Luận văn thạc sĩ về tự động hóa điều khiển xe hai bánh và khả năng leo dốc

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tự động hóa điều khiển xe hai bánh cân bằng và leo dốc, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Lâm Văn Linh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Vĩnh Hảo
• Trường học: Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Xe Hai Bánh Cân Bằng Và Leo Dốc
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu tổng quan về đề tài

Đề tài 'Nghiên cứu xe hai bánh tự động hóa điều khiển và leo dốc' tập trung vào việc phát triển và ứng dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến cho mô hình xe hai bánh tự cân bằng. Mô hình này không chỉ có khả năng giữ thăng bằng mà còn có thể di chuyển và leo dốc. Công nghệ xe hai bánh tự lái đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà nghiên cứu và các công ty sản xuất robot. Việc nghiên cứu mô hình này không chỉ giúp cải thiện khả năng điều khiển mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực tự động hóa. Đặc biệt, xe hai bánh tự cân bằng có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như giao thông, dịch vụ và thậm chí trong các nhiệm vụ thám hiểm.

1.1. Đặt vấn đề

Mô hình xe hai bánh tự cân bằng là một trong những đối tượng nghiên cứu điển hình trong lĩnh vực điều khiển tự động. Đặc tính động không ổn định của mô hình này đặt ra nhiều thách thức trong việc thiết kế bộ điều khiển. Công nghệ robot đã đạt được nhiều thành tựu lớn, và xe hai bánh tự cân bằng là một trong những sản phẩm tiêu biểu. Việc nghiên cứu và phát triển mô hình này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất điều khiển mà còn mở rộng khả năng ứng dụng trong thực tiễn.

II. Cơ sở lý thuyết liên quan

Cơ sở lý thuyết cho việc điều khiển xe hai bánh tự cân bằng bao gồm các phương pháp điều khiển phi tuyến như điều khiển cuốn chiếu (Backstepping) và điều khiển trượt (Sliding Mode). Những phương pháp này cho phép thiết kế bộ điều khiển có khả năng xử lý các biến động và bất định trong hệ thống. Lý thuyết về lọc Kalman cũng được áp dụng để triệt nhiễu tín hiệu từ cảm biến, giúp cải thiện độ chính xác trong việc đo lường góc nghiêng của xe. Việc áp dụng các lý thuyết này không chỉ giúp mô hình hoạt động ổn định mà còn nâng cao khả năng leo dốc của xe.

2.1. Nguyên lý hoạt động của xe hai bánh cân bằng

Nguyên lý hoạt động của xe hai bánh tự cân bằng dựa trên việc duy trì trọng tâm của xe trong vùng bám của bánh xe. Khi xe di chuyển trên địa hình dốc, nó tự động nghiêng về phía trước để giữ cho trọng lượng dồn vào hai bánh chính, từ đó đảm bảo khả năng bám đường. Điều này giúp xe có thể di chuyển linh hoạt trên các địa hình phức tạp mà không bị ngã. Hệ thống điều khiển phi tuyến được thiết kế để phản ứng nhanh chóng với các thay đổi trong trạng thái của xe, từ đó duy trì thăng bằng và khả năng di chuyển.

III. Thiết kế bộ điều khiển cho xe hai bánh cân bằng

Thiết kế bộ điều khiển cho xe hai bánh tự cân bằng bao gồm việc mô hình hóa hệ thống và áp dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến. Bộ điều khiển cuốn chiếu và bộ điều khiển trượt được sử dụng để điều chỉnh động cơ DC-Servo, giúp xe duy trì thăng bằng và di chuyển hiệu quả. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển phi tuyến có khả năng đáp ứng nhanh và ổn định hơn so với bộ điều khiển PID truyền thống. Việc so sánh giữa các phương pháp điều khiển cho thấy ưu điểm của bộ điều khiển phi tuyến trong việc xử lý các tình huống bất định.

3.1. Mô hình hóa xe hai bánh tự cân bằng

Mô hình hóa xe hai bánh tự cân bằng được thực hiện thông qua việc xác định các thông số động học và động lực học của hệ thống. Các yếu tố như trọng lượng, kích thước và vị trí của các cảm biến được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo tính chính xác trong mô phỏng. Mô hình này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về hành vi của xe mà còn là cơ sở để thiết kế bộ điều khiển phù hợp. Việc mô phỏng trong MATLAB/Simulink cho phép kiểm tra và tối ưu hóa các thông số điều khiển trước khi thực hiện trên mô hình thực tế.

IV. Kết quả thực nghiệm mô hình

Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình xe hai bánh tự cân bằng có khả năng giữ thăng bằng tốt và di chuyển linh hoạt. Xe có thể leo dốc với góc nghiêng nhỏ hơn 8 độ, cho thấy khả năng ứng dụng thực tiễn cao. Các thử nghiệm cũng chỉ ra rằng bộ điều khiển phi tuyến cho kết quả tốt hơn so với bộ điều khiển PID, với thời gian phản hồi nhanh và ít dao động. Việc điều khiển từ xa cũng được thực hiện thành công, cho phép người dùng dễ dàng thao tác với mô hình.

4.1. Xe giữ thăng bằng khi di chuyển

Trong các thử nghiệm, xe đã thể hiện khả năng giữ thăng bằng khi di chuyển đến vị trí đã định. Điều này chứng tỏ rằng bộ điều khiển đã hoạt động hiệu quả trong việc duy trì trạng thái cân bằng trong quá trình di chuyển. Các tín hiệu từ cảm biến được xử lý nhanh chóng, giúp xe điều chỉnh vị trí và hướng đi một cách linh hoạt. Kết quả này không chỉ khẳng định tính khả thi của mô hình mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong thực tế.

V. Kết luận và hướng phát triển

Đề tài 'Nghiên cứu xe hai bánh tự động hóa điều khiển và leo dốc' đã đạt được những kết quả khả quan trong việc thiết kế và thực hiện mô hình xe hai bánh tự cân bằng. Các phương pháp điều khiển phi tuyến đã được áp dụng thành công, cho thấy ưu điểm vượt trội trong việc duy trì thăng bằng và khả năng leo dốc. Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm việc mở rộng khả năng điều khiển cho các địa hình phức tạp hơn và tích hợp thêm các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo để nâng cao hiệu suất hoạt động của xe.

5.1. Hướng phát triển đề tài

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài có thể tập trung vào việc cải thiện khả năng leo dốc và mở rộng ứng dụng của xe trong các lĩnh vực khác nhau. Việc tích hợp các cảm biến tiên tiến và công nghệ điều khiển thông minh sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của mô hình. Ngoài ra, nghiên cứu thêm về các phương pháp điều khiển mới có thể mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong thực tiễn, từ giao thông đến dịch vụ và thám hiểm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Trong ngành tự động hóa – điều khiển tự động nói chung và điều khiển học nói riêng, mô hình con lắc ngƣợc là một trong những đối tƣợng nghiên cứu điển hình và đặc thù bởi đặc tính động không ổn định của mô hình nên việc điều khiển đƣợc đối tƣợng này trên thực tế đặt ra nhƣ một thử thách. Công nghệ robot đã đạt đƣợc nhiều thành tựu lớn và xuất hiện trong nhiều lĩnh vực nhƣ: robot dân dụng giúp việc gia đình, robot thực hiện việc giải trí - quảng cáo, robot công nghiệp, robot tự hành thám hiểm trong lòng đất, robot thăm dò các hành tinh trong khoa học vũ trụ. Kết quả nghiên cứu mô hình con lắc ngƣợc cơ bản, ví dụ nhƣ mô hình xe-con lắc, con lắc ngƣợc quay… có thể ứng dụng và kế thừa sang các mô hình tƣơng tự khác nhƣng có tính ứng dụng thực tiễn hơn, chẳng hạn nhƣ mô hình tên lửa, mô hình xe hai bánh tự cân bằng… Xuất phát từ ý tƣởng chiếc xe hai bánh tự cân bằng Segway, một phát minh nổi tiếng của Dean Kamen – một kỹ sƣ ngƣời Mỹ vào năm 2001, đã mở ra một hƣớng phát triển chế tạo robot mới, đó là các robot hai bánh tự cân bằng. Đây là loại robot có hai bánh, có thể tự giữ thăng bằng, di chuyển và hoạt động dễ dàng trong các khoảng không gian nơi mà sự linh hoạt, cơ động, hiệu quả đƣợc đặt lên hàng đầu.

Với những ƣu điểm đó, robot hai bánh tự cân bằng đã nhận đƣợc nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu và các hãng sản xuất robot trên thế giới trong những năm gần đây. Robot hai bánh tự cân bằng đƣợc xem nhƣ cầu nối kinh nghiệm giữa mô hình con lắc ngƣợc với robot hai chân và robot giống ngƣời. Đây là dạng robot có hai bánh đồng trục, do đó khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm vốn có của các robot hai hoặc ba bánh kinh điển. Các robot hai hoặc ba bánh kinh điển, theo đó có cấu tạo gồm bánh dẫn động và bánh tự do để đỡ trọng lƣợng robot.

Nếu trọng lƣợng đƣợc đặt nhiều vào bánh lái thì robot sẽ không ổn định và dễ bị ngã, còn nếu đặt vào nhiều bánh đuôi thì hai bánh chính sẽ mất khả năng Trang 4 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Xe Hai Bánh Cân Bằng Và Leo Dốc bám. Nhiều thiết kế robot có thể di chuyển tốt trên địa hình phẳng nhƣng không thể di chuyển lên xuống trên địa hình lồi lõm hoặc mặt phẳng nghiêng. Khi di chuyển lên đồi, trọng lƣợng robot dồn vào đuôi xe làm mất khả năng bám và trƣợt ngã. Tuy nhiên, loại robot này hoạt động dựa trên mô hình hệ con lắc ngƣợc gắn lên trên trục có hai bánh xe, nên khuyết điểm chính của nó là cần phải có một bộ điều khiển để điều khiển cho robot luôn giữ đƣợc thăng bằng, di chuyển và hoạt động.

Do vậy, bài toán đƣợc đặt ra ở đây là phải nghiên cứu, thiết kế đƣợc bộ điều khiển phù hợp với một mô hình phi tuyến và có các thông số hệ thống là bất định nhƣ là mô hình xe hai bánh tự cân bằng.1 - Robot dạng 3 bánh xe khi lên dốc, trọng lƣợng dồn vào bánh trƣớc khiến lực ma sát giúp xe bám trên mặt đƣờng không đƣợc đảm bảo.2 - Robot dạng 3 bánh xe khi xuống dốc, trọng lực dồn vào bánh sau khiến xe có thể bị lật úp. Trang 5 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Xe Hai Bánh Cân Bằng Và Leo Dốc Ngƣợc lại, các robot dạng hai bánh đồng trục lại thăng bằng rất linh động khi di chuyển trên địa hình phức tạp, mặc dù bản thân robot là một hệ thống không ổn định. Khi robot di chuyển trên địa hình dốc, nó tự động nghiêng ra trƣớc và giữ cho trọng lƣợng dồn về hai bánh chính. Tƣơng tự, khi di chuyển xuống dốc, nó nghiêng ra sau và giữ trọng tâm rơi vào bánh chính.

Vì vậy, không bao giờ có hiện tƣợng trọng tâm xe rơi ngoài vùng đỡ bánh xe để có thể gây ra lật úp. Các công trình liên quan 1. Một số mô hình robot hai bánh tự cân bằng Robot hai bánh tự cân bằng, tự di chuyển và hoạt động, không chở ngƣời nhƣ : Robot-JOE (mục 1.2), Robot dọn rác (mục 1. Xe hai bánh tự cân bằng, có chở ngƣời, là phƣơng tiện di chuyển: xe Segway (mục 1.4), robot chở ngƣời của hãng Toyota (mục 1.

Robot JOE - [2] Đây là sản phẩm của phòng thí nghiệm Điện tử công nghiệp của Viện công nghệ Federal, Lausanne, Thụy Sĩ. Robot JOE cao 65cm, nặng khoảng 12kg, tốc độ tối đa 1,5 m/s, có thể di chuyển trên dốc nghiêng 30 độ. Nguồn điện cấp là nguồn pin 32V dung lƣợng 1. Hình dạng của nó gồm hai bánh xe đồng trục, mỗi bánh gắn với một động cơ DC, robot này có thể chuyển động xoay theo hình chữ U.

Hệ thống điều khiển gồm hai bộ điều khiển “không gian trạng Hình 1.3: Robot JOE thái” (state space) tách rời nhau, kiểm soát Trang 6 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Xe Hai Bánh Cân Bằng Và Leo Dốc động cơ để giữ cân bằng cho hệ thống. Thông tin trạng thái đƣợc cung cấp bởi hai encoder quang và hai cảm biến là gia tốc góc và con quay hồi chuyển (gyro). JOE đƣợc điều khiển bởi một bộ điều khiển từ xa RC. Bộ điều khiển trung tâm và xử lý tín hiệu là một board xử lý tín hiệu số (DSP) phát triển bởi chính nhóm và của viện Federal, kết hợp với FPGA của XILINC.4: Mô hình N-Bot N-Bot là sản phẩm của David P.Anderson và là một trong những robot hai bánh cân bằng thành công nhất khi đƣợc công nhận là “Robot độc đáo trong tuần” do NASA phong tặng và đƣợc một số tổ chức, tạp chí khoa học đánh giá cao.

Nguyên tắc cơ bản của N-Bot là điều khiển hai bánh xe của robot chạy theo chiều mà phần thân phía trên của robot có khả năng ngã đổ. Nếu các bánh có thể đƣợc lái theo cách đứng vững theo trọng tâm của robot thì robot sẽ giữ đƣợc cân bằng. Quá trình điều khiển sử dụng 2 tín hiệu cảm biến phản hồi là cảm biến góc nghiêng để đo góc nghiêng của robot với phƣơng của trọng lực, và encoder gắn ở bánh để đo vị trí của robot. Các biến sau đây thể hiện sự chuyển động và vị trí của „con lắc ngƣợc‟ này giúp nó giữ cân bằng: Góc nghiêng của thân robot (theta), đạo hàm góc nghiêng hay chính là vận tốc góc nghiêng (theta-dot), vị trí robot (position), đạo hàm của vị trí hay vận tốc di Trang 7 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Xe Hai Bánh Cân Bằng Và Leo Dốc chuyển của robot (position-dot).

Bốn thông số này sẽ đƣợc đƣa vào bộ điều khiển để tính ra điện áp điều khiển U cho 2 động cơ lái hai bánh xe. Xe hai bánh cân bằng gom rác Với dáng tròn trịa, robot có tên gọi DustCart di chuyển trên hai bánh xe, tự định vị và có thể đến đúng ngôi nhà gọi nó tới thu gom rác. Giáo sƣ Paolo Dario - thuộc trƣờng Sant‟Anna ở Pisa và là điều phối viên của dự án DustBot do EU tài trợ - cho biết: “Chúng tôi đã tập hợp những thành phần chế tạo robot tiên tiến nhất để tạo ra DustCart, ngƣời máy giúp việc cho các đơn vị thu gom rác trên khắp châu Âu. Nó không chỉ là một thùng rác di động có ngăn kéo để bạn bỏ bao rác vào, mà còn có nhiều tính năng khác”.5: Xe hai bánh “DustCart” gom rác tự động DustCart có thể di chuyển qua con đƣờng hẹp, đƣợc trang bị camera và các thiết bị cảm biến khác.

Xe có thể quan sát nơi nó đang di chuyển, chụp ảnh đƣờng đi và phân tích thông tin để tránh va chạm vào các chƣớng ngại vật cố định. Nó cũng có thể nhận ra những đối tƣợng đang di chuyển, ví dụ nhƣ khách đi bộ, xe máy và nhanh chóng tính toán đƣờng đi rồi đổi hƣớng để tránh va chạm. Những hình ảnh hiển thị cũng đƣợc chuyển về trung tâm kiểm soát để nhân viên phụ trách có thể giám sát hoạt động của DustCart và can thiệp nếu cần thiết. Xe này sử dụng một hệ thống tam giác thông minh để di chuyển đến Trang 8 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Xe Hai Bánh Cân Bằng Và Leo Dốc nhà một hộ dân bằng cách tƣơng tác với mạng không dây.

Mạng không dây có thể xác định chính xác vị trí của xe, tính toán tuyến đƣờng tối ƣu giữa những lần gom rác và chuyển thông tin này đến xe. Xe Segway PT , [20] Segway PT (viết tắt của Segway Personal Transporter - xe cá nhân Segway), đặc điểm nổi bật của Segway là cơ chế tự cân bằng nhờ hệ thống máy tính, động cơ và con quay hồi chuyển đặt bên trong xe, nó giúp cho xe dù chỉ có một trục chuyển động với hai bánh nhƣng luôn ở trạng thái cân bằng, ngƣời sử dụng chỉ việc ngả về đằng trƣớc hoặc đằng sau để điều khiển xe đi tiến hoặc đi lùi. Với các điều khiển sang phải hoặc sang trái, Segway có một cần lái- muốn điều khiển sang phải hoặc sang trái chỉ cần nghiêng cần lái về phía đó. Động cơ của xe Segway có thể đạt tốc độ 5,6 m/s (khoảng 20 km/h).

Do có giá thành khá cao và mới chỉ thích hợp ở các địa điểm bằng phẳng nên Segway hiện chủ yếu đƣợc sử dụng ở các sở cảnh sát, căn cứ quân sự, cơ sở sản xuất hoặc khu công nghiệp.6: Các kiểu dáng của xe Segway Trang 9 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Xe Hai Bánh Cân Bằng Và Leo Dốc Cơ chế tự cân bằng của Segway dựa trên hoạt động của hệ thống máy tính, hai sensor độ nghiêng và năm con quay hồi chuyển đặt trong xe. Dựa trên các số liệu của sensor, máy tính sẽ tính toán để truyền lệnh cho các động cơ phụ di chuyển bánh xe về phía trƣớc hoặc phía sau để tái lập cân bằng cho xe. Với các mẫu Segway PT mới, quá trình này lặp đi lặp lại khoảng 100 lần trên giây, đủ để cân bằng xe cho dù ngƣời lái ở trạng thái nào. Khi xe đạt tới vận tốc tối đa, các phần mềm trong Segway sẽ tự động điều khiển xe hơi nghiêng về sau giúp xe di chuyển chậm lại, cơ chế này giúp hạn chế khả năng ngƣời điều khiển tiếp tục nghiêng về trƣớc ngay cả khi Segway đã ở vận tốc tối đa.

Các Segway cũng sẽ tự động giảm tốc và dừng lại khi gặp chƣớng ngại vật. Về sự an toàn, Segway có tốc độ tối đa 20 km/giờ và không chạy quá 20 km/h, kể cả khi xuống dốc.