nghiên cứu hệ thống điều khiển cân bằng cho robot hai bánh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ` ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGÔ THỊ CHÂM NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO ROBOT HAI BÁNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGÔ THỊ CHÂM NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO ROBOT HAI BÁNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Hữu Công THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Ngô Thị Châm Sinh ngày: 13/06/1979 Học viên lớp cao học khóa 14 – Tự động hóa – Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trường Đại học Công nghiệp Việt – Hung thị xã Sơn Tây – Thành phố Hà Nội. . Ngô Thị Châm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii . . . , Khoa Sau Đại học . Ngô Thị Châm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan i Lời cam ơn ii Mục lục iii Danh mục các bảng v Danh các hình ảnh (Hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị) vi MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 3 1.1. Giới thiệu robot hai bánh tự cân bằng 3 1.2. Tổng quan về robot hai bánh tự cân bằng trong nước và trên thế giới 3 1.2.1 Các nghiên cứu về robot hai bánh song song tự cân bằng 3 1.2.2 Các nghiên cứu về robot hai bánh trước sau tự cân bằng trên thế giới 21 1.2.3 Các nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng trong nước 29 1.3. Kết luận chương 1 29 CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 31 2.1 Giới thiệu 31 2.2 Thiết kế robot hai bánh tự cân bằng 31 2.2.1 Thiết kế phần cơ khí 31 2.2.2 Thiết kế phần điện 38 2.3 Mô hình hóa robot hai bánh tự cân bằng 44 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ-MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM THỰC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 48 3.1 Giới thiệu 48 3.2 Một số phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển theo kỹ thuật không gian trạng thái 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 3.2.1 Thiết kế theo phương pháp áp đặt điểm cực 49 3.2.2 Phương thức so sánh trực tiếp 50 3.2.3 Phương thức dạng kinh điển điều khiển được 50 3.2.4 Công thức Ackermann 51 3.2.5 Thiết kế theo tiêu chuẩn chất lượng 51 3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái để điều khiển cân bằng cho robot hai bánh tự cân bằng 52 3.4 Hệ thống điều khiển thực robot hai bánh tự cân bằng 55 3.5. Kết luận chương 3 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Các nghiên cứu chính về điều khiển robot hai bánh bằng lực ly tâm 21 Bảng 1.2 Các nghiên cứu chính về điều khiển robot hai bánh bằng di chuyển tâm trọng lực 24 Bảng 1.3 Các nghiên cứu về điền khiển robot hai bánh sử dụng bánh đà 25 Bảng 1.4 Các nghiên cứu về robot hai bánh sử dụng điều khiển kết hợp 28 Bảng 2.1 Thông số động cơ điện một chiều 33 Bảng 2.2 Thông số của robot 47 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Robot hai bánh song song khi leo dốc và xuống dốc 5 Hình 1.5 Robot hai bánh nBot 8 Hình 1.6 Robot hai bánh Balance-bot I 9 Hình 1.7 Robot hai bánh Balancing robot (Bbot) 10 Hình 1.8 Robot hai bánh JOE 11 Hình 1.9 Robot hai bánh Equibot 13 Hình 1.10 Robot hai bánh BaliBot 14 Hình 1.11 Các tầng cảm biến của BaliBot 15 Hình 1.12 Robot hai bánh Bender 16 Hình 1.13 Robot phục vụ con người Rolling 16 Hình 1.14 Xe Segway 18 Hình 1.15 Xe Balancing Scooter 19 Hình 1.16 Xe Spider 20 Hình 1.17 Robot hai bánh tự cân bằng của Gallaspy 26 Hình 1.18 Robot hai bánh tự cân bằng của Suprapto 27 Hình 1.19 Robot hai bánh tự cân bằng của Pom Yuan Lam 27 Hình 1.20 Murata Boy Robot 28 Hình 2.1 Kích thước robot hai bánh tự cân bằng 32 Hình 2.2 Kích thước thiết kế của bánh đà 32 Hình 2.3 Hình dạng thực tế của bánh đà 33 Hình 2.4 Cảm biến gia tốc Gyro GY-521 6DOF MPU6050 34 Hình 2.5. Sơ đồ mạch cảm biến MPU - 6050 35 Hình 2.6 Sơ đồ xác định góc nghiêng của cảm biến gia tốc 36 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý cảm biến góc nghiêng 37 Hình 2.8 Cảm biến tốc độ 37 Hình 2.9 Hệ thống điều khiển tiến lùi của robot 38 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii Hình 2.10 Mạch Arduino 39 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H dùng tranzitor 42 Hình 2.12 Khối nguồn của robot 42 Hình 2.13. Mạch cầu H điều khiển động cơ tiến lùi 43 Hình 2.14 Mô hình hoàn thiệu của robot hai bánh tự cân bằng 43 Hình 2.15 Sơ đồ đơn giản của hệ thống cân bằng robot 44 Hình 2.16 Đáp ứng xung của mô hình hàm truyền robot 47 Hình 3.1: Điều khiển sử dụng phản hồi trạng thái 49 Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng Simulink hệ thống điều khiển cân bằng robot sử dụng phản hồi trạng thái 54 Hình 3.3: Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot trên Matlab – Simulink 54 Hình 3.4 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh tự cân bằng khi không mang tải 55 Hình 3.5 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh tự cân bằng khi có nhiễu 56 Hình 3.6 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh tự cân bằng khi thay đổi tải lệch tâm . 56 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nghiên cứu về robot tự động (Autonomous robot) là một lĩnh vực nghiên cứu đang được phát triển mạnh trong những năm gần đây. Một trong những khó khăn nhất của vấn đề nghiên cứu robot tự động là khả năng duy trì cân bằng ổn định trong những địa hình khác nhau. Để giải quyết vấn đề này, các robot hầu hết có bánh xe rộng hoặc tối thiểu là ba điểm tiếp xúc so với mặt đất để duy trì sự cân bằng. Tuy nhiên tăng kích thước hoặc số lượng bánh xe sẽ làm giảm hiệu quả của hệ thống điều khiển do tăng trọng lượng xe, tăng ma sát hoặc tăng lực kéo và tăng tổn hao năng lượng. Robot hai bánh tự cân bằng là một hướng nghiên cứu sẽ giải quyết được nhược điểm. Bởi robot hai bánh tự cân bằng chỉ sử dụng hai bánh xe nên giảm được cả trọng lượng và chiều rộng không gian. Tuy nhiên vấn đề khó khăn cho robot là làm cách nào để robot có thể tự cân bằng trong những điều kiện làm việc khác nhau, đồng thời tải trọng mang theo có thể thay đổi. Với mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm một mô hình robot hai bánh trước sau tự cân bằng, trong luận văn này tác giả sẽ tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo phần cứng cho robot hai bánh trước sau tự cân bằng sử dụng bánh đà với nghiên cứu ban đầu là robot có thể cân bằng khi đứng yên và chuyển động thẳng cùng với một hệ thống điều khiển chất đảm bảo yêu cầu và áp dụng thuật toán điều khiển thích hợp. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Robot hai bánh có thể sử dụng thay con người trong thăm dò, … Từ nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng có thể phát triển mô hình robot hai bánh tự cân bằng thành xe hai bánh tự cân bằng sử dụng trong giao thông vận 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 tự cân bằng nếu được [...]... tự cân bằng phát triển rất mạnh Về cơ bản, có ba phương pháp điều khiển cân bằng cho robot hai bánh trước sau: (i) điều khiển cân bằng bằng bánh đà (ii) điều khiển cân bằng bằng cách thay đổi tâm trọng lực; (iii) điều khiển cân bằng sử dụng lực ly tâm Cả ba phương pháp điều khiển này đã được nhiều nhà nghiên cứu phát triển và ứng dụng cho việc điều khiển cân bằng robot hai bánh trước sau 1.2.2.1 Điều. .. 1.2.2.3 Điều khiển cân bằng sử dụng bánh đà Các phương pháp điều khiển cân bằng cho robot hai bánh sử dụng bánh đà được chỉ ra trong các nghiên cứu [1, 2, 3, 5, 19, 22, 23] Bảng 1.3 Các nghiên cứu về điền khiển robot hai bánh sử dụng bánh đà Tài liệu Năm Vấn đề nghiên cứu Kết quả tham khảo [1] 1998 Điều khiển cân bằng Mô phỏng [5] 1999 Điều khiển cân bằng Thực nghiệm [19] 2003 Điều khiển cân bằng và... thực tế nên nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng đã thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Robot hai bánh tự cân bằng được chia làm hai loại: + Loại có hai bánh song song + Loại có hai bánh trước và sau 1.2 Tổng quan về robot hai bánh tự cân bằng trong nƣớc và trên thế giới 1.2.1 Các nghiên cứu về robot hai bánh song song tự cân bằng Robot hai bánh song song tự cân bằng là loại robot được... để thiết kế và điều khiển robot Hệ thống điều khiển sử dụng 4 tín hiệu từ hệ thống cảm biến của robot gồm: 1 Góc nghiêng 2 Vận tốc góc nghiêng : đạo hàm của góc nghiêng 3 Vị trí bánh robot 4 Vận tốc bánh robot: đạo hàm của vị trí bánh robot để tạo ra tín hiệu điều khiển cho động cơ DC và điều khiển tốc độ bánh robot 1.2.1.1.3 Balancing robot (Bbot) Hình 1.7 Robot hai bánh Balancing robot (Bbot) Số... hình robot và thuật toán điều khiển Tất cả các nghiên cứu trong việc duy trì cân bằng bằng cách điều khiển tay lái cho thấy rằng hệ thống không thể cân bằng khi robot đứng yên Đây là một hạn chế lớn của phương pháp này 1.2.2.2 Điều khiển cân bằng nhờ thay đổi tâm trọng lực Các phương pháp điều khiển cân bằng nhờ điều chỉnh tâm trọng lực được chỉ ra trong nghiên cứu [20] và [26] Bảng 1.2 Các nghiên cứu. .. Điều khiển cân bằng bằng cách tắc của lực ly tâm Các phương pháp điều khiển cân bằng cho robot hai bánh bằng cách đi được mô tả trong các tài liệu tham khảo [4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 24, 25] Bảng sau thể hiện các kết quả nghiên cứu mà các nghiên cứu này đạt được Bảng 1.1 Các nghiên cứu chính về điều khiển robot hai bánh bằng lực ly tâm Tài liệu Năm Vấn đề nghiên cứu Kết quả tham khảo [6] 1995 Điều khiển. .. 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 1.1 Giới thiệu robot hai bánh tự cân bằng Nghiên cứu về robot tự động (Autonomous robot) là một lĩnh vực nghiên cứu đang được... thực nghiệm 2006 Điều khiển cân bằng Mô phỏng và thực nghiệm [22] 2013 Điều khiển cân bằng và quỹ đạo chuyển động Mô phỏng và thực nghiệm Trong các nghiên cứu năm 1998 và 2003, Beznos et al [1] và Lenskii et al [19] xây dựng các robot hai bánh sử dụng hệ thống con quay hồi chuyển và xây dựng các thuật toán điều khiển để cân bằng các robot hai bánh này Bộ cân bằng gồm hai bánh đà quay theo hai chiều ngược... Các nghiên cứu chính về điều khiển robot hai bánh bằng di chuyển tâm trọng lực Tài liệu Năm Vấn đề nghiên cứu Kết quả tham khảo [20] 2002 Điều khiển cân bằng Mô phỏng [26] 2006 Điều khiển cân bằng và điều khiển quỹ đạo chuyển động Mô phỏng và thực nghiệm Lee và Ham [20] ban đầu xây dựng một mô hình động học cho robot hai bánh và sau đó xây dựng một bộ điều khiển phi tuyến để điều khiển việc di chuyển... trọng lực để giúp robot hai bánh cân bằng Yamakita et al [26] phát triển các thuật toán điều khiển độc lập cho việc điều khiển bám quỹ đạo chuyển động và cân bằng cho robot hai bánh dựa trên một bộ điều khiển phi tuyến Trong phương pháp điều khiển này bất lợi lớn nhất là thời gian đáp ứng của hệ thống điều khiển chậm và cần phải thêm vào robot một bộ phận trọng lực làm tăng trọng lượng của robot Số hóa . VỀ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 3 1.1. Giới thiệu robot hai bánh tự cân bằng 3 1.2. Tổng quan về robot hai bánh tự cân bằng trong nước và trên thế giới 3 1.2.1 Các nghiên cứu về robot hai bánh. phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot trên Matlab – Simulink 54 Hình 3.4 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh tự cân bằng khi không mang tải 55 Hình 3.5 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh tự cân bằng. 1.1 Các nghiên cứu chính về điều khiển robot hai bánh bằng lực ly tâm 21 Bảng 1.2 Các nghiên cứu chính về điều khiển robot hai bánh bằng di chuyển tâm trọng lực 24 Bảng 1.3 Các nghiên cứu về