Nghiên cứu điều khiển robot một bánh tự cân bằng

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CÁM ƠN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Thế nào là robot một bánh tự cân bằng

1.2. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.3. Tình hình nghiên cứu và nhu cầu thực tế

1.4. Mục đích nghiên cứu, khách thể, đối tượng nghiên cứu

1.5. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài

1.6. Phương pháp nghiên cứu

2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA TOÁN HỌC HỆ ROBOT MỘT BÁNH

2.1. Mô hình đơn giản hóa robot một bánh

2.2. Phương pháp Euler-Lagrange

2.3. Tham số vật lý

2.4. Các quan hệ tọa độ

2.4.1. Đối với quả bóng

2.4.2. Đối với thân robot

2.4.3. Đối với động cơ

2.5. Phương trình Lagrange – Euler

2.6. Khảo sát đặc tính phi tuyến

2.7. Phương trình trạng thái đầy đủ

3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN

3.1. Xây dựng bộ điều khiển toàn phương tuyến tính

3.2. Mô hình không gian trạng thái tuyến tính

3.3. Tính toán độ lợi của bộ điều khiển

3.4. Mô phỏng kiểm tra hệ thống

3.5. Xây dựng bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa TTT

3.6. Cấu trúc và nhiệm vụ điều khiển

3.7. Tuyến tính hóa hệ thống bằng hồi tiếp

3.8. Mô phỏng kiểm tra hệ thống

3.9. Xây dựng bộ điều khiển HTTTH kết hợp LQR

3.9.1. Mô phỏng điều khiển TTT – LQR

3.9.2. Mô phỏng kiểm tra hệ thống khi không có tín hiệu nhiễu

3.9.3. Mô phỏng kiểm tra hệ thống khi có tín hiệu nhiễu

4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM - KẾT QUẢ

4.1. Mô hình thực nghiệm

4.2. Thiết kế mô hình 3D

4.3. Thiết kế mô hình thực nghiệm

4.4. Mạch điều khiển trung tâm

4.5. Mạch vi điều khiển ATmega 328

4.6. Mạch công suất điều khiển động cơ

4.7. Ưu điểm giải thuật hệ thống trên vi điều khiển

4.8. Chương trình điều khiển

5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN

5.1. Kết quả đạt được

5.2. Hướng phát triển

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Phụ lục 1. Tài liệu liên quan hệ robot một bánh bao gồm phương trình chuyển động, thiết kế mô hình cơ khí và cơ chế lái bóng

Phụ lục 2. Lý thuyết hồi tiếp tuyến tính hóa và bộ lọc Kalman

Phụ lục 3. Chương trình m-file chạy trên Matlab\Simulink điều khiển bằng phương pháp điều khiển

Phụ lục 4. Chương trình vi điều khiển (ATmega 328)

I. Tổng quan về nghiên cứu robot một bánh tự cân bằng

Nghiên cứu về robot tự cân bằng đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ hiện đại. Robot một bánh hay còn gọi là Ballbot, là một trong những ứng dụng nổi bật của công nghệ này. Hệ thống này không chỉ giúp cải thiện khả năng di chuyển mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong đời sống hàng ngày. Việc nghiên cứu và phát triển robot thông minh như Ballbot không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm việc mà còn tạo ra những trải nghiệm mới cho người dùng.

1.1. Khái niệm về robot một bánh tự cân bằng

Robot một bánh tự cân bằng là một hệ thống sử dụng một quả bóng làm điểm tựa. Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên lý cân bằng động lực học, cho phép robot di chuyển mà không bị ngã. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của robot mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong tương lai.

1.2. Tính cấp thiết của nghiên cứu robot một bánh

Nhu cầu sử dụng robot một bánh trong các lĩnh vực như dịch vụ, giải trí và giáo dục ngày càng tăng. Việc phát triển các hệ thống robot này không chỉ giúp giải quyết các vấn đề trong cuộc sống mà còn thúc đẩy sự phát triển của công nghệ. Nghiên cứu này có thể tạo ra những sản phẩm mới, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

II. Thách thức trong việc điều khiển robot một bánh tự cân bằng

Điều khiển robot một bánh tự cân bằng gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc duy trì sự ổn định và chính xác trong di chuyển. Các yếu tố như trọng lực, ma sát và các tín hiệu nhiễu có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của robot. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả là rất cần thiết để giải quyết những vấn đề này.

2.1. Vấn đề ổn định trong điều khiển robot

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc điều khiển robot tự cân bằng là duy trì sự ổn định. Sự thay đổi nhỏ trong trọng tâm có thể dẫn đến việc robot bị ngã. Do đó, việc phát triển các thuật toán điều khiển chính xác là rất quan trọng để đảm bảo robot hoạt động hiệu quả.

2.2. Ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu đến robot

Tín hiệu nhiễu từ môi trường xung quanh có thể làm giảm hiệu suất của robot một bánh. Việc nghiên cứu các phương pháp lọc và điều chỉnh tín hiệu là cần thiết để cải thiện khả năng hoạt động của robot trong các điều kiện thực tế.

III. Phương pháp điều khiển robot một bánh tự cân bằng hiệu quả

Để điều khiển robot một bánh tự cân bằng, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Trong đó, phương pháp điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa (LQR) và thuật toán Kalman là hai trong số những phương pháp phổ biến nhất. Những phương pháp này giúp cải thiện độ chính xác và hiệu suất của robot trong quá trình hoạt động.

3.1. Phương pháp điều khiển LQR

Phương pháp điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator) là một trong những phương pháp hiệu quả nhất trong việc điều khiển robot tự cân bằng. Phương pháp này giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển, đảm bảo robot duy trì được sự ổn định và di chuyển chính xác.

3.2. Ứng dụng thuật toán Kalman trong điều khiển

Thuật toán Kalman được sử dụng để lọc và dự đoán trạng thái của robot một bánh. Việc áp dụng thuật toán này giúp cải thiện khả năng điều khiển và giảm thiểu ảnh hưởng của các tín hiệu nhiễu, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của robot.

IV. Ứng dụng thực tiễn của robot một bánh tự cân bằng

Robot một bánh tự cân bằng có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống. Từ việc phục vụ trong các không gian công cộng đến việc hỗ trợ trong các hoạt động giải trí, robot thông minh này đang dần trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Nghiên cứu và phát triển các ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao chất lượng cuộc sống mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp.

4.1. Ứng dụng trong dịch vụ và giải trí

Robot một bánh có thể được sử dụng trong các dịch vụ như giao hàng, hướng dẫn khách hàng trong các trung tâm thương mại. Ngoài ra, nó cũng có thể được áp dụng trong các hoạt động giải trí như trò chơi và biểu diễn nghệ thuật, mang lại trải nghiệm mới cho người dùng.

4.2. Tiềm năng trong giáo dục và nghiên cứu

Trong lĩnh vực giáo dục, robot tự cân bằng có thể được sử dụng như một công cụ giảng dạy, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về các khái niệm trong cơ học và điều khiển. Nghiên cứu về robot này cũng mở ra nhiều cơ hội cho các dự án nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ mới.

V. Kết luận và tương lai của robot một bánh tự cân bằng

Nghiên cứu về robot một bánh tự cân bằng đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết để nâng cao hiệu suất và khả năng ứng dụng của robot. Tương lai của robot một bánh hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp và cuộc sống hàng ngày.

5.1. Đánh giá kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc phát triển robot tự cân bằng có thể mang lại nhiều lợi ích cho xã hội. Các ứng dụng của robot này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất làm việc mà còn tạo ra những trải nghiệm mới cho người dùng.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu về robot một bánh sẽ tiếp tục được mở rộng. Các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy có thể được áp dụng để nâng cao khả năng tự động hóa và thông minh của robot, mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp.

Luận văn thạc sĩ về kỹ thuật điều khiển robot một bánh tự cân bằng