CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN a) b) c) d) e) f) Hình 1-1Hình 1-2 Mô hình robot hai bánh có chiều cao thay đổi trên thế giới; a) Ascento (2019); b) Diablo (2022); c) Handle (2017); d) SK80 (2021); e) Ascento (2023) f) Ollie (2021).2 Tình hình nghiên cứu trong nước Việt Nam có rất nhiều các nghiên cứu về robot hai bánh cân bằng sử dụng các bộ điều khiển tối ưu, bộ điều khiển bền vững có thể kể đến là: Năm 2005, Mai Tấn Đạt thuộc trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã làm đề tài “Xe hai bánh tự cân bằng di chuyển trên địa hình bằng phẳng” do KS Võ Tường Quân hướng dẫn [11], đề tài đã thành công trong việc tiếp cận từ mô hình con lắc ngược đến mô hình thật của xe, thiết kế mô hình thực tế, board mạch điện và lập trình vi điều khiển, thiết lập module lọc Kalman cho cảm biến đo góc. Năm 2010, nhóm tác giả thuộc trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã thực hiện thành công việc mô phỏng và thử nghiệm bộ điều khiển PID Backstepping cho hệ xe hai bánh cân bằng với khả năng cân bằng và ổn định trước tác động bên ngoài [12]. Năm 2012, tác giả Trương Ngọc Sơn thuộc trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã đăng bài báo “Điều khiển ổn định cho robot hai bánh cân bằng” [13], đề tài trình bày phương pháp tính toán động lực học của robot hai bánh cân bằng, thiết kế bộ điều khiển LQR và bộ điều khiển trượt, áp dụng thành công ở mô phỏng và thực nghiệm. Năm 2015, tác giả Gia Thị Định và Nguyễn Duy Cương tại Đại Học Thái Nguyên đã trình bày kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển thích nghi bền vững cho xe hai bánh cân bằng [14], đề tài chỉ dừng ở mức mô phỏng dưới sự tác động của nhiễu và Trang 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN các tham số không biết trước.TS Nguyễn Minh Tâm thuộc trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã đăng bài báo trên Tạp chí Khoa học về đề tài “Mô hình hóa và điều khiển tối ưu cho hệ xe hai bánh cân bằng” [15], bài báo trình bày giải pháp tính toán mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQR trên mô phỏng và cả thực nghiệm.
Năm 2018, tác giả Mai Thế Anh tại Viện Kỹ thuật Điện Mosscow đã đưa ra phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ cho việc giữ cân bằng hệ thống [16], tuy nhiên vẫn chưa đề cập tới vấn đề sai số mô hình hoặc nhiễu loạn trong quá trình hoạt động. Nối tiếp các đề tài, năm 2019 nhóm tác giả thuộc trường Đại học Hàng Hải đã sử dụng bộ điều khiển phi tuyến để điều khiển xe hai bánh cân bằng trong địa hình mặt phẳng nghiêng [17], tuy nhiên chỉ dừng ở lại việc đưa ra giải pháp thiết kế và mô phỏng. Năm 2020, tác giả Hoàng Anh Vũ và tác giả Đào Tăng Tín thuộc trường Đại học Quốc tế Hồng Bàng đã đăng bài báo “Bộ điều khiển PID online auto-tuning sử dụng mạng nơ ron cho hệ xe hai bánh tự cân bằng” trên Tạp chí Khoa học [18], đưa ra giải thuật tự chỉnh định các thông số PID dựa trên mạng thần kinh cho xe hai bánh cân bằng. Cùng với năm 2020, tác giả Võ Anh Khoa đã trình bày đề tài “Trajectory Tracking Pid-Sliding Mode Control for Two-Wheeled Self-Balancing Robot” trên hội nghị Quốc tế “Intelligent Computing in Engineering” [19], bài báo trình bày giải thuật bám theo quỹ đạo sử dụng bộ điều khiển trượt PID kết hợp, bài báo đã chứng mình được tính hiệu quả của giải thuật khi mà hệ thống di chuyển theo quỹ đạo hình số 8 mà vẫn giữa được thăng bằng khi di chuyển.
Cho đến tận năm 2023, nhóm sinh viên gồm Nguyễn Minh Hoàng và Nguyễn Hữu Lộc thuộc trường Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của tiến sĩ Trần Đức Thiện đã đưa ra đề tài “ A Fuzzy LQR PID Control for a Two-Legged Wheel Robot with Uncertainties and Variant Height” trên tạp chí Robotics and Control (JRC) 2023 [20], đề tài đã áp dụng thành công bộ điều khiển fuzzy - LQR – PID cho hệ xe hai bánh cân bằng có khớp chân để thay đổi độ cao, đề tài đã chứng minh được sự hiệu quả trong việc áp dụng bộ fuzzy – LQR để căn chỉnh các hệ số K nhằm đáp ứng được việc giữ thăng bằng ứng với từng tư thế trong khi chiều cao thay đổi, bộ PID được dùng để điều khiển động cơ hông nhằm đáp ứng cho việc nâng hạ các khớp chân ổn định. Hiện tại xe hai bánh cân bằng đã trở thành một trong những đề tài đồ án được rất nhiều sinh viên lựa chọn để nghiên cứu và phát triển, cho thấy sự phổ biến và sức ảnh hưởng đáng kinh ngạc của xe hai bánh cân bằng. Tuy nhiên, ta có thể thấy các công trình nghiên cứu trong nước đến hiện nay vẫn còn dừng lại ở việc thiết kế bộ điều khiển cho loại xe hai bánh cân bằng di chuyển trên địa hình bằng phẳng, tính tới thời điểm hiện tại chỉ có nhóm sinh viên gồm Nguyễn Minh Hoàng và Nguyễn Hữu Lộc thuộc trường Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Trang 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN dưới sự hướng dẫn của tiến sĩ Trần Đức Thiện đã thiết kế và thi công mô hình và bộ điều khiển cân bằng thành công cho hệ xe hai bánh có khớp chân có thể thay đổi chiều cao tuy nhiên chỉ dừng lại ở việc thay đổi chiều cao chậm rãi theo thời gian, còn lại chưa có nhóm nghiên cứu cũng như công ty nào đã thiết kế, chế tạo và điều khiển cho hệ robot trên, các đề tài trong nước vẫn chưa thể giải quyết được những vấn đề cần giải quyết như việc di chuyển trên địa hình không bằng phẳng hay thay đổi được độ cao ngay lập tức cho robot để đi qua các vật cản lớn hơn bán kính bánh xe của robot thay vì thay đổi chiều cao một cách chậm rãi gây tốn thêm thời gian. Cho nên, việc mở ra những hướng nghiên cứu mới là vô cùng quan trọng nhằm thúc đẩy và đóng góp công sức cho nền kỹ thuật và khoa học của nước nhà.
Chính vì thế đây là động lực để nhóm thực hiện đề tài “Thiết kế mô hình và bộ điều khiển cân bằng cho robot hai bánh thay đổi chiều cao”.2 Mục tiêu đề tài Mục tiêu của đề tài được đặt ra như sau: - Phân tích, tính toán động học, động lực học của robot hai bánh cân bằng thay đổi chiều cao. - Thiết kế và thi công mô hình robot hai bánh cân bằng thay đổi chiều cao. - Thiết kế bộ điều khiển toàn phương tuyến tính (LQR) cho robot. - Thiết kế giao diện điều khiển và thu thập dữ liệu cho robot.3 Giới hạn đề tài - Mô hình robot thực nghiệm do nhóm sinh viên tự thiết kế và thi công nên chưa có cơ sở hay công cụ nào đánh giá mức độ bền vững và sai số mô hình của hệ thống.
- Phần cứng của robot sử dụng các thiết bị điện không chuyên dụng nên khả năng đáp ứng còn tồn tại nhiều hạn chế. - Robot chỉ có khả năng giữ thăng bằng và thay đổi chiều cao tại chỗ, không xét đến yếu tố di chuyển và mang tải. - Chiều cao thay đổi của robot là từ 230mm đến 260mm. - Việc lựa chọn các thông số cho bộ điều khiển dựa trên sự đánh giá khách quan và phương pháp thử sai.
Do đó hệ thống có thể chưa đạt được chất lượng tối ưu nhất.4 Phương pháp nghiên cứu Đề tài này kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm. Trang 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Nghiên cứu lý thuyết: Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu tổng quan về robot di động hai bánh, bao gồm các giải thuật giữ cân bằng, các giải thuật nâng cao cho hệ thống, cách truyền nhận dữ liệu và các yếu tố ảnh hưởng. Đồng thời, đề tài cũng tìm hiểu về cách thiết kế giao diện người dùng sao cho phù hợp nhất, cũng như nghiên cứu và khám phá các loại cảm biến gia tốc và từ trường. Nghiên cứu thực nghiệm: Sau khi đã thành công trong việc mô phỏng hệ thống, nhóm sẽ tiến hành thi công mô hình và xây dựng môi trường hoạt động cho robot.
Tiếp theo, nhóm sẽ thu thập dữ liệu thông qua giao tiếp không dây và quan sát các dữ liệu trả về qua giao diện người dùng, từ đó điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển để phù hợp với các trường hợp khác nhau. Chất lượng của bộ điều khiển sẽ được đánh giá bằng cách đặt ra các tình huống khác nhau và thực nghiệm trực tiếp trên robot.Nội dung đề tài bao gồm 6 chương. Bố cục các chương được mô tả như sau: Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 1 trình bày về tổng quan của đề tài thực hiện bao gồm phần đặt vấn đề, mục tiêu, giới hạn của đề tài và các phương pháp nghiên cứu. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 2 cung cấp cơ sở lý thuyết về robot hai bánh thay đổi chiều cao độc lập và các kiến thức sử dụng để thực hiện đề tài.
Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống Chương 3 trình bày công việc thiết kế các chi tiết của mô hình robot bằng phần mềm Solidworks 2022, đồng thời trình bày công việc thi công mô hình, thiết kế mạch PCB điều khiển robot và thi công mô hình phần cứng robot và thiết kế giao diện người dùng giám sát hệ thống. Chương 4: Tính toán động học, động lực học và thiết kế bộ điều khiển cân bằng cho robot Chương 4 trình bày mô hình động học và động lực học của robot, công việc thiết kế các bộ điều khiển. Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả Chương 5 trình bày về vấn đề thực nghiệm mô hình thực các bộ điều khiển đã thiết kế ở chương 4, phân tích các dữ liệu thu thập qua giao diện người dùng. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Trang 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương 6 kết luận về phương pháp sử dụng và hướng phát triển của đề tài.
Trang 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương này trình bày cơ sở lý thuyết liên quan, phục vụ cho quá trình nghiên cứu, thực hiện đồ án. Các lý thuyết được trình bày bao gồm tổng quan về robot di động, cấu trúc của robot di động hai bánh, lý thuyết về các giải thuật được sử dụng trong đề tài, lý thuyết về các cảm biến sử dụng trong mô hình, lý thuyết về các giao thức truyền thông giữa các vi điều khiển và truyền thông không dây.