấu chấp hành Ở mỗi cấu trúc cơ khí, đối tƣợng có thể sử dụng các bộ chấp hành khác nhau: a. Sử dụng động cơ DC Servo. Động cơ DC Servo. Mô hình toán học có đƣợc thông qua các thông số của động cơ.
Khi điều khiển vị trí góc quay của động cơ ta cần thiết kế thêm bộ điều khiển hay tích hợp thêm bộ điều khiển động cơ. Sử dụng động cơ bước. Điều khiển vị trí, tốc độ thông qua số lƣợng, tần số chuỗi xung phát cho động cơ. Mô hình toán học phức tạp.
Có thể điều khiền vòng hở. Nguyễn Đức Thành Trang 12 HVTH: Trần Nguyên Nghĩa Chƣơng 2 ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC 2. Cơ chế bộ lái của robot 1 bánh: Ballbot CMU có lẽ là phƣơng pháp cho cơ chế lái đơn giản nhất. Nó sử dụng cơ cấu 'lái ổ chuột-bóng "- minh họa trong hình 2.
Hai con lăn lái vuông góc đƣợc sử dụng, mỗi con lăn đƣợc lái bởi một servomotor DC thông qua một vành đai. Đối diện mỗi con lăn lái là hai con lăn trƣợt chạy không tải, con lăn đƣợc sử dụng để xác định vị trí các quả bóng (Lauwers et al, 2006).
