Mô Hình Hóa và Thiết Kế Bộ Điều Khiển cho Robot Ballbot

• Tác giả: Nguyễn Hữu Thân
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Trọng Hiểu
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Mô Hình Hóa và Thiết Kế Bộ Điều Khiển cho Robot Ballbot
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 1.1. Background and Motivation
• 1.2. Thesis Objectives
• 1.3. Thesis Contributions
• 1.4. Structure of the thesis
• 2. CHƯƠNG 2: MATHEMATICAL MODEL FOR THE PLANAR SYSTEM
• 2.1. Model description
• 2.2. Model in the YOZ plane
• 2.3. Modeling in the XOY plane
• 3. CHƯƠNG 3: CONTROLLER DESIGN
• 3.1. The Principle of Nonlinear Model Predictive Control
• 3.2. NMPC Mathematical Formulation
• 4. CHƯƠNG 4: SIMULATION RESULTS
• 5. CHƯƠNG 5: CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS
• BIBLIOGRAPHY

I. Tổng Quan về Robot Ballbot Giới Thiệu và Ứng Dụng

Robot ballbot là một loại robot di động tự cân bằng, di chuyển linh hoạt nhờ quả cầu duy nhất. Khái niệm này tương tự như con lắc ngược. Bài toán điều khiển robot ballbot là một thách thức lớn do tính chất phi tuyến và thiếu tác động (underactuated) của hệ thống. Robot ballbot có thể di chuyển linh hoạt trong không gian hẹp. Ứng dụng tiềm năng bao gồm vận chuyển hàng hóa, giám sát và thám hiểm. Mô hình hóa robot chính xác là bước quan trọng để thiết kế bộ điều khiển hiệu quả. Luận văn này nghiên cứu các phương pháp mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho robot ballbot, tập trung vào điều khiển robot di chuyển theo quỹ đạo mong muốn. Bài toán stability control và posture control cũng được xem xét.

1.1. Cấu trúc và Cơ chế hoạt động của Robot Ballbot

Robot ballbot có hai loại chính: loại sử dụng con lăn chủ động và loại sử dụng bánh xe đa hướng. Loại sử dụng con lăn, như CMU Ballbot, dùng hai con lăn vuông góc nhau, được điều khiển bởi DC motors có encoder. Loại sử dụng bánh xe đa hướng, như TGU Ballbot, sử dụng ba bánh xe đa hướng. Luận văn này tập trung vào loại thứ hai. Ưu điểm của ballbot loại này là khả năng di chuyển linh hoạt, nhưng đòi hỏi thuật toán điều khiển phức tạp hơn. sensors for ballbot đóng vai trò quan trọng, bao gồm encoders, IMU (Inertial Measurement Unit), và force sensors.

1.2. Ưu điểm và Nhược điểm của Robot Ballbot so với Robot khác

Ballbot có ưu điểm vượt trội về khả năng di chuyển linh hoạt trong không gian hẹp so với các loại robot khác. Tuy nhiên, nhược điểm là tính phức tạp trong thiết kế bộ điều khiển do đặc tính phi tuyến và hệ thống thiếu tác động. stability control là một vấn đề then chốt. Ngoài ra, energy efficiency và fault tolerance cũng là những thách thức cần giải quyết. kinematic modeling và dynamic modeling là hai phương pháp thường được sử dụng để mô hình hóa robot.

II. Thách Thức Mô Hình Hóa Robot Ballbot Yếu Tố và Giải Pháp

Mô hình hóa robot ballbot là một thách thức do tính phức tạp của hệ thống. Các yếu tố như ma sát, phân bố trọng lượng, và kích thước quả cầu đều ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình. dynamic modeling thường được thực hiện bằng phương pháp Lagrange. Luận văn này tập trung vào mô hình hóa robot phẳng, đơn giản hóa bài toán nhưng vẫn giữ được các đặc tính quan trọng. Các giả định được đưa ra để giảm độ phức tạp, ví dụ như bỏ qua trượt giữa quả cầu và mặt đất. Mục tiêu là xây dựng mô hình đủ chính xác để thiết kế bộ điều khiển hiệu quả.

2.1. Các Giả Định Quan Trọng trong Mô Hình Hóa Ballbot

Để đơn giản hóa bài toán mô hình hóa robot, các giả định thường được sử dụng. Ví dụ, bỏ qua ma sát (trừ ma sát xoay quả cầu quanh trục z), coi robot gồm các vật rắn tuyệt đối, và bỏ qua ảnh hưởng của rung động. Các mô hình phẳng (planar models) cũng thường được sử dụng để giảm số bậc tự do. Điều quan trọng là phải đánh giá ảnh hưởng của các giả định này đến độ chính xác của mô hình. friction và rolling resistance là những yếu tố có thể ảnh hưởng đáng kể đến stability control.

2.2. Ảnh Hưởng của Ma Sát và Phân Bố Trọng Lượng đến Mô Hình

Ma sát và phân bố trọng lượng là hai yếu tố quan trọng cần xem xét trong mô hình hóa robot ballbot. Ma sát giữa quả cầu và mặt đất ảnh hưởng đến khả năng di chuyển và stability control. Phân bố trọng lượng ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống. Mô hình cần đủ chính xác để phản ánh ảnh hưởng của các yếu tố này. Các phương pháp estimation algorithms như Kalman filter, extended Kalman filter (EKF), và unscented Kalman filter (UKF) có thể được sử dụng để ước lượng các tham số không chắc chắn.

III. Thiết Kế Bộ Điều Khiển NMPC cho Robot Ballbot Phương Pháp

Luận văn này sử dụng Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) để thiết kế bộ điều khiển cho robot ballbot. NMPC là một phương pháp điều khiển robot mạnh mẽ, có thể xử lý các hệ thống phi tuyến và ràng buộc. Ưu điểm của NMPC là khả năng dự đoán trạng thái tương lai của hệ thống và tối ưu hóa tín hiệu điều khiển dựa trên dự đoán này. NMPC không yêu cầu tuyến tính hóa mô hình, cho phép điều khiển hệ thống trong phạm vi hoạt động rộng hơn. Mục tiêu là trajectory tracking và obstacle avoidance.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động của Điều Khiển Dự Đoán Mô Hình Phi Tuyến NMPC

NMPC hoạt động bằng cách giải một bài toán tối ưu tại mỗi thời điểm, dự đoán trạng thái tương lai của hệ thống dựa trên mô hình và ràng buộc. Tín hiệu điều khiển được tối ưu hóa để đạt được mục tiêu mong muốn, ví dụ như trajectory tracking hoặc posture control. Chỉ giá trị điều khiển đầu tiên được áp dụng, sau đó quá trình được lặp lại tại thời điểm tiếp theo (receding horizon). simulation software như MATLAB/Simulink và ROS (Robot Operating System) thường được sử dụng để mô phỏng và kiểm tra hiệu quả của NMPC.

3.2. Công Thức Toán Học và Các Ràng Buộc trong NMPC

Công thức toán học của NMPC bao gồm hàm mục tiêu (cost function) và các ràng buộc. Hàm mục tiêu thường bao gồm sai số theo dõi (tracking error) và năng lượng điều khiển. Các ràng buộc có thể là giới hạn về trạng thái, tín hiệu điều khiển, hoặc tránh chướng ngại vật. Việc giải bài toán tối ưu này đòi hỏi các thuật toán phức tạp. linear quadratic regulator (LQR) và state space control là những phương pháp điều khiển khác có thể được sử dụng, nhưng kém hiệu quả hơn trong các hệ thống phi tuyến.

IV. Mô Phỏng và Đánh Giá Hiệu Quả Điều Khiển NMPC cho Ballbot

Luận văn này thực hiện mô phỏng robot ballbot trong môi trường MATLAB/Simulink để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển NMPC. Các kết quả mô phỏng cho thấy NMPC có khả năng trajectory tracking tốt và có thể điều khiển robot tránh chướng ngại vật. Các kết quả được so sánh với các phương pháp điều khiển khác. Mục tiêu là chứng minh tính ưu việt của NMPC trong bài toán điều khiển robot ballbot.

4.1. Kết Quả Mô Phỏng Điều Khiển Ballbot di chuyển giữa các Điểm

Các kết quả mô phỏng cho thấy NMPC có thể điều khiển ballbot di chuyển giữa các điểm với độ chính xác cao. Sai số theo dõi nhỏ và thời gian đáp ứng nhanh. Tín hiệu điều khiển nằm trong giới hạn cho phép. Các tham số của bộ điều khiển NMPC được điều chỉnh để đạt được hiệu suất tốt nhất. real-time control là một thách thức khi triển khai NMPC trên phần cứng thực.

4.2. Khả Năng Tránh Chướng Ngại Vật của Ballbot sử dụng NMPC

NMPC có khả năng điều khiển ballbot tránh chướng ngại vật một cách hiệu quả. Quỹ đạo di chuyển được điều chỉnh để tránh va chạm. Hàm mục tiêu được thiết kế để ưu tiên tránh chướng ngại vật. Các kết quả mô phỏng cho thấy NMPC có thể điều khiển robot di chuyển an toàn và hiệu quả trong môi trường có chướng ngại vật. path planning và obstacle avoidance là những bài toán quan trọng trong điều khiển robot.

4.3. Phân Tích và So Sánh Hiệu Suất của NMPC với Các Phương Pháp khác

Hiệu suất của NMPC được so sánh với các phương pháp điều khiển khác, ví dụ như PID control và LQR. Các kết quả so sánh cho thấy NMPC có hiệu suất tốt hơn trong các hệ thống phi tuyến và có ràng buộc. NMPC có thể đạt được độ chính xác cao hơn và khả năng tránh chướng ngại vật tốt hơn. Tuy nhiên, NMPC đòi hỏi chi phí tính toán cao hơn. robust control và adaptive control là những phương pháp khác có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất của hệ thống.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tương Lai cho Robot Ballbot

Luận văn này đã trình bày phương pháp mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho robot ballbot sử dụng NMPC. Các kết quả mô phỏng cho thấy NMPC là một phương pháp hiệu quả để điều khiển robot ballbot. Các hướng phát triển tương lai bao gồm cải thiện hiệu suất tính toán của NMPC, tích hợp computer vision cho visual servoing, và triển khai hệ thống trên phần cứng thực. self-balancing robot tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Đóng Góp của Luận Văn

Luận văn đã đóng góp vào việc nghiên cứu và phát triển robot ballbot bằng cách trình bày một phương pháp điều khiển robot hiệu quả sử dụng NMPC. Các kết quả mô phỏng chứng minh tính khả thi của phương pháp. Luận văn cũng đề xuất các hướng phát triển tương lai cho lĩnh vực này.

5.2. Các Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng và Ứng Dụng Mới của Ballbot

Các hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm phát triển các thuật toán sensor fusion tiên tiến hơn, tích hợp embedded systems và microcontroller để real-time control, và khám phá các ứng dụng mới của ballbot trong các lĩnh vực như logistics, chăm sóc sức khỏe, và thám hiểm không gian.