Đặt vấn đề: Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật làm cho robot trở nên phổ biến trong môi trường công nghiệp cũng như trong đ ời sống hằng ngày, tuy nhiên những mobile robot được sử dụng hiện nay hầu hết là các robot có 3 hay 4 bánh xe, nhờ vậy mà xe có thể cân bằng ổn định. Đối với xe có 3 bánh thì có thể di chuyển và làm việc tốt trong địa hình bằng phẳng nhưng gặp nhiều vấn đề nếu di chuyển trên các địa hình dốc. Khi di chuyển lên dốc sẽ là trọng lượng xe dồn về phía sau, bánh lái mắt khả năng bám và trược ngã. Còn khi xuống dốc thì trọng tâm xe dời về phái trước làm xe lật úp.
Đối với xe 4 bánh có khả năng cân bằng tốt nhưng có khuyết điểm là kích thước to không thể hoạt động trong môi trường hẹp. Ngược lại, xe có hai bánh được gắn đồng trục lại có thể cân bằng linh hoạt mặc dù bản thân là hệ thống không ổn định. Khi leo dốc thì xe tự động nghiêng về phái trước làm trọng tâm dồn về phái bánh xe, tương tự khi xuống dốc xe tự nghiêng về sau, giữ trọng tâm dồn về phái bánh xe nên xe luôn cân bằng.1- Cách thức di chuyển của mô hình xe hai bánh Xe hai bánh là một ứng dụng của mô hình con lắc ngược. Không giống với các loại xe thông thường có hai bánh nằm trước và sau, xe hai bánh trong đề tài có hai bánh được đặt song song và đồng trục với nhau, cũng vì lí do này mà xe có kích thư ớc gọn gàng dễ di chuyển trong những không gian chật hẹp.
Xe hai bánh di chuyển theo quỹ đạo là tiền đề cho việc chế tạo các robot vận chuyển trong các khu vực chật hẹp, các xe trợ giúp di chuyển cho người già, trẻ em và xa hơn là các robot hai chân, robot dạng người. HV: TĂNG NĂNG TƯỜNG MSHV:11900723 Page 1 XE HAI BÁNH CÂN BẰNG DI CHUYỂN THEO QUỸ ĐẠO 2. Tính cấp thiết và ứng dụng của đề tài: 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 ngày nay. Ngoài ra, mô hình còn mang lại nhiều ứng dụng phù hợp với nhu cầu thực tế của cuộc sống hiện đại.
Ứng dụng của mô hình xe hai bánh: - Có thể trở thành xe vận chuyển trong môi trường công nghiệp. - Dùng làm xe di chuyển cho người già và trẻ em. - Kết hợp với những robot khác để làm việc trong môi trường độc hại, những công việc nguy hiểm thay cho con người. - Là bước đệm để phát triển robot giống người trong tương lai.
Mục đích nghiên cứu: Hiện nay, vấn đề cân bằng của robot không còn là đ ề tài mới nhưng những ứng dụng của nó trong môi trường công nghiệp, trong thực tế vẫn còn rộng và cần được quan tâm 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 chỉ tập trung vào một số mục tiêu: - Tìm hiểu nguyên lý cơ bản, nguyên tắc hoạt động của mô hình xe hai bánh. - Thiết kế mô hình cơ khí.
- Mô phỏng trên MATLAB-SIMULINK. - Giao tiếp và thu các tín hiệu cảm biến. - Xây dựng thuật toán điều khiển. - Hiệu chỉnh để mô hình có thể hoạt động trong môi trường thực tế.
HV: TĂNG NĂNG TƯỜNG MSHV:11900723 Page 2 XE HAI BÁNH CÂN BẰNG DI CHUYỂN THEO QUỸ ĐẠO 4. Tổng quan nghiên cứu: Xe hai bánh tự cân bằng là một ứng dụng thực tế của mô hình con lắc ngược. Xe có khả năng cân bằng tốt trong nhiều địa hình di chuyển khác nhau. Về cấu trúc cơ khí xe có hai bánh được thiết kế song song, đồng trục với nhau giúp kích thước trở nên gọn gàng, có thể làm việc trong môi trường chật hẹp.
Trên thực tế, xe hai bánh tự cân bằng có nhiều hình dạng cũng như kích thư ớc khác nhau. Có xe có kích thước lớn dùng để chở người như Segway (hình 1.2), Balancing Scooter (hình 1.3) và mô hình xe trong [3] hay xe có kích thước nhỏ như nBot trong [7] (hình 1.4) và các mô hình xe hai bánh trong [4], [5], [6], [8] và [9] dùng trong không gian nhỏ hẹp.3- Balancing Scooter HV: TĂNG NĂNG TƯỜNG MSHV:11900723 Page 3 XE HAI BÁNH CÂN BẰNG DI CHUYỂN THEO QUỸ ĐẠO Hình 1.4- nBot Về các bộ điều khiển dùng trong mô hình xe hai bánh cũng rất đa dạng. Bộ điều khiển LQR dùng trong [4], [9] được dùng khá rông rãi với khả năng đáp ứng khá tốt nhưng gặp khó khăn trong việc chọn các giá trị R va Q trong thực nghiệm mô hình. Điều khiển mờ [6] cũng đư ợc lựa chọn để giữ cân bằng mô hình xe hai bánh.
Bộ điều khiển PID trong [8] rất thông dụng nhưng ít được dùng cho mô hình phi tuyến. Ngược lại bộ điều khiển trượt [11] và điều khiển cuốn chiếu [10] cho thấy ưu điểm khi dùng cho mô hình phi tuyến. Phương pháp nghiên cứu: a) Cơ sở lý thuyết: - Mô hình hóa xe hai bánh. - Mô phỏng trên MATLAB - Simulink.
b) Thực hiện mô hình trong thực tế: -Thiết kế khung cơ khí. - Lấp đặt mạch cảm biến và công suất. - Mạch điều khiển. - Lập trình và hiệu chỉnh.
HV: TĂNG NĂNG TƯỜNG MSHV:11900723 Page 4 XE HAI BÁNH CÂN BẰNG DI CHUYỂN THEO QUỸ ĐẠO Chương 2 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Mô hình toán và phương trình trạng thái của xe hai bánh: Các tham số được sử dụng trong việc thiết lập phương trình trạng thái của mô hình xe hai bánh được mô tả trong bảng sau: Ký hiệu Mô tả Đơn vị θ Góc nghiêng của xe hai bánh so với trục y Rad δ Góc lệch của xe so với trục x Rad MB Khối lượng thân xe 7.9 Kg MW Khối lượng bánh xe 0.36 Kg R Bán kính bánh xe 0.05 m L Khoảng cách từ tâm xe đến trục bánh xe 0.23 m D Khoảng cách giữa hai bánh xe m CL, CR Moment của động cơ nối với bánh trái, phải N.m g Gia tốc trọng trường 9.1 – Ký hiệu các thông số dùng trong mô hình xe hai bánh (phần 1) HV: TĂNG NĂNG TƯỜNG MSHV:11900723 Page 5 XE HAI BÁNH CÂN BẰNG DI CHUYỂN THEO QUỸ ĐẠO Ký hiệu Mô tả Đơn vị xw , y w Vị trí bánh xe theo phương x, y m xB , yB Vị trí thân xe theo phương x, y m HTL , HTR Lực ma sát giữa bánh trái, phải với mặt đất N.m H L , HR Lực tương tác giữa thân xe và bánh xe N.m VTL , VTR Phản lực giữa mặt đất với bánh trái, phải N.m V L , VR Phản lực tương tác giữa hai xe với bánh trái, phải N.m JW Moment quán tính của bánh xe N.m2 JB Moment quán tính của thân xe N.m2 FC Lực tác động N Bảng 2.2 – Ký hiệu các thông số dùng trong mô hình xe hai bánh (phần 2) Xét tại vị trí bánh xe: Hình 2.1- Lực phân bố ở bánh xe HV: TĂNG NĂNG TƯỜNG MSHV:11900723 Page 6 XE HAI BÁNH CÂN BẰNG DI CHUYỂN THEO QUỸ ĐẠO. (2-3b) Do ma sát của bánh xe với mặt đường nhỏ nên có thể bỏ qua HTL và HTR. Đối với thân xe: Hình 2.2- Lực phân bố trên mô hình xe hai bánh.
cos −( + ) (2-8) HV: TĂNG NĂNG TƯỜNG MSHV:11900723 Page 7 XE HAI BÁNH CÂN BẰNG DI CHUYỂN THEO QUỸ ĐẠO Thay (2-4) và (2-7) vào (2-8), rút rọn ta được:. (2-20) Từ (2-19) ta suy ra: ̈. ̈ (2-21) Thay (2-16) và (2-21) vào (2-9): HV: TĂNG NĂNG TƯỜNG MSHV:11900723 Page 8 XE HAI BÁNH CÂN BẰNG DI CHUYỂN THEO QUỸ ĐẠO. (2-22) Thay = và = ta được hệ phương trình của xe hai bánh:.
Xem moment quán tính của thân xe như đoạn thẳng hình trụ chiều dài L: 1 =. (2 − 24) 3 Xem moment quán tính của bánh xe như đĩa tròn xoay có bán kính R: 1 =. (2 − 25) 2 Thay (2-24), (2-25) vào (2-23) ta được phương trình: (2. Đặt = , = ̇, = à = ̇ ta được phương trình trạng thái của xe hai bánh: HV: TĂNG NĂNG TƯỜNG MSHV:11900723 Page 9 XE HAI BÁNH CÂN BẰNG DI CHUYỂN THEO QUỸ ĐẠO ̇ = ̇ = ( )+ ( , ) + ℎ ( ).
Các phương pháp xử lý tín hiệu cảm biến: Để có thể điều khiển tốt robot thì các tín hiệu thu được từ cảm biến phải có độ chính xác cao nhưng trong thực tế tín hiệu thu về có cả nhiễu nên đòi hỏi phải có phương pháp khắc phục hiện tương nhiễu. Có nhiều phương pháp lọc nhiễu như: bộ lọc bổ phụ thông tần, lọc Kalman,… - Bộ lọc bổ phụ thông tần [3] và [7]: bộ lọc thường được sử dụng trong việc ước lượng một giá trị khi có hai nguồn giá trị khác nhau. Một nguồn cho giá trị chính HV: TĂNG NĂNG TƯỜNG MSHV:11900723 Page 10 XE HAI BÁNH CÂN BẰNG DI CHUYỂN THEO QUỸ ĐẠO xác trong vùng tần số thấp, nguồn còn lại cho giá trị chính xác trong vùng tần số cao. Trong đề tài nghiên cứu, việc xác định góc nghiêng là tổng hợp giá trị từ hai cảm biến vận tốc góc gyroscope và cảm biến gia tốc accelerometer.
Giá trị của cảm biến vận tốc góc cho qua bộ lọc tần số cao Gi(s) còn giá trị của cảm biến gia tốc cho qua bộ lọc tần số thấp Gg(s), tổng hợp giá trị thu được sẽ cho ra ước lượng chính xác về góc nghiêng. Số lượng tham số thiết kế nên nhỏ để dể điều chỉnh và áp dụng cho bộ lọc trong thực tế.3- Chu trình ước lượng sử dụng bộ lọc bổ phụ thông tần Bộ lọc bổ phụ thông tần có ưu điểm là dể thiết kế, tính toán nhanh nhưng có nhược điểm do vẫn là hai bộ lọc có tần số khác nhau nên tín hiệu ra có thể không bằng nhau. - Bộ lọc Kalman [12] và [13] được đề xuất bởi giáo sư Kalman từ những năm 1960. Bộ lọc Kalman hợp nhất tất cả thông tin được cung cấp để cho ra giá trị ước lượng tối ưu.
Bộ lọc sẽ ước lượng trạng thái tiến trình và sẽ thu sự phản hồi của giá trị. HV: TĂNG NĂNG TƯỜNG MSHV:11900723 Page 11 XE HAI BÁNH CÂN BẰNG DI CHUYỂN THEO QUỸ ĐẠO Một khi phương trình định hướng và mẫu thống kê nhiễu trên mỗi cảm biến được biết thì bộ lọc Kalman sẽ cho ước lượng tối ưu. Bộ lọc Kalman gián đoạn: Đối tượng có mô hình: =. + Với wk và vk là giá trị thay đổi ngẫu nhiên, tách biệt nhau.
