Luận văn thạc sĩ về nghiên cứu các luật điều khiển robot cân bằng hiện đại

• Tác giả: Phạm Thanh Vũ
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Quang Vinh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Các Luật Điều Khiển Hiện Đại Trên Mô Hình Robot Cân Bằng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TỰ CÂN BẰNG
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Bài toán cân bằng con lắc ngược
• 1.3. Robot hai bánh xe vi sai tự cân bằng
• 1.4. Cơ sở khoa học thực tiễn và khả năng ứng dụng
• 1.5. Mục tiêu của Luận văn
• 2. CHƯƠNG II: CƠ SỞ TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT
• 2.1. Robot cân bằng với mô hình điều khiển sai lệch tự động
• 2.2. Động lực học robot cân bằng dựa trên mô hình con lắc ngược
• 2.2.1. Mô hình con lắc ngược
• 2.2.2. Phân tích cơ học
• 2.2.3. Mô hình và sơ đồ khối tín hiệu ngõ vào ra của con lắc ngược
• 2.3. Xây dựng hàm truyền
• 2.4. Phương trình trạng thái
• 2.5. Điều khiển robot cân bằng theo luật PID
• 2.5.1. Giới thiệu
• 2.5.2. Phương trình vi phân
• 2.6. Đặc tính quá độ
• 3. CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ROBOT CÂN BẰNG
• 4. CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH
• 4.1. Xây dựng khung và thiết kế cơ khí
• 4.1.1. Hệ thống khung đỡ trên NX7
• 4.1.2. Hệ thống bánh xe
• 4.2. Xây dựng mạch điện điều khiển
• 4.2.1. Chip xử lý trung tâm DSPIC3050
• 4.2.2. Module cảm biến MPU6050
• 4.2.3. IC điều khiển động cơ L298
• 4.2.5. Bộ hiển thị LCD 16*2
• 4.2.6. Mạch ổn nguồn LM7805, LM2576
• 4.2.7. Modul giao tiếp I2C
• 4.2.8. Cảm biến vị trí Encoder
• 4.3. Thi công lắp ráp mạch điện thực tế
• 4.3.1. Mạch điều khiển động cơ
• 4.3.2. Mạch xử lý trung tâm
• 4.3.3. Lập trình và nguyên lý điều khiển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

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.

Tổng quan nghiên cứu

Robot tự cân bằng hai bánh là một hệ thống cơ điện tử phức tạp, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp và đời sống nhờ khả năng di chuyển linh hoạt trên địa hình phức tạp. Theo ước tính, các robot bánh xe truyền thống ba hoặc bốn bánh thường gặp khó khăn khi vận hành trên địa hình không bằng phẳng do trọng lực không ổn định, trong khi robot hai bánh đồng trục có thể duy trì trọng lực luôn nằm trên trục bánh xe, giúp tăng tính linh hoạt và ổn định. Tuy nhiên, robot hai bánh là một hệ thống không ổn định về mặt động học, đòi hỏi các thuật toán điều khiển hiện đại để giữ cân bằng.

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu và phát triển các luật điều khiển hiện đại như PID và LQR trên mô hình robot cân bằng hai bánh dựa trên nguyên lý con lắc ngược. Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình toán học, mô phỏng, thiết kế chế tạo và thử nghiệm thực tế mô hình robot tại Việt Nam trong giai đoạn 2014-2015. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả điều khiển, mở rộng ứng dụng robot tự cân bằng trong các môi trường làm việc có địa hình phức tạp, đồng thời góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ robot trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: mô hình con lắc ngược và các luật điều khiển tự động hiện đại. Mô hình con lắc ngược là bài toán kinh điển trong động lực học, mô tả một cần con lắc gắn trên xe chuyển động ngang, với trọng tâm nằm phía trên trục quay, đòi hỏi điều khiển chủ động để giữ thăng bằng. Các khái niệm chính bao gồm:

• Mô hình con lắc ngược: Phân tích lực tác dụng, mô men quán tính, và phương trình trạng thái mô tả chuyển động của robot.
• Luật điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative): Thuật toán điều khiển phổ biến, sử dụng ba thành phần tỉ lệ, tích phân và đạo hàm để giảm sai số và ổn định hệ thống.
• Điều khiển toàn phương tuyến tính LQR (Linear Quadratic Regulator): Phương pháp điều khiển tối ưu, tìm ma trận phản hồi K để tối thiểu hóa hàm mục tiêu toàn phương, đảm bảo hệ thống ổn định và hiệu quả.
• Bộ lọc Kalman: Thuật toán lọc tín hiệu để nâng cao độ chính xác đo góc nghiêng và vận tốc góc từ cảm biến MPU6050, loại bỏ nhiễu và sai số đo.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa mô hình toán học, mô phỏng và thực nghiệm. Cỡ mẫu là một mô hình robot cân bằng hai bánh được thiết kế và chế tạo thực tế. Phương pháp chọn mẫu là mô hình con lắc ngược với các tham số vật lý cụ thể: khối lượng bánh xe 0.4 kg, khối lượng khung robot 0.8 kg, bán kính bánh xe 0.05 m, khoảng cách từ tâm bánh đến trọng tâm robot 0.2 m.

Phân tích và mô phỏng được thực hiện trên môi trường Matlab và Simulink, sử dụng các hàm truyền và phương trình trạng thái để mô phỏng đáp ứng hệ thống dưới các luật điều khiển PID và LQR. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2015, bao gồm giai đoạn thiết kế, mô phỏng, chế tạo và thử nghiệm.

Dữ liệu thu thập từ cảm biến MPU6050, bộ xử lý trung tâm DSPIC30F4013 và các module điều khiển động cơ L298 được sử dụng để đánh giá hiệu quả điều khiển trong thực tế. Phương pháp phân tích bao gồm đánh giá đáp ứng xung, sai số góc nghiêng, vị trí robot và độ ổn định hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình toán học và mô phỏng:
   Mô hình con lắc ngược được xây dựng với các tham số vật lý cụ thể, hàm truyền và phương trình trạng thái được xác định rõ ràng. Mô phỏng vòng hở cho thấy robot mất cân bằng nhanh chóng với góc lệch tăng nhanh, khẳng định tính không ổn định của hệ thống.

2. Hiệu quả điều khiển PID:
   Với hệ số điều khiển Kp=100, Ki=1, Kd=20, mô phỏng đáp ứng xung góc nghiêng cho thấy robot đạt trạng thái ổn định trong thời gian dưới 0,5 giây. Tuy nhiên, vị trí robot có xu hướng dịch chuyển liên tục với vận tốc gần như không đổi, phản ánh nhược điểm của PID trong việc duy trì vị trí cố định.

3. Hiệu quả điều khiển LQR:
   Phương pháp LQR với ma trận trọng số Q(1,1)=5000 và Q(3,3)=100 giúp robot ổn định vị trí và góc nghiêng nhanh chóng, vị trí robot ổn định sau khoảng 1,5 giây. Ma trận phản hồi K được tính toán từ phương trình Riccati đảm bảo tính điều khiển và quan sát của hệ thống.

4. Ứng dụng bộ lọc Kalman:
   Bộ lọc Kalman được áp dụng để xử lý tín hiệu từ cảm biến MPU6050, loại bỏ nhiễu và sai số đo. Kết quả mô phỏng cho thấy tín hiệu góc nghiêng sau lọc ổn định và chính xác hơn, góp phần nâng cao hiệu quả điều khiển robot.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy các luật điều khiển hiện đại như PID và LQR đều có thể áp dụng hiệu quả cho robot cân bằng hai bánh. Tuy nhiên, LQR vượt trội hơn về khả năng duy trì vị trí ổn định và giảm sai số góc nghiêng so với PID. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành, khi LQR được đánh giá là phương pháp tối ưu cho các hệ thống điều khiển tuyến tính.

Việc sử dụng bộ lọc Kalman để xử lý tín hiệu cảm biến là bước cải tiến quan trọng, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và sai số đo, từ đó nâng cao độ tin cậy của hệ thống điều khiển. Các biểu đồ đáp ứng xung và bảng so sánh các tham số điều khiển có thể minh họa rõ ràng sự khác biệt về hiệu quả giữa các phương pháp.

Ngoài ra, thiết kế cơ khí và hệ thống điện tử với chip DSPIC30F4013, module cảm biến MPU6050, IC điều khiển động cơ L298 và các bộ nguồn ổn áp riêng biệt đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của robot trong thực tế. Kết quả thử nghiệm thực tế phù hợp với mô phỏng, khẳng định tính khả thi của mô hình và phương pháp điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tham số điều khiển PID và LQR:
   Thực hiện điều chỉnh tham số tự động hoặc sử dụng các thuật toán tối ưu hóa để tìm bộ tham số điều khiển tối ưu, nhằm nâng cao hiệu suất và giảm sai số trong điều kiện thực tế. Thời gian thực hiện dự kiến 6 tháng, do nhóm nghiên cứu robot và kỹ sư điều khiển thực hiện.

2. Nâng cấp hệ thống cảm biến và bộ lọc:
   Áp dụng các cảm biến có độ chính xác cao hơn và phát triển thuật toán lọc Kalman nâng cao để giảm thiểu nhiễu trong môi trường thực tế phức tạp. Thời gian triển khai 3-4 tháng, do nhóm kỹ thuật điện tử và phần mềm đảm nhiệm.

3. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp:
   Xây dựng phần mềm điều khiển tích hợp giao tiếp với PC, cho phép giám sát và điều chỉnh tham số điều khiển trực tiếp, nâng cao khả năng vận hành và bảo trì. Thời gian thực hiện 4 tháng, do nhóm phát triển phần mềm và kỹ thuật điều khiển phối hợp.

4. Mở rộng ứng dụng và thử nghiệm trên địa hình đa dạng:
   Thử nghiệm robot trên các địa hình phức tạp như dốc nghiêng, mặt lồi lõm để đánh giá khả năng vận hành và điều chỉnh thuật toán phù hợp. Thời gian dự kiến 6 tháng, do nhóm nghiên cứu và kỹ thuật viên hiện trường thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện tử, điều khiển tự động:
   Luận văn cung cấp kiến thức nền tảng về mô hình con lắc ngược, luật điều khiển PID và LQR, cùng với các phương pháp mô phỏng và thực nghiệm, giúp nâng cao hiểu biết và kỹ năng thực hành.

2. Kỹ sư phát triển robot và tự động hóa:
   Các kỹ sư có thể áp dụng các phương pháp điều khiển và thiết kế hệ thống điện tử trong luận văn để phát triển các sản phẩm robot tự cân bằng hoặc các hệ thống điều khiển tương tự.

3. Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển tối ưu và xử lý tín hiệu:
   Luận văn trình bày chi tiết về ứng dụng bộ lọc Kalman và điều khiển LQR, cung cấp cơ sở để nghiên cứu sâu hơn về các thuật toán điều khiển và lọc tín hiệu trong hệ thống thực tế.

4. Doanh nghiệp và tổ chức phát triển công nghệ robot:
   Các tổ chức có thể tham khảo để phát triển sản phẩm robot tự cân bằng phục vụ công nghiệp, dịch vụ hoặc nghiên cứu ứng dụng trong môi trường phức tạp, góp phần nâng cao năng lực công nghệ trong nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Robot hai bánh tự cân bằng hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
   Robot dựa trên nguyên lý con lắc ngược, sử dụng lực tác động lên bánh xe để tạo momen xoắn giữ khung robot cân bằng, thông qua các thuật toán điều khiển như PID hoặc LQR.

2. Luật điều khiển PID có ưu điểm và hạn chế gì trong điều khiển robot?
   PID dễ thiết kế và áp dụng, đáp ứng nhanh với sai số hiện tại, nhưng có thể gây dịch chuyển vị trí robot và không tối ưu trong việc duy trì vị trí cố định lâu dài.

3. Phương pháp điều khiển LQR có điểm mạnh gì so với PID?
   LQR là phương pháp điều khiển tối ưu, giúp robot ổn định cả góc nghiêng và vị trí, giảm sai số và dao động, phù hợp với các hệ thống tuyến tính phức tạp.

4. Bộ lọc Kalman giúp gì trong hệ thống robot tự cân bằng?
   Bộ lọc Kalman kết hợp dữ liệu từ cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển để loại bỏ nhiễu và sai số, cung cấp tín hiệu góc nghiêng chính xác hơn cho bộ điều khiển.

5. Làm thế nào để điều chỉnh tham số PID hiệu quả?
   Có thể sử dụng phương pháp điều chỉnh kinh nghiệm Ziegler-Nichols hoặc phần mềm tối ưu hóa tự động để tìm bộ tham số PID phù hợp với đặc tính hệ thống, đảm bảo ổn định và hiệu quả điều khiển.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và mô phỏng robot cân bằng hai bánh dựa trên nguyên lý con lắc ngược với các luật điều khiển PID và LQR.
• Phương pháp điều khiển LQR cho hiệu quả vượt trội trong việc duy trì vị trí và góc nghiêng ổn định so với PID.
• Bộ lọc Kalman nâng cao độ chính xác đo lường, góp phần cải thiện hiệu suất điều khiển robot trong thực tế.
• Thiết kế cơ khí và hệ thống điện tử được hoàn thiện với chip DSPIC30F4013, cảm biến MPU6050 và IC điều khiển động cơ L298, đảm bảo hoạt động ổn định.
• Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa tham số điều khiển, nâng cấp cảm biến, phát triển phần mềm điều khiển tích hợp và mở rộng thử nghiệm trên địa hình đa dạng để ứng dụng rộng rãi hơn.

Để tiếp tục phát triển công nghệ robot tự cân bằng, các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng các kết quả và phương pháp trong luận văn, đồng thời phối hợp nghiên cứu đa ngành nhằm nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng thực tiễn của robot trong tương lai.