I. Giới thiệu và bối cảnh
Luận văn thạc sĩ tập trung vào việc tự động hóa và điều khiển xe hai bánh cân bằng di chuyển theo quỹ đạo. Đề tài này nằm trong lĩnh vực công nghệ robot và hệ thống nhúng, với mục tiêu thiết kế và chế tạo mô hình xe hai bánh có khả năng cân bằng và di chuyển theo quỹ đạo định trước. Xe hai bánh là một ứng dụng của mô hình con lắc ngược, mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn như xe vận chuyển trong công nghiệp, xe hỗ trợ di chuyển cho người già và trẻ em, và là bước đệm cho việc phát triển robot hai chân.
1.1. Tính cấp thiết và ứng dụng
Mô hình xe hai bánh cân bằng có thể xem là bước đệm để chế tạo các robot di chuyển bằng hai chân, một bước phát triển mới trong khoa học công nghệ. Ngoài ra, mô hình còn mang lại nhiều ứng dụng phù hợp với nhu cầu thực tế của cuộc sống hiện đại, như xe vận chuyển trong môi trường công nghiệp, xe di chuyển cho người già và trẻ em, và kết hợp với những robot khác để làm việc trong môi trường độc hại.
1.2. Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là thiết kế và chế tạo mô hình xe hai bánh cân bằng di chuyển theo quỹ đạo cho trước trên địa hình bằng phẳng. Trong giới hạn của đề tài, nghiên cứu tập trung vào việc tìm hiểu nguyên lý cơ bản, thiết kế mô hình cơ khí, mô phỏng trên MATLAB-SIMULINK, xây dựng thuật toán điều khiển, và hiệu chỉnh để mô hình có thể hoạt động trong môi trường thực tế.
II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng các phương pháp mô hình hóa và mô phỏng để thiết kế và điều khiển xe hai bánh. Các phương trình trạng thái của xe hai bánh được thiết lập dựa trên các tham số như góc nghiêng, khối lượng, và moment quán tính. Các tín hiệu từ cảm biến được xử lý thông qua các bộ lọc như bộ lọc Kalman để đảm bảo độ chính xác cao. Các thuật toán điều khiển như điều khiển trượt và điều khiển PD được áp dụng để điều khiển góc nghiêng và vị trí của xe.
2.1. Mô hình toán và phương trình trạng thái
Các phương trình trạng thái của xe hai bánh được thiết lập dựa trên các tham số như góc nghiêng, khối lượng, và moment quán tính. Các phương trình này được sử dụng để mô phỏng và thiết kế bộ điều khiển cho xe hai bánh.
2.2. Xử lý tín hiệu cảm biến
Các tín hiệu từ cảm biến được xử lý thông qua các bộ lọc như bộ lọc Kalman để đảm bảo độ chính xác cao. Bộ lọc Kalman cho phép kết hợp nhiều cảm biến đo ở dãy băng tần khác nhau của cùng một giá trị vật lý, giúp ước lượng chính xác góc nghiêng và vận tốc góc.
2.3. Thiết kế bộ điều khiển
Các thuật toán điều khiển như điều khiển trượt và điều khiển PD được áp dụng để điều khiển góc nghiêng và vị trí của xe. Bộ điều khiển trượt được sử dụng để điều khiển góc nghiêng, trong khi bộ điều khiển PD được sử dụng để điều khiển vị trí của xe.
III. Kết quả và đánh giá
Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy mô hình xe hai bánh cân bằng có khả năng di chuyển theo quỹ đạo định trước với độ chính xác cao. Các bộ điều khiển được thiết kế đã đáp ứng được yêu cầu về cân bằng và di chuyển của xe. Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề cần được cải thiện, như độ ổn định của xe khi di chuyển trên địa hình không bằng phẳng.
3.1. Kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng trên MATLAB-SIMULINK cho thấy đáp ứng của hệ thống khi xe ở vị trí cân bằng và khi di chuyển đến vị trí đặt trước. Các bộ điều khiển trượt và PD đã đáp ứng được yêu cầu về cân bằng và di chuyển của xe.
3.2. Kết quả thực nghiệm
Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình xe hai bánh có khả năng cân bằng và di chuyển theo quỹ đạo định trước. Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề cần được cải thiện, như độ ổn định của xe khi di chuyển trên địa hình không bằng phẳng.
