Luận văn thạc sĩ về điều khiển xe đạp tự hành sử dụng PD mờ

Đề tài khảo sát điều khiển xe đạp tự hành bằng PD mờ với dữ liệu thực nghiệm, giải pháp cụ thể cho bài toán thực tế chuyên ngành t

• Tác giả: Nguyễn Thành Sơn
• Người hướng dẫn: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Cân Bằng Xe Đạp Tự Hành Dùng PD Mờ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đề tài

Nghiên cứu về xe đạp tự hành đã thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực tự động hóa. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là phát triển một hệ thống điều khiển tự động cho xe đạp tự hành nhằm đạt được trạng thái cân bằng khi đứng yên và di chuyển. Việc sử dụng PD mờ trong điều khiển giúp cải thiện khả năng phản ứng của hệ thống trước các tác động bên ngoài. Đặc biệt, hệ thống điều khiển này có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như giáo dục, giải trí và hỗ trợ người khuyết tật. Theo nghiên cứu, việc điều khiển xe đạp tự hành không chỉ đơn thuần là giữ thăng bằng mà còn phải xử lý các yếu tố như lực quán tính và các lực tác động từ môi trường.

1.1 Đặt vấn đề

Xe đạp là phương tiện giao thông phổ biến, tuy nhiên, việc giữ thăng bằng cho xe đạp tự hành là một thách thức lớn. Khi xe bị nghiêng, nó có xu hướng ngã xuống, do đó, việc phát triển một hệ thống điều khiển tự động có khả năng tự cân bằng là rất cần thiết. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện an toàn giao thông mà còn mở ra cơ hội cho các ứng dụng mới trong công nghệ. Việc áp dụng PD mờ trong điều khiển giúp hệ thống có thể tự điều chỉnh và thích ứng với các điều kiện khác nhau, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của xe đạp tự hành.

1.2 Tổng quan các công trình liên quan

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để phát triển các phương pháp điều khiển cho xe đạp tự hành. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng lực quán tính, cơ cấu xoay trục gimbal, và điều khiển góc quay của bánh lái. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Ví dụ, phương pháp sử dụng lực quán tính dễ điều khiển nhưng yêu cầu động cơ có đáp ứng nhanh. Trong khi đó, phương pháp điều khiển góc quay của bánh lái có phần cơ khí đơn giản nhưng khó điều khiển. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc áp dụng PD mờ để cải thiện khả năng cân bằng của xe đạp tự hành.

II. Cơ sở lý thuyết cho bộ điều khiển

Bộ điều khiển mờ là một trong những công nghệ tiên tiến được áp dụng trong điều khiển xe đạp tự hành. Nó cho phép xử lý thông tin không chính xác và vẫn đạt được hiệu quả điều khiển. Khâu mờ hóa trong bộ điều khiển mờ chuyển đổi các dữ liệu rõ thành các giá trị mờ, từ đó giúp hệ thống có thể điều chỉnh theo các điều kiện thực tế. Việc sử dụng PD mờ trong điều khiển giúp cải thiện khả năng phản ứng của hệ thống trước các tác động bên ngoài. Các khâu thực hiện luật hợp thành và khâu giải mờ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của hệ thống điều khiển.

2.1 Bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ được thiết kế để mô phỏng cách mà con người xử lý thông tin. Điều này cho phép hệ thống điều khiển xe đạp tự hành mà không cần thông tin trạng thái chính xác. Ví dụ, khi một người điều khiển xe đạp, họ không cần biết chính xác góc nghiêng của xe mà vẫn có thể điều chỉnh để giữ thăng bằng. Sự linh hoạt này là một trong những ưu điểm lớn của bộ điều khiển mờ. Hệ thống điều khiển mờ bao gồm ba khâu chính: khâu mờ hóa, khâu thực hiện luật hợp thành và khâu giải mờ. Mỗi khâu đều có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của hệ thống điều khiển.

2.2 Khâu thực hiện luật hợp thành

Khâu thực hiện luật hợp thành trong bộ điều khiển mờ thể hiện mối quan hệ giữa các tập mờ ngõ vào và ngõ ra. Phương pháp suy diễn mờ được sử dụng để xác định các mệnh đề điều kiện và kết luận. Các phương pháp suy diễn như Sugeno và Mamdani được áp dụng phổ biến trong điều khiển xe đạp tự hành. Việc sử dụng các phương pháp này giúp hệ thống có thể tự động điều chỉnh theo các điều kiện thực tế, từ đó nâng cao khả năng cân bằng và ổn định của xe đạp tự hành.

III. Thiết kế mô hình và mô phỏng trên MATLAB SIMULINK

Việc thiết kế mô hình cho xe đạp tự hành là một bước quan trọng trong nghiên cứu này. Mô hình hóa giúp xác định các đặc tính động học của hệ thống và kiểm tra hiệu quả của các phương pháp điều khiển. Sử dụng MATLAB/SIMULINK, mô hình toán học cho hệ thống xe đạp tự hành được xây dựng và mô phỏng để kiểm tra các đặc tính điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng cân bằng của xe khi áp dụng bộ điều khiển PD mờ. Điều này chứng tỏ rằng phương pháp này có thể cải thiện đáng kể khả năng tự cân bằng của xe đạp tự hành.

3.1 Xây dựng phương trình toán học cho hệ thống

Để xây dựng mô hình cho xe đạp tự hành, các phương trình động học cần được xác định. Các yếu tố như trọng lực, lực quán tính và các lực tác động từ môi trường được xem xét để tạo ra một mô hình chính xác. Việc mô hình hóa này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về hành vi của xe đạp tự hành mà còn là cơ sở để thiết kế các bộ điều khiển hiệu quả. Kết quả từ mô hình toán học sẽ được sử dụng để kiểm tra và tối ưu hóa các thông số của bộ điều khiển PD mờ.

3.2 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống

Bộ điều khiển cho xe đạp tự hành được thiết kế dựa trên các phương pháp điều khiển đã được nghiên cứu. Việc áp dụng PD mờ giúp cải thiện khả năng phản ứng của hệ thống trước các tác động bên ngoài. Các thông số của bộ điều khiển được tối ưu hóa thông qua quá trình mô phỏng trên MATLAB/SIMULINK. Kết quả cho thấy rằng bộ điều khiển PD mờ có thể duy trì trạng thái cân bằng của xe đạp tự hành trong nhiều điều kiện khác nhau, từ đó khẳng định tính khả thi của phương pháp này.

IV. Thiết kế cơ khí và thi công mô hình xe

Thiết kế cơ khí cho xe đạp tự hành là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Việc thi công mô hình thực tế giúp kiểm tra tính khả thi của các phương pháp điều khiển đã được thiết kế. Các yếu tố như trọng lượng, kích thước và cấu trúc của xe được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo rằng mô hình có thể hoạt động hiệu quả. Quá trình thi công bao gồm việc lắp ráp các bộ phận cơ khí, thiết kế mạch điều khiển và lập trình cho vi điều khiển. Kết quả từ quá trình thi công sẽ được sử dụng để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển PD mờ trong thực tế.

4.1 Quá trình thiết kế thi công

Quá trình thiết kế và thi công mô hình xe đạp tự hành được thực hiện qua nhiều giai đoạn. Đầu tiên, các bản vẽ thiết kế được tạo ra dựa trên các yêu cầu kỹ thuật. Sau đó, các bộ phận cơ khí được chế tạo và lắp ráp. Việc thi công cần đảm bảo tính chính xác và độ bền của các bộ phận để xe có thể hoạt động ổn định. Kết quả từ quá trình thi công sẽ được sử dụng để kiểm tra và điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển PD mờ.

4.2 Thiết kế và thi công mạch điều khiển

Mạch điều khiển cho xe đạp tự hành được thiết kế để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong việc điều khiển. Các cảm biến được lắp đặt để thu thập dữ liệu về góc nghiêng và tốc độ của xe. Mạch điều khiển cần phải được lập trình để xử lý các tín hiệu từ cảm biến và điều chỉnh hoạt động của động cơ. Việc thiết kế mạch điều khiển là một bước quan trọng để đảm bảo rằng bộ điều khiển PD mờ có thể hoạt động hiệu quả trong thực tế.

V. Kết luận và đánh giá

Nghiên cứu về điều khiển xe đạp tự hành bằng PD mờ đã đạt được nhiều kết quả khả quan. Hệ thống điều khiển được thiết kế có khả năng duy trì trạng thái cân bằng trong nhiều điều kiện khác nhau. Việc áp dụng PD mờ đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc cải thiện khả năng phản ứng của hệ thống. Kết quả từ mô phỏng và thực nghiệm cho thấy rằng xe đạp tự hành có thể hoạt động ổn định và an toàn. Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới cho các ứng dụng trong lĩnh vực tự động hóa và công nghệ điều khiển.

5.1 Những kết quả đạt được

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng bộ điều khiển PD mờ có thể duy trì trạng thái cân bằng của xe đạp tự hành trong nhiều điều kiện khác nhau. Hệ thống đã được kiểm tra và đánh giá thông qua các mô phỏng và thực nghiệm thực tế. Những kết quả này khẳng định tính khả thi của phương pháp điều khiển được áp dụng.

5.2 Hướng phát triển đề tài

Nghiên cứu này mở ra nhiều hướng phát triển mới cho các ứng dụng trong lĩnh vực tự động hóa. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện hiệu suất của bộ điều khiển PD mờ và mở rộng ứng dụng cho các loại xe tự hành khác. Việc kết hợp với các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo có thể giúp nâng cao khả năng tự động hóa và an toàn cho xe đạp tự hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt Vấn Đề - Xe đạp là Phương tiện giao thông dễ sử dụng, khả năng gây ra tai nạn giao thông là rất thấp, giá thành rẽ từ những ưu điểm đó mà xe đạp vẫn được sử dụng rộng rãi đến ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, con người mong muốn tạo ra một chiếc xe đạp có khả năng tự cân bằng và di chuyển theo mong muốn.Điều đó có ý nghĩa thực tiễn quan trọng, nó sẽ được ứng dụng trong lĩnh vực giải trí, dùng để dạy cho trẻ em tập lái xe đạp khi kết hợp với bộ điều khiển từ xa, hay phát triển hơn trong lĩnh vực này là dùng để phục vụ cho người khuyết tật có sở thích đi trên chiếc xe đạp của chính mình. - Để xe đạp có thể đứng yên được là việc không dễ dàng vì khi xe đạp bị lệch so với phương thẳng đứng một góc nhỏ sẽ làm cho xe đạp có xu hướng bị mất thăng bằng và ngã xuống, hoặc khi xe đạp chuyển động sẽ chịu nhiều ngoại lực tác động vào, điều này làm cho xe đạp luôn ở trạng thái không thăng bằng được vì thế để điều khiển được xe đạp cân bằng là một việc không dễ dàng. - Xe đạp tự hành là một đối tượng có phi tuyến cao, và không ổn định, vì thế để tạo ra một chiếc xe đạp có khả tự cân bằng khi di chuyển là một nghiên cứu thú vị, điều này tạo ra nhiều thách thức đối với những người làm kỹ thuật. Hiện nay có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này với mục đích chunglà làm cho xe có khả năng tự cân bằng khi có ngoại lực tác động, những nghiên cứu này phục vụ sự an toàn của người điều khiển giao thông.2 Tổng quan các công trình liên quan.1 Phương pháp điều khiển sự cân bằng của xe Có 4 phương pháp điều khiển sự cân bằng của xe - Phương pháp 1: dùng lực quán tính của bánh đà để điều khiển xe trở về lại vị trí cân bằng khi phát hiện xe bị nghiên.1 Dùng lực quán tính để cân bằng Ưu điểm: dễ điều khiển, phần cơ khí đơn giản.

Nhược điểm: động cơ điều khiển bánh đà phải có đáp ứng nhanh, dòng khởi động lớn - Phương pháp 2: dùng một bánh đà quay với tốc độ cao để tạo ra mômen lực tại tâm điểm, và một động cơ gimbal để điều khiển hướng của mômen lực khi xe đạp bị nghiên.2 Dùng cơ cấu xoay trục gimbal để cân bằng Ưu điểm: mômen lực tạo ra lớn. Nhược điểm: phần cơ khí phức tạp, trọng lượng lớn, động cơ quay với tốc độ cao - Phương pháp 3: điều khiển góc quay của hướng lái sẽ giúp xe đạp giữ được cân bằng.3 Điểu khiển góc quay của bánh lái để cân bằng Ưu điểm: phần cơ khí đơn giản, trọng lượng nhẹ Nhược điểm: khó điều khiển, xe đạp phải luôn chuyển động - Phương pháp 4: điều khiển góc quay của đối trọng sẽ làm cho động cơ thăng bằng Hình 1.4 Dùng đối trọng để cân bằng Ưu điểm: phần cơ khí đơn giản, trọng lượng nhẹ, động cơ quay với tốc độ thấp Nhược điểm: góc cân bằng không lớn, và khó điều khiển.2 Một số công trình nghiên cứu liên quan 1.1Một số sản phẩm thực tế Trang 3 Hình 1.5 Murata BOY (nhật bản 2005) Robot MURATA BOY được nghiên cứu và phát triển bởi công ty Murata Manufacting Company, Ltd. MURATA BOY (hình 1.5) xuất hiện lần đầu tiên vào năm 2005.Robot MURATA BOY giữ thăng bằng dựa vào cảm biến Gyro để xác định được góc nghiêng, sau đó dùng bánh đà xoay với một gia tốc để tạo ra lực quán tính, giúp robot lấy lại cân bằng.6 BicyRobo Thailand Championship (2008) Đây là một bicycle robot có tên Bicyrobo được phát triển tại Viện Công nghệ Châu Á - AIT Thái Lan.6) có thể tự cân bằng, chạy tiến-chạy lùi Trang 4 và rẽ trái-rẽ phải.Bicyrobo được điều khiển cân bằng dựa trên nguyên lý "con quay hồi chuyển - gyroscope", một bánh đà có phương của trục xoay vuông góc với mặt đường, bánh đà đặt trên bánh sau và xoay liên tục với vận tốc cao nhằm tạo một năng lượng giữ cho xe không bị ngã.7 Gyroscopic Stabilizationof a Self-Balancing Robot Bicycle (2011) Đây là công trình nghiên cứu của Pom Yuan Lam and Tan Kian Sin [3] thuộc trường đại học Nanyang của Singapore (hình 1. Xe được điều khiển dựa vào nguyên lý của “con quay hồi chyển” động cơ kéo bánh đà luôn quay một tốc độ không đổi để tạo lực cân bằng và một động cơ khác điều khiển góc quay của khối bánh đà.8 Self-Balancing Electric Motorcycle C-1(2013) Trang 5 Đây là sản phẩm mới nhất công ty LitMotor (hình 1.8) xe cân bằng dựa vào nguyên lý gyroscope, xe được phát triển qua nhiều cải tiến từ năm 2010 cho đến nay.

Xe được thiết kế thẩm mỹ và có thể chịu được ngoại lực tác động lớn mà không bị ngã 1.2Các luật điều khiển đã sử dụng - Fuzzy Sliding-mode Controller [1] của các tác giả Lei Guo, Qizheng Liao, Shiming Wei. Họ đã dùng giải thuật điều khiển trượt dựa trên định lý Euler – Lagrange, để điều khiển đối tượng phi tuyến. Dùng thuật toán Fuzzy để giảm hiện tượng chattering và giúp đối tượng có đáp ứng nhanh, bộ điều khiển fuzzy có thể tự động điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển trượt và tự đánh giá chất lượng điều khiển của hệ thống. bằng kết quả mô phỏng tác giả đã cho thấy sự khác nhau khi dùng thuật toán sliding và fuzzy-sliding.

Kết quả đạt được trong quá trình mô phỏng là xe đạp có thể cân bằng trong khoảng (-11.50), tuy nhiên kết quả thực tế của mô hình thì xe bị dao động liên tục trong khoản trên.9 Hình dạng và đáp ứng của mô hình thực tế dùng fuzzy sliding – mode - Thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO):Tác giả Bui Trung Thanh và Manukid Parnichkun [2] đã đưa ra luật điều khiển bền vững tối ưu cho hệ phi tuyến, giải thuật này được đánh giá là rất tổng quát vì tác giả dùng thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) để học và tính toán các thông số từ mô hình, mô hình xe đạp tự cân bằng là đối tượng có tính phi tuyến không ổn định, với nhiều tham số và có nhiều nhiễu tác động, nghiên cứu thuật toán bầy đàn dựa trên bộ thông số của xe đạp đã cho ra kết quả tốt hơn thuật toán điều khiển PD và giải thuật di truyền GA. Thuật toán PSO này rất tiện lợi cho sự thay đổi các thông số của mô hình, tuy nhiên giải pháp này Trang 6 rất phức tạp và cần CPU đủ mạnh để có thể đáp ứng.10 Mô hình thực tế và đáp ứng khi dùng thuật toán PSO - Dùng khâu hiệu chỉnh PD:Trong [3] tác giả Pom Yuan Lam và Tan Kian Sin sử dụng phương pháp điều khiển PD cho hệ thống xe đạp được thiết kế cân bằng theo phương pháp gyro scope, phương pháp này bao gồm một bánh đà luôn quay với tần số góc ω không đổi, điều này làm cho hệ thống tiêu thụ nhiều điện năng vì khối lượng bánh đà lớn và động cơ phải đạt được tốc độ cao, và sử dụng một động cơ để lái khối bánh đà này (gimbal motor), việc thay đổi lực hướng từ trọng tâm của bánh đà sẽ tạo ra một lực làm cho xe đạp không bị ngã, phương pháp này làm xe luôn bị dao động ± 30 Hình 1.11 Mô hình và đáp ứng thực tế của hệ thống dùng bộ điều khiển PD - Dùng khâu hiệu chỉnh PID:Luật điều khiển kinh điển PID cũng được áp dụng để điều khiển đối tượng này, nhóm tác giả Suk-in Lee, In-woo Han, Jae-oh Lee, Jang-myung Lee [4] đã thực hiện Phương pháp mô hình, mô phỏng và dùng luật điều khiển PID để điều khiển xe tự hành, kết quả xe có thể tự cân bằng được trong khoảng (-50; +50).12 Mô hình thực tế xe đạp cân bằng dùng bộ điều khiển PID 1.3 Phạm vi nghiên cứu - Đề tài mục đích ứng dụng bộ điều khiển PD mờ để điều khiển giúp cho xe đạp có thể cân bằng được khi đứng yên. Hệ thống có khả năng tự cân bằng, khi có ngoại lực tác động, và tự ổn định quanh vị trí cân bằng với góc lệch trong ngưỡng cho phép. - Ứng dụng chương trình matlab để mô phỏng, kết hợp với ngôn ngữ C để lập trình cho vi điều khiển ARM CortexM4.

Các mục tiêu khoa học - Thiết kế mô hình vật lý xe tự động giữ cân bằng - Xây dựng bộ điều khiển PD mờ giữ cân bằng ổn định xe 2 bánh - Thiết kế robot có thể di chuyển trên xe 2 bánh Các nội dung công việc thực hiện trong luận văn - Mô hình hóa hệ thống xe đạp tự cân bằng. - Khảo sát đặc tính động học của hệ thống - Thiết kế và mô phỏng trên Matlab bộ điều khiển PD và PD mờ. - Thiết kế phần cơ khí cho mô hình. - Thiết kế board mạch điều khiển, board công suất cho động cơ, mạch cảm biến góc lệch - Viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển - Lắp mạch lên mô hình và tiến hành chạy thử - Chỉnh sửa lại các hệ số điều khiển để xe chạy ổn định nhất Trang 8 - Phân tích các kết quả đạt được và nêu ra hướng phát triển cho đề tài 1.4 Tóm lược nội dung luận văn Luận văn gồm 5 chương với cấu trúc như sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống xe tự cân bằng và các công trình nghiên cứu liên quan, phân tích các ưu khuyết điểm của các phương pháp điều khiển chọn luật điều khiển phù hợp để điều khiển đối tượng Chương 2: Trình bày chi tiết lý thuyết của bộ điều khiển mờ, PID mờ, PID.

Trình bày sự khác nhau giữa các bộ điều khiển và ảnh hưởng của các thông số Kp, Ki, Kd lên đáp ứng của hệ thống Chương 3:xây dựng phương trình toán học cho mô hình xe cân bằng, sau đó tiến hành mô phỏng để kiểm tra đặc tính của đối tượng và sử dụng các luật điều khiển PD, PD mờ để điều khiển đối tượng Chương 4: Sau khi đã có sơ đồ mô phỏng hoàn chỉnh, sẽ tiến hành thi công mô hình thực tế, việc thiết kế các mạch điều khiển sẽ được hoàn thiện trước, sau đó là thi công phần cơ khí của xe và nhúng phần chương trình điều khiển cho xe hoạt động. Chương 5:Trình bày các kết quả đạt được từ việc điều khiển thực tế và đưa ra hướng phát triển cho đề tài Trang 9 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN Một số phương pháp điều khiển đã được sử dụng cho xe đạp tự cân bằng 2.