Mô Hình Hóa và Điều Khiển Robot Tự Cân Bằng Trên Quả Bóng

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT LUẬN VĂN CAO HỌC

PHỤ LỤC

1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu về Robot tự cân bằng trên một quả bóng

1.2. Tình hình phát triển các Robot tự cân bằng trên một quả bóng trên thế giới

1.2.1. Robot tự cân bằng trên một quả bóng của đại học Carnegie Mellon

1.2.2. Robot tự cân bằng trên một quả bóng của đại học Tohoku Gakuin

1.2.3. Robot tự cân bằng trên một quả bóng của Đại học Adelaide (UA)

1.2.4. Robot tự cân bằng trên một quả bóng của Đại học General Hsing

1.2.5. Robot tự cân bằng trên một quả bóng của Đại học Zurich

1.3. Lý do chọn đề tài

1.4. Mục tiêu của đề tài

1.5. Nội dung của đề tài

1.6. Giới hạn nội dung đề tài

2. CHƯƠNG 2: THI CÔNG THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ PHẦN CỨNG

2.1. Tổng quan về thiết kế và hệ thống điều khiển

2.2. Những phần cứng cơ bản của robot tự cân bằng trên một quả bóng

2.2.1. Vi điều khiển Arduino Mega 2560

2.2.2. Cảm biến IMU 6 DOF

2.2.3. Driver PID cho động cơ DC Servo 24V

2.2.4. Động cơ DC Servo

2.2.5. Module thu phát, truyền nhận dữ liệu

2.3. Sơ đồ tổng quan về mạch điện bộ điều khiển robot

2.4. Thi công mô hình thực tế Robot tự cân bằng trên một quả bóng

2.4.1. Bộ điều khiển PID

2.4.1.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID

2.4.1.2. Bộ điều khiển PID cơ bản

2.4.2. Bộ điều khiển toàn phương tuyến tính (LQR)

2.4.2.1. Bài toán LQR liên tục và cách tìm lời giải tối ưu

2.4.2.2. Bài toán LQR liên tục thời gian vô hạn

2.4.2.3. Bài toán LQR rời rạc thời gian vô hạn

2.4.3. Bộ lọc Kalman

2.4.3.1. Quá trình ước lượng

2.4.3.2. Bản chất xác suất của bộ lọc

2.4.3.3. Thuật toán Kalman rời rạc

2.4.4. Bộ lọc bổ sung Complementary filter

3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ KHẢO NGHIỆM MÔ HÌNH ROBOT

3.1. Phân tích Robot tự cân bằng trên một quả bóng theo hệ qui chiếu 2D

3.1.1. Các điều kiện giả thiết ban đầu khi xây dựng mô hình

3.1.2. Chọn hệ tọa độ qui chiếu

3.1.3. Chọn hệ tọa độ Descartes theo mặt phẳng yz (hoặc xz)

3.1.4. Chọn hệ tọa độ Descartes theo mặt phẳng xy

3.2. Phương trình động lực học theo mặt phẳng tọa độ yz/xz

3.2.1. Động năng và thế năng của hệ thống

3.2.2. Moment xoắn ngoại lực

3.2.3. Thành lập công thức Euler-Lagrange

3.2.4. Tuyến tính hóa, thành lập phương trình biến trạng thái

3.3. Phương trình động lực học theo mặt phẳng tọa độ xy

3.3.1. Động năng và thế năng của hệ thống

3.3.2. Moment xoắn ngoại lực

3.3.3. Thành lập phương trình Euler-Lagrang

3.3.4. Tuyến tính hóa, thành lập phương trình biến trạng thái

3.4. Ma trận chuyển vị lực quay (Decoupling)

3.4.1. Tính toán lực quay của thân Robot 𝝉𝑩, 𝒊 sinh ra bởi hệ thống thực

3.4.2. Tính lực quay của thân robot Robot 𝝉𝑩, 𝒊 sinh ra bởi hệ thống giả định

3.5. Thiết kế mô hình, mô phỏng khảo nghiệm trên Matlab

3.5.1. Mô hình tuyến tính Robot tự cân bằng trên một quả bóng

3.5.2. Mô phỏng khảo nghiệm mô hình Robot

3.5.3. Xây dựng khối Decoupling kết hợp mô hình ảo

4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

4.1. Bộ điều khiển PID đối với Robot tự cân bằng trên một quả bóng

4.1.1. Thiết kế bộ điều khiển PID (SISO) cho mô hình Robot

4.1.2. Mô phỏng đáp ứng bộ điều khiển PID (SISO) đối với mô hình Robot

4.2. Bộ điều khiển LQR đối với Robot tự cân bằng trên một quả bóng

4.2.1. Thiết kế bộ điều khiển LQR cho mô hình Robot

4.2.2. Mô phỏng đáp ứng bộ điều khiển LQR đối với mô hình Robot

4.2.3. Ảnh hưởng của nhiễu đối với chất lượng của bộ điều khiển LQR

4.2.4. Mô phỏng chất lượng bộ lọc Kalman

4.2.5. Mô phỏng chất lượng bộ lọc bổ sung (Complementary Filter)

5. CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THỰC TẾ

5.1. Phương pháp thu thập và hiển thị dữ liệu sử dụng trong đề tài

5.2. Xử lý và hiệu chỉnh giá trị lấy từ cảm biến dùng bộ lọc Complementary

5.3. Xử lý và hiệu chỉnh giá trị lấy từ cảm biến dùng bộ lọc Kalman

5.4. Mối quan hệ giữa vận tốc bánh Omni ф 𝒊 = 𝟏, 𝟐, 𝟑 và vận tốc góc lăn của bóng theo các trục chuyển vị 𝜽𝒋 = 𝒙, 𝒚, 𝒛

5.5. Ứng dụng bộ điều khiển LQR trong điều khiển thăng bằng mô hình thực

6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

6.1. Những kết quả đạt được từ đề tài

6.2. Hạn chế của đề tài

6.3. So sánh kết quả đạt được của đề tài với một số đề tài khác đã công bố

6.4. Hướng phát triển

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về Mô Hình Hóa Robot Tự Cân Bằng Trên Quả Bóng

Robot tự cân bằng trên quả bóng là một trong những ứng dụng thú vị trong lĩnh vực robot học. Hệ thống này không chỉ thể hiện khả năng điều khiển phức tạp mà còn mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu mới. Mô hình hóa robot tự cân bằng giúp hiểu rõ hơn về động lực học và các thuật toán điều khiển cần thiết để duy trì trạng thái cân bằng. Việc nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong các lĩnh vực như tự động hóa và robot thông minh.

1.1. Đặc điểm và Cấu trúc của Robot Tự Cân Bằng

Robot tự cân bằng trên quả bóng có cấu trúc đặc biệt với điểm tiếp xúc duy nhất giữa quả bóng và mặt đất. Điều này tạo ra một thách thức lớn trong việc duy trì thăng bằng. Hệ thống này thường sử dụng các cảm biến như IMU để theo dõi vị trí và góc nghiêng của robot, từ đó điều chỉnh động cơ để giữ thăng bằng.

1.2. Lịch sử Phát triển Robot Tự Cân Bằng

Robot tự cân bằng đã được nghiên cứu và phát triển từ những năm 2000. Nhiều trường đại học trên thế giới đã thành công trong việc chế tạo các mẫu robot này, như Đại học Carnegie Mellon và Đại học Tohoku Gakuin. Những nghiên cứu này đã mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng robot trong đời sống.

II. Thách Thức Trong Việc Điều Khiển Robot Tự Cân Bằng

Điều khiển robot tự cân bằng trên quả bóng gặp nhiều thách thức do tính phi tuyến và không ổn định của hệ thống. Việc duy trì thăng bằng trong khi di chuyển trên địa hình phức tạp là một trong những vấn đề lớn nhất. Các yếu tố như trọng lực, ma sát và lực quán tính đều ảnh hưởng đến khả năng giữ thăng bằng của robot.

2.1. Tính Phi Tuyến Trong Mô Hình Hóa

Mô hình hóa robot tự cân bằng thường gặp khó khăn do tính phi tuyến của các phương trình động lực học. Điều này đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải phát triển các thuật toán điều khiển phức tạp hơn để đảm bảo robot có thể duy trì thăng bằng trong mọi tình huống.

2.2. Ảnh Hưởng Của Môi Trường Đến Robot

Môi trường xung quanh có thể ảnh hưởng lớn đến khả năng giữ thăng bằng của robot. Các yếu tố như độ dốc, bề mặt không bằng phẳng và các vật cản có thể làm tăng độ khó trong việc điều khiển robot. Do đó, việc thiết kế một hệ thống điều khiển linh hoạt là rất cần thiết.

III. Phương Pháp Mô Hình Hóa Robot Tự Cân Bằng Hiệu Quả

Để mô hình hóa robot tự cân bằng, các phương pháp như mô hình con lắc ngược và các thuật toán điều khiển hiện đại như LQR được áp dụng. Những phương pháp này giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển và cải thiện khả năng giữ thăng bằng của robot.

3.1. Mô Hình Con Lắc Ngược Trong Robot

Mô hình con lắc ngược là một trong những mô hình cơ bản được sử dụng để nghiên cứu robot tự cân bằng. Mô hình này giúp phân tích động lực học và phát triển các thuật toán điều khiển hiệu quả.

3.2. Ứng Dụng Thuật Toán LQR Trong Điều Khiển

Thuật toán LQR (Linear Quadratic Regulator) được sử dụng để tối ưu hóa quá trình điều khiển robot tự cân bằng. Phương pháp này giúp giảm thiểu sai số và đảm bảo robot duy trì thăng bằng trong mọi tình huống.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Robot Tự Cân Bằng

Robot tự cân bằng trên quả bóng có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như giáo dục, nghiên cứu và giải trí. Chúng có thể được sử dụng để phát triển các hệ thống tự động hóa trong nhà, cũng như trong các trò chơi và hoạt động giải trí.

4.1. Ứng Dụng Trong Giáo Dục

Robot tự cân bằng có thể được sử dụng như một công cụ giáo dục để giảng dạy về robot học và điều khiển. Chúng giúp sinh viên hiểu rõ hơn về các nguyên lý động lực học và điều khiển.

4.2. Ứng Dụng Trong Giải Trí

Trong lĩnh vực giải trí, robot tự cân bằng có thể được sử dụng trong các trò chơi tương tác hoặc các buổi biểu diễn nghệ thuật. Chúng mang lại trải nghiệm thú vị cho người xem và tạo ra những màn trình diễn độc đáo.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tương Lai

Robot tự cân bằng trên quả bóng là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng. Với sự phát triển của công nghệ, các hệ thống điều khiển ngày càng trở nên thông minh và hiệu quả hơn. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc cải thiện khả năng tự động hóa và mở rộng ứng dụng của robot trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.1. Những Kết Quả Đạt Được Từ Nghiên Cứu

Nghiên cứu về robot tự cân bằng đã đạt được nhiều kết quả tích cực, từ việc phát triển các mô hình điều khiển đến việc ứng dụng trong thực tiễn. Những kết quả này mở ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu và phát triển.

5.2. Hướng Phát Triển Trong Tương Lai

Trong tương lai, việc phát triển robot tự cân bằng có thể tập trung vào việc cải thiện khả năng tương tác và tự động hóa. Các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo có thể được tích hợp để nâng cao hiệu suất và khả năng hoạt động của robot.

Luận Văn Thạc Sĩ Về Mô Hình Hóa và Điều Khiển Robot Tự Cân Bằng Trên Quả Bóng