Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Với Bộ Điều Khiển Fuzzy PID

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

ABSTRACT

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH SÁCH HÌNH ẢNH VÀ BIỂU MẪU

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Lời nói đầu

1.2. Các công trình nghiên cứu liên quan

1.3. Balance bot I

1.4. Segway

2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Thế nào là xe hai bánh tự cân bằng

2.2. Tại sao phải thiết kế xe hai bánh cân bằng

2.3. Ưu nhược điểm của xe hai bánh tự cân bằng

2.3.1. Ưu điểm của xe scooter tự cân bằng trên hai bánh

2.3.2. Nhược điểm của xe

2.4. Khả năng ứng dụng

2.5. Giới thiệu thuật toán PID

2.5.1. Thành phần tỉ lệ (P)

2.5.2. Thành phần tích phân (I)

2.5.3. Thành phần vi phân (D)

2.5.4. Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

2.6. Lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control)

2.6.1. Định nghĩa tập mờ

2.6.2. Các phép toán trên tập hợp mờ

2.6.3. Tính chất của tập hợp mờ

2.6.4. Biến mờ và biến ngôn ngữ

2.6.5. Mệnh đề mờ và mệnh đề hợp thành

2.6.6. Các luật hợp thành

2.6.7. Hệ quy tắc mờ

2.6.8. Xây dựng bộ điều khiển Fuzzy

2.6.9. Cấu trúc bộ điều khiển Fuzzy-PID

2.7. Giới thiệu về I2C

2.7.1. Đặc điểm giao tiếp I2C

2.7.2. START and STOP conditions

2.7.3. Định dạng dữ liệu truyền

2.7.4. Định dạng địa chỉ thiết bị

2.7.5. Truyền dữ liệu trên bus I2C, chế độ Master‐Slave

2.8. Giới thiệu về Kalman

2.8.1. Giới thiệu lý thuyết về bộ lọc Kalman

2.8.2. Xử lý dữ liệu đọc từ cảm biến MPU6050

2.8.3. Áp dụng bộ lọc Kalman cho việc xử lý tín hiệu từ cảm biến MCU6050

2.9. Cảm biến Gyo-86

3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

3.1. Nguyên lý hoạt động của robot hai bánh tự cân bằng

3.2. Mô hình hóa robot hai bánh tự cân bằng

3.3. Mô tả phần cứng

3.4. Mô hình toán học

3.5. Thiết kế bộ điều khiển FUZZY-PID cho robot hai bánh tự cân bằng

3.5.1. Thiết kế FUZZY

3.5.2. Kết quả mô phỏng của FUZZY-PID

3.5.3. Chọn bộ điều khiển

4. THI CÔNG THỰC NGHIỆM

4.1. Chọn động cơ và pin

4.2. Các mạch điều khiển

4.3. Kết nối cảm biến với vi điều khiển

4.4. Mô hình thực tế

5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

5.1. Các kết quả đã đạt được

5.2. Các kết quả chưa đạt được

5.3. Hướng phát triển của đề tài

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng và Điều khiển Fuzzy PID

Đề tài nghiên cứu tập trung vào robot hai bánh tự cân bằng, một hệ thống phi tuyến và không ổn định. Mục tiêu chính là thiết kế và triển khai một bộ điều khiển hiệu quả để duy trì sự cân bằng của robot. Bộ điều khiển Fuzzy PID được chọn do khả năng xử lý hệ thống phi tuyến và khả năng điều chỉnh linh hoạt. Đề tài sử dụng thuật toán fuzzy để xử lý các quy tắc điều khiển mờ, kết hợp với điều khiển PID để đảm bảo độ chính xác và ổn định. Việc sử dụng điều khiển fuzzy PID giúp robot thích ứng tốt hơn với các nhiễu và thay đổi trong môi trường hoạt động. Thiết kế robot hai bánh bao gồm hai bánh xe, động cơ DC, cảm biến IMU, và vi điều khiển (Cortex-M4F). Cảm biến IMU (trong trường hợp này là cảm biến Gyro-86) cung cấp dữ liệu về góc nghiêng và tốc độ quay của robot. Mạch điện robot hai bánh bao gồm các thành phần điều khiển động cơ và xử lý dữ liệu từ cảm biến. Lập trình robot hai bánh được thực hiện trên vi điều khiển, bao gồm thuật toán điều khiển Fuzzy PID và xử lý dữ liệu cảm biến.

1.1 Mô hình hóa và Thiết kế Robot

Phần này tập trung vào thiết kế robot hai bánh. Mô hình toán học của robot hai bánh được xây dựng dựa trên nguyên lý của con lắc ngược. Các phương trình động lực học được thiết lập để mô tả chuyển động của robot. Mô hình toán học robot hai bánh được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển. Thiết kế cơ khí robot hai bánh được mô tả chi tiết, bao gồm vật liệu, kích thước, và cách lắp ráp các thành phần. Lựa chọn động cơ và các sensor robot hai bánh như IMU robot hai bánh phù hợp với yêu cầu về hiệu suất và độ chính xác được đề cập. Mạch điện robot hai bánh được thiết kế để cung cấp năng lượng cho các thành phần và xử lý dữ liệu từ cảm biến. Giải thuật điều khiển robot được lập trình trên vi điều khiển Cortex-M4F. Mô phỏng robot hai bánh được thực hiện bằng phần mềm Matlab Simulink để kiểm tra tính hiệu quả của bộ điều khiển trước khi triển khai trên hệ thống thực tế. Hệ thống điều khiển tự động được thiết kế để đảm bảo sự ổn định và độ chính xác của robot. Robot hai bánh tự lái này được nghiên cứu và tối ưu hóa để đáp ứng mục tiêu đề ra.

1.2 Thiết kế Bộ Điều khiển Fuzzy PID

Phần này trình bày chi tiết về thiết kế bộ điều khiển Fuzzy PID. Thuật toán Fuzzy được sử dụng để xử lý các quy tắc điều khiển mờ dựa trên sai số và đạo hàm sai số. Bộ điều khiển Fuzzy được thiết kế để xử lý các tình huống không chắc chắn và phi tuyến trong hệ thống. Thiết kế bộ điều khiển PID đảm bảo độ chính xác và tốc độ đáp ứng. Tối ưu hóa bộ điều khiển Fuzzy PID được thực hiện để đạt được hiệu suất tốt nhất. Thuật toán điều khiển Fuzzy PID được triển khai trên vi điều khiển Cortex-M4F. Lựa chọn tham số PID ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ điều khiển. Tối ưu hóa tham số PID được thực hiện để đạt được sự cân bằng giữa tốc độ đáp ứng, độ vượt, và độ ổn định. So sánh fuzzy và PID cho thấy sự vượt trội của điều khiển fuzzy PID trong việc xử lý hệ thống phi tuyến. Ứng dụng điều khiển fuzzy và ứng dụng điều khiển PID được đánh giá và so sánh. Tối ưu hóa fuzzy và tối ưu hóa PID được thực hiện thông qua mô phỏng và thử nghiệm thực tế.

1.3 Thử nghiệm và Kết quả

Phần này trình bày kết quả thử nghiệm của robot hai bánh tự cân bằng với bộ điều khiển Fuzzy PID. Kiểm soát độ nghiêng và kiểm soát tốc độ của robot được đánh giá. Kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm được so sánh. Phân tích kết quả cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển. Đáp ứng hệ thống được phân tích dựa trên các thông số như thời gian đáp ứng, độ vượt, và độ ổn định. Mô hình toán học được so sánh với kết quả thực tế. Arduino robot hai bánh hay ESP32 robot hai bánh có thể được sử dụng như những nền tảng khác nhau để so sánh hiệu năng. Phân tích lỗi và các giải pháp khắc phục được đề xuất. Dự án robot hai bánh này mang lại những bài học kinh nghiệm quý giá trong quá trình thiết kế và phát triển. Hướng dẫn làm robot hai bánh có thể được xây dựng dựa trên kinh nghiệm thực tiễn của dự án. Bài tập lớn robot hai bánh có thể được thiết kế dựa trên mô hình này.

Đồ Án Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Sử Dụng Bộ Điều Khiển Fuzzy PID