I. Giới thiệu tổng quan
Luận văn tập trung vào việc tự động hóa điều khiển cân bằng robot một bánh, một lĩnh vực mới mẻ trong công nghệ robot. Robot một bánh là hệ thống phức tạp, yêu cầu sự ổn định động lực học và khả năng cân bằng trên một quả bóng. Đề tài này kế thừa từ các nghiên cứu trước đây tại Đại học Carnegie Mellon (CMU) và Đại học Tohoku Gakuin (TGU). Mục tiêu chính là thiết kế và thi công hệ thống điều khiển robot để giữ thăng bằng và di chuyển linh hoạt.
1.1. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của luận văn là thiết kế và xây dựng robot một bánh tự cân bằng, ứng dụng trong giáo dục và hỗ trợ con người. Hệ thống bao gồm việc thành lập phương trình toán học, thiết kế hệ thống điều khiển, và kiểm nghiệm thực tế. Các phương pháp điều khiển như LQR, hồi tiếp tuyến tính hóa, và chế độ trượt được nghiên cứu và áp dụng.
1.2. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu bao gồm phân tích lý thuyết, mô phỏng trên Matlab/Simulink, và kiểm nghiệm thực tế. Các thuật toán điều khiển được nhúng vào vi điều khiển TMS320F28335 để điều khiển robot một bánh thực tế. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm được so sánh để đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển.
II. Đặc tính động lực học của robot một bánh
Chương này tập trung vào việc thiết lập các phương trình chuyển động của robot một bánh dựa trên phương pháp Lagrange. Các giả định về mô hình đơn giản hóa và ma sát nhớt được áp dụng để xây dựng phương trình động lực học. Các phương trình này là cơ sở để thiết kế các bộ điều khiển phi tuyến và tuyến tính hóa hệ thống.
2.1. Phương trình chuyển động
Phương trình chuyển động của robot một bánh được xây dựng dựa trên giả định về sự tách biệt của hai trục pitch và roll. Phương pháp Lagrange được sử dụng để thiết lập các phương trình này, từ đó tuyến tính hóa hệ thống quanh điểm làm việc. Các phương trình này được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển hồi tiếp toàn trạng thái.
2.2. Giả định và hạn chế
Các giả định bao gồm mô hình đơn giản hóa, bỏ qua ma sát tĩnh và không tuyến tính. Những giả định này giúp đơn giản hóa quá trình tính toán nhưng cũng đặt ra một số hạn chế trong việc mô phỏng chính xác hệ thống thực tế.
III. Thiết kế hệ thống điều khiển
Chương này trình bày chi tiết quá trình thiết kế các bộ điều khiển cho robot một bánh, bao gồm LQR, hồi tiếp tuyến tính hóa, và chế độ trượt. Các bộ điều khiển này được mô phỏng trên Matlab/Simulink và kiểm nghiệm thực tế để đánh giá hiệu quả.
3.1. Bộ điều khiển LQR
Bộ điều khiển LQR được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng giữ thăng bằng và ổn định của robot một bánh. Tuy nhiên, việc áp dụng vào hệ thống thực tế đòi hỏi điều chỉnh các thông số để phù hợp với điều kiện thực tế.
3.2. Bộ điều khiển chế độ trượt
Bộ điều khiển chế độ trượt được thiết kế để xử lý các vấn đề phi tuyến và nhiễu trong hệ thống. Kết quả thực nghiệm cho thấy khả năng ổn định và chính xác cao, đặc biệt trong điều kiện có nhiễu.
IV. Kết quả kiểm nghiệm thực tế
Chương này trình bày kết quả thực nghiệm của các bộ điều khiển trên robot một bánh thực tế. Các kết quả được so sánh với mô phỏng để đánh giá hiệu quả và độ chính xác của các phương pháp điều khiển.
4.1. Kết quả điều khiển LQR
Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển LQR có khả năng giữ thăng bằng tốt, nhưng cần điều chỉnh thêm để tối ưu hóa hiệu suất trong điều kiện thực tế.
4.2. Kết quả điều khiển chế độ trượt
Bộ điều khiển chế độ trượt cho thấy khả năng ổn định cao, đặc biệt trong điều kiện có nhiễu. Kết quả này khẳng định tính hiệu quả của phương pháp điều khiển phi tuyến trong ứng dụng thực tế.
V. Kiến nghị và hướng phát triển
Luận văn đưa ra các kiến nghị và hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc cải tiến các bộ điều khiển, ứng dụng công nghệ tự động hóa trong các lĩnh vực khác, và phát triển robot thông minh với khả năng tự học và thích nghi.
5.1. Hướng phát triển công nghệ
Hướng phát triển bao gồm việc tích hợp cảm biến robot tiên tiến, cải thiện thuật toán điều khiển, và ứng dụng hệ thống tự động trong các lĩnh vực như y tế, quân sự, và giải trí.
5.2. Ứng dụng thực tế
Robot một bánh có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong hỗ trợ di chuyển, giáo dục, và giải trí. Việc phát triển các phiên bản nhỏ gọn và linh hoạt sẽ mở rộng khả năng ứng dụng của công nghệ này.
