CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài: Trong kỷ nguyên công nghệ 4.0, robot đã trở thành một phần không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống hàng ngày, từ sản xuất công nghiệp đến dịch vụ chăm sóc sức khỏe và giáo dục. Giữa những phát minh này, robot 2 bánh tự cân bằng với thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả, loại robot này sử dụng cảm biến và các thuật toán điều khiển tiên tiến để nhận diện và điều chỉnh trạng thái của nó, cho phép nó di chuyển linh hoạt trong không gian hẹp, vượt qua chướng ngại vật, và thực hiện các nhiệm vụ một cách tự động.1: Mô hình robot 2 bánh tự cân bằng Robot 2 bánh tự cân bằng là một loại robot di động có khả năng duy trì thăng bằng trong khi di chuyển nhờ vào cấu trúc và công nghệ điều khiển tiên tiến. Với hai bánh xe ở hai bên, robot này sử dụng động cơ để điều chỉnh chuyển động, kết hợp với cảm biến để đo góc nghiêng và gia tốc.
Dữ liệu từ cảm biến được xử lý bởi bộ điều khiển, thường là vi điều khiển Arduino, để áp dụng các thuật toán điều khiển PID nhằm duy trì trạng thái thăng bằng. Robot 2 bánh tự cân bằng có nhiều ứng dụng thực tiễn, từ giao hàng thông minh đến giáo dục và phục vụ đời sống. Tuy nhiên, nó cũng đối mặt với những thách thức như duy trì tính ổn định trong các điều kiện khác nhau và cần có hệ thống phản hồi nhanh để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Nhìn chung, loại robot này không chỉ là một dự án thú vị mà còn mở ra nhiều cơ hội học hỏi và phát triển công nghệ mới trong lĩnh vực robotics.
Đề tài "Thiết kế, mô phỏng và chế tạo robot 2 bánh tự cân bằng" không chỉ là một thử thách kỹ thuật hấp dẫn mà còn là cơ hội để khám phá những công nghệ tiên tiến. Qua việc thực hiện dự án này, các thành viên trong nhóm có thể phát triển nhiều kỹ năng từ lập trình và điều khiển robot cho đến cách thiết kế mạch cơ khí và điện tử từ đó đi tìm hướng phát 1 triển mới cho hệ thống sau đó đi vào mô phỏng và xây dựng mô hình thực nghiệm. Đặc biệt, sự tích hợp của các cảm biến để đo góc nghiêng và gia tốc sẽ giúp người thực hiện hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển và áp dụng vào những đề tài nghiêng cứu trong tương lai. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của đề tài là xây dựng mô hình robot 2 bánh tự cân bằng dựa trên nền tảng lý thuyết mô hình con lắc ngược.
Trong thời gian làm đề tài, những mục tiêu của đề tài được đặt ra như sau: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động về robot 2 bánh di động tự cân bằng. Ứng dụng lý thuyết đã học vào thiết kế bộ điều khiển cho robot hai bánh tự cân bằng: Xây dựng kỹ năng mô phỏng dùng Mathlab Simulink. Chế tạo xây dựng robot thực tế dựa trên mô phỏng, mô hình thiết kế. Vai trò của mô hình Việc thực mô hình mang đến trước mắt là các phương pháp dùng để tính động lực học, chẳng hạn: phương pháp Newton, phương pháp Lagrange, phương pháp theo năng lượng…Nhưng trong đề tài này, phương pháp Newton được sử dụng với các ưu điểm của nó.
Thứ nhất, nó sử dụng các phương pháp tính cơ học thông thường. Thứ hai, các công thức và hệ phương trình trong quá trình tính không quá phức tạp để đưa ra các hàm truyền tương ứng. Thứ ba, kết quả t ính động lực học của mô hình con lắc ngược được phổ biến hiện nay ở các tài liệu tham khảo được sử dụng để kiểm tra sự sai sót trong quá trình tính toán động lực học của mô hình xe hai bánh tự cân bằng, về nguyên lý con lắc ngược nó giống như việc giữ thăng bằng một cây gậy trên ngón tay. Để giữ thăng bằng, chúng ta phải di chuyển ngón tay của mình theo hướng nghiêng và tốc độ nghiêng của cây gậy.
Để điều khiển động cơ bánh xe cho robot tự cân bằng qua mạch cầu L298N, chúng ta cần một số thông tin về trạng thái của robot như: điểm thăng bằng cần cài đặt cho robot, hướng mà robot đang nghiêng, góc nghiêng và tốc độ nghiêng. Tất cả các thông tin này được thu thập từ MPU6050 và đưa vào bộ điều khiển PID để tạo ra một tín hiệu điều khiển động cơ, giữ cho robot ở điểm thăng bằng.1: Mô hình toán học con lắc ngược Tiếp đến là tìm hiểu về bộ điều khiển PID, là một bộ điều khiển vòng kín được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện, hệ thống tự động, điện tử. Mục tiêu của bộ điều khiển PID là điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra Ouput sao cho sai lệch Error e(t) = (SP – PV) giữa giá trị đo được của hệ thống PV (Process Variable) với giá trị cài đặt SP (SetPoint) nhỏ nhất có thể để đạt được sự ổn định và có đáp ứng nhanh. Ở đây, giá trị cài đặt bộ P.D (SP) là điểm cân bằng được hiểu là góc so với phương thẳng đứng, vuông góc với robot.
Nếu phần cứng cho robot hoàn hảo, cân bằng và đối xứng thì với thiết kế của mình, góc này sẽ là 180 độ. Tín hiệu hồi tiếp feedback (PV) là sự kết hợp giữa Gyroscope và Accelerometer được thu thập từ MPU-6050. Output của bộ PID là tín hiệu điều xung tốc độ cho hai động cơ DC sao cho PV tiến tới điểm cân bằng SP. Thông qua mô hình thực hiện nhóm nghiên cứu có thể hiểu rõ hơn về phương thức hoạt động của robot 2 bánh tự cân bằng từ đó tiếp cận gần hơn với các công nghệ robot 2 bánh tự cân bằng được ứng dụng trong thực tế chẳng hạn như: robot vận chuyển hàng hoá trong bãi kho, robot hướng dẫn hàng khách trong trung tâm thương mại, robot tuần tra giám sát an ninh, robot giao hàng tự động.
Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài Robot hai bánh có thể sử dụng thay con người trong thăm dò. Từ những nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng ta có thể phát triển mô hình robot hai bánh tự cân bằng thành xe hai bánh tự cân bằng sử dụng trong giao thông vân tải. Xe hai bánh tự cân bằng có khả năng tự cân bằng cả khi đứng yên, khi chuyển động và cả khi xảy ra va chạm. Xe hai bánh 3 tự cân bằng nếu được thiết kế tốt thì khi va chạm nó chi bị văng ra và vẫn giữ được phương thẳng đứng nhờ hệ thống tự cân bằng lắp trên nó do đó sẽ đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
Do đó, nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng có tính khoa học và thực tiễn rất lớn. Tình hình nghiên cứu robot 2 bánh tự cân bằng hiện nay 1. nBot nBot do David P. Anderson sáng chế.
nBot được lấy ý tưởng để cân bằng như sau: các bánh xe sẽ phải chạy xe theo hướng mà phần trên robot sắp ngã. Nếu bánh xe có thể được lái theo cách đứng vững theo trọng tâm robot, robot sẽ vẫn được giữ cân bằng. Trong thực tế, điều này đòi hỏi hai cảm biến thông tin phản hồi: cảm biến góc nghiêng để đo góc nghiêng của robot với trọng lực, và encoder trên bánh xe để đo vị trí cơ bản của robot. Bốn thông số ngõ vào để xác định hoạt động và vị trí của xe con lắc ngược cân bằng là: 1) góc nghiêng.
2) đạo hàm của góc nghiêng, vận tốc góc. 3) vị trí bánh xe. 4) đạo hàm vị trí bánh, vận tốc bánh xe. nBot 4 Bốn giá trị đo lường được cộng lại và phản hồi tới điện áp động cơ, tương ứng với momen quay, cân bằng, và bộ phận lái robot.
Balance bot I Balance-bot I (do Sanghyuk, Hàn Quốc thực hiện) là một robot hai bánh tự cân bằng bằng cách kiểm soát thông tin phản hồi. Hệ thống cao 50cm. Khung chính được làm bằng nhôm. Nó có hai trục bánh xe nối với hộp giảm tốc và động cơ DC cho sự phát động.
Tổng cộng có ba bộ vi xử lý Atmel được sử dụng. Vi điều khiển chính (master) thi hành những nguyên lý kiểm soát và thuật toán ước lượng. Một vi điều khiển khác kiểm soát tất cả cảm biến analog. Vi điều khiển thứ ba điều khiển động cơ DC.
Linear quadratic regulator (LQR) được thiết kế và thực thi mạch điều khiển. Nó có bốn giá trị khác nhau – góc nghiêng, vận tốc góc nghiêng, góc quay bánh xe, và vận tốc góc quay, sau đó nó tạo lệnh cho động cơ DC để điều chỉnh tốc độ bánh xe. Balancing robot Vào năm 2003, Jack Wu và Jim Bai là những sinh viên trường Đại học Carnegie Mellon dưới sự trợ giúp của GS. Chris Atkeson đã thực hiện đề tài robot hai bánh tự cân bằng như luận văn tốt nghiệp.
Robot này có thể xác định vị trí hướng của nó đối với môi trường và lái động cơ theo hướng này. Để đo góc nghiêng của robot, các sinh viên này đã sử dụng hệ thống đo lường góc 2DOF được tích hợp sẵn của hãng Rotomotion. Hệ thống này gồm gia 5 tốc kế ADXL202 và mạch con quay hồi chuyển. Vi mạch điều khiển dùng trên robot này là BasicX 24, có nhiều tính năng khác nhau.
Nó được dùng như bộ điều khiển động cơ, COM1 được nối với Pocket PC và COM3 thì nối với bộ điều khiển servo Mini SSC 12. Nó còn được sử dụng như CPU chính cho việc điều khiển thăng bằng cho robot. JOE Phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp của Viện Công nghệ Federal, Lausanne, Thụy Sĩ, đã tạo ra cuộc cách mạng đầu tiên khi xây dựng mô hình xe hai bánh. Robot JOE cao 65cm, nặng 12kg, tốc độ tối đa khoảng 1,5m/s, có khả năng leo dốc nghiêng đến 30 o.
Nguồn điện cấp là nguồn pin 32V khả năng 1,8Ah. Hình dạng của nó gồm hai bánh xe trục, mỗi bánh gắn với một động cơ DC, chiếc xe này có thể chuyển động xoay theo hình U. Hệ thống điều khiển được lắp từ hai bộ điều khiển state-space tách rời nhau, kiểm soát động cơ để giữ cân bằng cho hệ thống. Những thông tin về trạng thái của JOE được cung cấp bởi hai encoder quang và vận tốc của con quay hồi chuyển.
JOE được điều khiển bởi một bộ điều khiển từ xa R/C thường được sử dụng để điều khiển các máy bay mô hình. Bộ điều khiển trung tâm và xử lý tín hiệu là một board xử lý tín hiệu số (DSP) được phát triển bởi chính nhóm và của viện Federal, có khả năng xử lý dấu chấm động (SHARC floating point), FPGA XILINC, 12 bộ biến đổi A/D 12bit và 4 bộ biến đổi D/A 10bit.