I. Tổng quan về robot tự cân bằng
Robot tự cân bằng là một trong những ứng dụng nổi bật của công nghệ robot hiện đại. Robot cân bằng thường được thiết kế với hai bánh xe, cho phép chúng di chuyển linh hoạt trên nhiều địa hình khác nhau. Việc giữ thăng bằng cho robot là một thách thức lớn, đặc biệt khi trọng tâm của robot có thể dễ dàng bị lệch. Để giải quyết vấn đề này, các luật điều khiển như PID và LQR được áp dụng để duy trì trạng thái cân bằng. Theo nghiên cứu, việc sử dụng cảm biến robot để đo góc nghiêng và vận tốc quay là rất quan trọng. Điều này giúp robot tự động điều chỉnh vị trí của mình để giữ thăng bằng. Một trong những mô hình phổ biến là con lắc ngược, nơi mà robot phải tự điều chỉnh để giữ cho cần con lắc luôn thẳng đứng. Điều này không chỉ giúp robot duy trì thăng bằng mà còn cho phép nó di chuyển một cách hiệu quả.
1.1. Bài toán cân bằng con lắc ngược
Bài toán cân bằng con lắc ngược là một trong những bài toán kinh điển trong lý thuyết điều khiển. Mô hình này cho thấy cách mà một con lắc có trọng tâm nằm ở phía trên có thể giữ thăng bằng bằng cách điều chỉnh lực tác động lên nó. Trong trường hợp của robot tự động, việc áp dụng momen xoắn tại vị trí khớp quay giữa cần con lắc và xe là rất quan trọng. Hệ thống điều khiển sẽ sử dụng thông tin phản hồi về góc lệch để điều chỉnh vị trí của xe, từ đó giúp con lắc quay trở về vị trí cân bằng. Việc này không chỉ giúp robot duy trì thăng bằng mà còn cho phép nó di chuyển một cách hiệu quả trên các địa hình khác nhau.
1.2. Robot hai bánh xe vi sai tự cân bằng
Robot hai bánh xe vi sai tự cân bằng là một trong những ứng dụng thực tiễn của lý thuyết cân bằng con lắc ngược. Robot này có khả năng tự điều chỉnh vận tốc quay của hai bánh để duy trì thăng bằng. Khi robot có xu hướng đổ về phía trước, bánh xe sẽ được điều khiển để di chuyển về phía trước nhằm lấy lại cân bằng. Việc giữ thăng bằng cho robot hai bánh là một thách thức lớn, vì trọng tâm của robot có thể dễ dàng bị lệch khỏi trục của nó. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ cảm biến và thuật toán điều khiển, robot hai bánh tự cân bằng ngày càng trở nên phổ biến và có nhiều ứng dụng trong thực tế.
II. Cơ sở tính toán lý thuyết
Cơ sở tính toán lý thuyết cho robot cân bằng dựa trên các mô hình động lực học và lý thuyết điều khiển. Mô hình con lắc ngược được sử dụng để mô phỏng hành vi của robot trong quá trình giữ thăng bằng. Các phương trình vi phân được xây dựng để mô tả động lực học của robot, từ đó giúp xác định các lực tác động lên robot. Việc xây dựng hàm truyền và phương trình trạng thái là rất quan trọng trong việc thiết kế hệ thống điều khiển. Các luật điều khiển như PID và LQR được áp dụng để điều chỉnh hành vi của robot, giúp nó duy trì thăng bằng trong các tình huống khác nhau. Đặc biệt, việc sử dụng bộ lọc Kalman để nâng cao độ tin cậy của phép đo là một yếu tố quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của robot.
2.1. Robot cân bằng với mô hình điều khiển sai lệch tự động
Hệ thống điều khiển tự động cho robot cân bằng bao gồm ba phần chính: bộ điều khiển, đối tượng điều khiển và cảm biến. Bộ điều khiển sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến và điều chỉnh lực tác động lên robot để duy trì thăng bằng. Tín hiệu sai lệch giữa giá trị đo và giá trị đặt sẽ được sử dụng để tính toán tín hiệu điều khiển. Việc áp dụng các luật điều khiển như PID hay LQR giúp cải thiện khả năng duy trì thăng bằng của robot trong các tình huống khác nhau. Hệ thống điều khiển tự động không chỉ giúp robot duy trì thăng bằng mà còn cho phép nó di chuyển một cách linh hoạt trên nhiều địa hình khác nhau.
2.2. Động lực học robot cân bằng dựa trên mô hình con lắc ngược
Mô hình con lắc ngược là một trong những mô hình cơ bản trong động lực học robot. Mô hình này cho phép phân tích các lực tác động lên robot và xác định các yếu tố đầu ra như vị trí và góc lệch của con lắc. Việc xây dựng các phương trình vi phân cho mô hình con lắc ngược giúp xác định mối quan hệ giữa lực tác động và hành vi của robot. Các phương trình này sẽ được sử dụng để xây dựng hàm truyền và phương trình trạng thái, từ đó giúp thiết kế hệ thống điều khiển cho robot. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại như PID và LQR sẽ giúp cải thiện hiệu suất của robot trong việc duy trì thăng bằng.
