Mở Đầu - Trình bày cách thành lập phương trình toán học mô tả hệ robot 1 bánh tự cân bằng, xây dựng mô hình cho đối tượng trên Matlab và khảo sát ảnh hưởng của các thông số và nhiễu tác động. Chương 3 : Lý Thuyết Hồi Tiếp Tuyến Tính Hoá Và Điều Khiển Chế Độ Trượt - Giới thiệu lý thuyết về phương pháp điều khiển hồi tiếp tuyến tính hoá kinh điển và điều khiển chế độ trượt. Chương 4 : Thiết Kế Bộ Điều Khiển HTTTH và Bộ Điều Khiển Chế Độ Trượt Cho Đối Tượng Thực Robot 1 Bánh - Trình bày chi tiết về quá trình thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng robot 1 bánh Chương 5 : Kết Quả Kiểm Nghiệm Thực Tế - Xây dựng bộ điều khiển cho đối tượng thực Chương 6 : Kiến Nghị Và Hướng Phát Triển - Tóm tắt luận văn đưa ra ý kiến và hướng phát triển Đỗ Đăng Nguyên Điều khiển cân bằng robot một bánh CHƯƠNG 2 ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT MỘT BÁNH Để điều khiển Robot một bánh, các phương trình chuyển động của hệ thống được yêu cầu. Các phương trình chuyển động của Robot một bánh đã được bắt nguồn từ trước đó và theo tài liệu của Lauwers et al.
(2006,2005) và Liao et al. Tuy nhiên, vẫn còn phải nghiên cứu để lấy được động lực học cho robot một bánh và để khắc phục một số hạn chế của các công việc trước đó, và cũng để cung cấp một sự hiểu biết đặc tính của động lực học robot một bánh. Hơn nữa động lực học cần thiết khi sử dụng kỹ thuật điều khiển dựa vào mô hình toán (ví dụ như để tính được độ lợi hồi tiếp, thiết kế bộ điều khiển trượt…), và cho phép mô phỏng trước khi thực hiện với mô hình thực. Mục đích của chương này là mô tả động lực học được thiết lập mà có thể được sử dụng như là cơ sở để thiết kế bộ điều khiển.
Điều này liên quan đến việc giả định ban đầu để tạo ra một mô hình robot một bánh đơn giản trên một mặt phẳng, trên đó động lực học có thể được biểu diễn. Sau đây, phương pháp Lagrange được sử dụng để lấy được các phương trình chuyển động của mô hình đơn giản. Từ những phương trình chuyển động này, tác giả sẻ xây dựng các bộ điều khiển phi tuyến được trình bày ở các chương kế tiếp. Đồng thời, những phương trình này được tuyến tính hóa quanh điểm làm việc và được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển hồi tiếp toàn trạng thái.
TÀI LIỆU LIÊN QUAN Nội dung nghiên cứu được trình bày các phần chi tiết công việc trước đó trong ba lĩnh vực phát triển của Robot một bánh. Đầu tiên là các lời giải của các phương trình chuyển động, đó là sự cần thiết để kiểm soát ballbot, thứ hai là xây dựng các phần cứng vật lý của chính nó. Phần cuối cùng là lý thuyết điều khiển được sử dụng để duy trì cân bằng Robot một bánh. 7 Đặc tính động lực học Như Robot một bánh là một khái niệm tương đối kém phát triển, chỉ có một số tài liệu hạn chế tồn tại về chủ đề này.
Tuy nhiên, sẽ được thảo luận trong các phần sau đây, vấn đề ballbot có thể được mô hình hóa như hai hệ thống con lắc ngược hoạt động độc lập. Như vậy, ta sẽ xem xét lại trước đây nguồn gốc động lực học và điều khiển đã được mở rộng giải pháp cho các vấn đề con lắc ngược.1 Phương trình chuyển động Mục đích của việc xem xét các phương trình trước đây có nguồn gốc của chuyển động là cung cấp một cơ sở để suy ra phương trình chuyển động của Robot một bánh cho dự án này. Điều này trước tiên bao gồm phân tích các giả định rằng có thể được thực hiện và bắt nguồn động học Robot một bánh. Thứ hai, phương pháp hiện tại phân tích các phương trình chuyển động của Robot một bánh được thảo luận.
Cuối cùng, kết quả hiện tại được kiểm tra, bao gồm cả hạn chế của các kết quả này. Các giả định Động lực học của các Robot một bánh rất phức tạp và vì lý do này, rất khó để lấy được phương trình chuyển động trừ khi đơn giản hóa mô hình của Robot một bánh được thực hiện. Một mô hình Robot một bánh bao gồm một thân hình cứng cân bằng trên đỉnh một hình cầu cứng. Đối với mô hình này có thể giả định rằng sự chuyển động trong hai trục của mặt phẳng - pitch và roll - được tách riêng và các phương trình chuyển động giống hệt nhau trong hai mặt phẳng (Lauwers et al, 2005.
Điều này dẫn đến giả thiết về khả năng thiết kế một bộ điều khiển cho 3D toàn bộ hệ thống bằng cách thiết kế điều khiển cho hai mặt phẳng độc lập (Lauwers et al, 2005. Hơn nữa, bao gồm các giả định ma sát trong mô hình hệ thống như ma sát nhớt , trong khi bỏ qua các hiệu ứng ma sát tĩnh và không tuyến tính (Lauwers et al. Các giả định của một mặt phẳng là đơn giản mô hình robot một bánh và ma sát nhớt cho phép các phương trình chuyển động được xác định dưới các hình thức mà cho phép thiết kế điều khiển. Đỗ Đăng Nguyên Điều khiển cân bằng robot một bánh 8 Đặc tính động lực học 1.
Phương pháp đạo hàm Động lực học của các mô hình Robot một bánh có thể rút ra bằng cách sử dụng phương pháp Lagrange,và trước đó đã được thực hiện bởi Lauwers et al. (2005) và Liao et al. Phương pháp này xác định đại lượng L Lagrange (q, q , t), trong đó q là tọa độ tổng quát của hệ thống, và t là thời gian. Đại lượng L chỉ đơn giản là tổng các động năng của hệ thống, T, trừ đi thế năng, U, được thể hiện trong phương trình (2.1) Việc lựa chọn tọa độ q là tùy ý, với ràng buộc rằng chúng hoàn toàn phải xác định hệ thống.
Tuy nhiên, nó thì thuận lợi để sử dụng tọa độ trực tiếp liên quan đến đại lượng đo lường, như các góc độ thân hình và góc của quả banh (Schearer, 2006).1 cho thấy những ví dụ về tọa độ lựa chọn khi phân tích động học xét trong một mặt phẳng, của robot một bánh hoặc hệ thống tương tự.1: Hệ tọa độ cho bóng / hệ thống cân bằng bánh xe Phương trình cơ sở chuyển động, các phương trình Euler Lagrange d L L Fi (2.2) dt qi qi Đỗ Đăng Nguyên Điều khiển cân bằng robot một bánh 9 Đặc tính động lực học Trong đó Fi là lực tổng quát (Brizard, 2008). Điều này dẫn đến phương trình Lagrange cho mỗi tọa độ qi, theo sau M (q)q C (q, q ) G (q) F (2.3) Trong đó: M(q) ma trận khối lượng, G(q) ma trận trọng lực, F vecto lực tổng quát. Phương trình (3) là phương trình chuyển động của hệ thống, mà có thể là phi tuyến. Kết quả hiện tại Công việc hiện tại phù hợp nhất là phương trình cơ sở chuyển động của Robot một bánh được trình bày bởi Lauwers et al.
Phương trình cơ sở này sử dụng mô hình đơn giản và phương pháp ballbot Lagrangian. Các phương pháp dựa trên mô hình thể hiện trong hình 2. Kết quả đạo hàm này trong các phương trình sau đây về chuyển động bao gồm thêm các ảnh hưởng của độ nhớt ma sát là một thuật ngữ khác, D (q) (Lauwers et al.4) Trong đó: 2mB rbl cos 1 mB rbl cos M (q) 1 2 mB rbl cos 2 1 Ib I B mb rb2 mB rb2 mBl 2 2 mB l 2 I B m r l sin 2 C (q, q ) B b 0 m gl sin G (q) B mB gl sin D(q ) Đỗ Đăng Nguyên Điều khiển cân bằng robot một bánh 10 Đặc tính động lực học 0 F Những kết quả này cung cấp các phương trình chuyển động của Robot một bánh. Một hạn chế lớn của phương trình này là mômen xoắn điều khiển chỉ đơn giản là mô hình hóa như mômen xoắn, và không xem xét các phương trình toán động cơ.
Động lực học Robot một bánh trong một mặt phẳng bao gồm các ảnh hưởng của động cơ bằng cách thêm động năng động cơ, và thay thế các mômen xoắn điều khiển với động lực học dựa trên trên các phương trình động cơ DC.6) Trong đó: là moment động cơ, Kt hằng số moment động cơ, i dòng điện động cơ, v điện áp động cơ, vận tốc góc động cơ, L độ tự cảm, Kb hằng số emf, R điện trở động cơ. Trong ứng dụng này, các độ từ cảm động cơ L là không đáng kể và giả định là bằng không K t (v K b) (2.2 Thiết kế phần cứng Một Robot một bánh vật lý là một thiết bị tương đối đơn giản, đòi hỏi một vài thành phần. Các chức năng cơ bản của Robot một bánh, đó là để cân bằng thẳng đứng trên một quả bóng, đòi hỏi phải có một quả bóng, một phương tiện để lăn bóng, cảm biến để đo góc nghiêng Robot một bánh, và vi điều khiển. Bằng phương pháp tiếp Đỗ Đăng Nguyên Điều khiển cân bằng robot một bánh 11 Đặc tính động lực học cận vấn đề khác nhau đã triển khai thực hiện một Robot một bánh đó là Đại học Carnegie Mellon và Đại học Tohoku Gakuin.
Cơ chế bộ lái Cơ chế bộ lái - bao gồm các giao diện giữa các động cơ lái và quả bóng - quan trọng cho sự thành công của Robot một bánh. CMU và TGU có phương pháp khác nhau để thiết kế thành phần này, sẽ được thảo luận sau. Ngoài ra một cơ chế lái khác được đề xuất bởi Wu Hwang (2008) cũng đã được kiểm tra. Ballbot CMU có lẽ là phương 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 được sử dụng, mỗi con lăn được lái bởi một servomotor DC thông qua một vành đai. Đối diện mỗi con lăn lái là hai con lăn trượt chạy không tải, con lăn được sử dụng để xác định vị trí các quả bóng (Lauwers et al, 2006.
