2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.2.2Các nghiên cứu về robot hai bánh trước sau tự cân bằng trên thế giới
Những năm cuối thế kỷ XX và đầu thế kỷ XXI, với sự phát triển mạnh của các thuật toán điều khiển, bài toán thiết kế và điều khiển robot hai bánh trước sau 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 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 tham khảo
Năm Vấn đề nghiên cứu Kết quả
[6] 1995 Điều khiển cân bằng bằng cách điều khiển lực ly tâm
Mô phỏng
[9] 1998 Định vị và cân bằng dùng mô men hướng tâm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
[10] 1999 Cân bằng và điều khiển chuyển động sử dụng góc nghiêng và lực ly tâm
Mô phỏng
[24] 2002 Điều khiển cân bằng ở tốc độ cao Mô phỏng [25] 2004 Điều khiển cân bằng nhờ điều
chỉnh gia tốc
Mô phỏng và thực nghiệm [12] 2005 Kết hợp điều khiển lực ly tâm và
tâm trọng lực
Mô phỏng và thực nghiệm [11] 2005 Điều khiển cân bằng và tránh vật
cản
Mô phỏng
[8] 2006 Điều khiển cân bằng và bám đường
Mô phỏng
[7] 2006 Điều khiển cân bằng dùng luật mờ Mô phỏng [4] 2011 Cân bằng và điều khiển chuyển
động sử dụng góc nghiêng và lực ly tâm dùng LQG
Mô phỏng và thực nghiệm
Trong nghiên cứu ban đầu của Getz và Marsden [6], họ xây dựng một robot hai bánh tương tự như mô hình xe đạp đua. Sau đó, họ phát triển một bộ điều khiển cân bằng dựa trên nguyên lý của lực ly tâm để điều khiển tay lái của robot khi robot di chuyển trên đường thẳng và một đường hình sin. Tuy nhiên, kết quả của nghiên cứu chỉ dừng ở mô phỏng.
Năm 1998, Yavin [9] tiếp tục phát triển một mô hình động lực học của robot hai bánh và thuật toán điều khiển robot đi theo một quỹ đạo đặt trước mà vẫn duy trì được sự cân bằng. Sau đó ông đã mở rộng nghiên cứu trong [5] bằng cách thêm một bánh đà vào trong cấu tạo của robot. Trong [11], ông kết hợp điều khiển cân bằng, tránh va chạm theo một quỹ đạo đặt trước.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Suryanarayanan et al. [24] đã phát triển phương trình tuyến tính hóa mô tả chuyển động của robot hai bánh ở tốc độ cao và đưa ra thuật toán điều khiển tay lái của robot để điều khiển cân bằng robot. Bộ điều khiển được xây dựng dựa trên lý thuyết điều khiển kinh điển. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng duy trì cân bằng và chống nhiễu loạn bên trong tốt. Tuy nhiên, nghiên cứu này không có mô hình thực nghiệm.
Takana và Murakami [25] suất phát từ mô hình toán học bậc hai mô tả robot hai bánh dưới tác động của trọng lực và lực ly tâm, sau đó xây dựng bộ điều khiển để điều khiển tay lái robot nhằm duy trì sự cân bằng của robot. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh sự đúng đắn của mô hình robot và thuật toán điều khiển.
Trong nghiên cứu năm 2005, Iuchi et al. [12] kết hợp cả điều khiển góc lái và điều khiển trọng tâm trọng lực để cân bằng robot hai bánh. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ở các tốc độ khác nhau cho thấy khả năng chống nhiễu loạn bên trong và duy trì cân bằng tốt.
Ham and Choi [8] nghiên cứu về mô hình động lực học, động học và động học ngược của robot hai bánh. Họ đã phát triển một thuật toán điều khiển bám theo quỹ đạo chuyển động. Kết quả nghiên cứu chỉ dừng ở mô phỏng trên Matlab mà không có kết quả thực nghiệm.
Năm 2006, Guo et al. [7] phát triển một mô hình động học phi tuyến của robot hai bánh sử dụng phương pháp Lagrange. Sau đó, họ thiết kế một bộ điều khiển mờ để điều khiển góc lái để duy trì cân bằng của robot. Kết quả nghiên cứu chỉ dừng ở mô phỏng trên Matlab.
Trong nghiên cứu [4] Ånnestad đã xây dựng mô hình robot hai bánh dựa trên nền tảng của một xe đạp, mô hình hóa robot và xây dựng bộ điều khiển dựa trên LQG để điều khiển tay lái nhằm duy trì cân bằng cho robot và điều khiển robot bám theo quỹ đạo đặt trước. Kết quả mô phỏng và thực
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
nghiệm đã chứng minh tính đúng đắn của mô 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 chính về điều khiển robot hai bánh bằng di chuyển tâm trọng lực
Tài liệu tham khảo
Năm Vấn đề nghiên cứu Kết quả
[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 tâm 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 bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
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
tham khảo
Năm Vấn đề nghiên cứu Kết quả
[1] 1998 Điều khiển cân bằng Mô phỏng
[5] 1999 Điều khiển cân bằng Thực nghiệm
[19] 2003 Điều khiển cân bằng và quỹ đạo chuyển động
Mô phỏng và thực nghiệm
[23] 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 nhau và được thiết kế gồm 3 vòng điều khiển: điều khiển góc lái để thay đổi hướng chuyển động; điều khiển vận tốc chuyển động của xe và điều khiển cân bằng. Các bộ điều khiển được thực hiện trên vi điều khiển 80C196KC với tần số đồng hồ 20Mhz.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 1.17 Robot hai bánh tự cân bằng của Gallaspy
Gallaspy, J.M. [5] xây dựng một mô hình robot hai bánh sử dụng bánh đà theo nguyên lý con quay hồi chuyển để cân bằng robot. Ông cũng mô hình hóa robot dựa theo phương pháp Lagrange và xây dựng bộ điều khiển theo phương pháp quỹ đạo nghiệm. Trong thí nghiệm của ông, robot có thể duy trì cân bằng trong thời gian ngắn thời gian.
Suprapto [23] sử dụng bộ điều khiển PD để điều khiển cân bằng robot, điều khiển tiến lùi của robot được thực hiện bằng tay. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy robot có thể cân bằng tốt khi không có tác động từ bên ngoài và không mang tải.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 1.18 Robot hai bánh tự cân bằng của Suprapto
Hình 1.19 Robot hai bánh tự cân bằng của Pom Yuan Lam
Pom Yuan Lam [22] xây dựng bộ điều khiển PD để điều khiển bánh đà theo nguyên lý con quay hồi chuyển để duy trì cân bằng cho robot hai bánh. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng minh robot có thể duy trì cân bằng trong thời gian dài cũng như chịu tác động mạnh của ngoại lực.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Robot hai bánh trước sau được biết đến nhiều nhất được gọi là Mutara boy robot. được phát triển bởi một công ty của Nhật Bản. Robot điều khiển cân bằng nhờ bánh đà gắn trên lưng của robot
Hình 1.20 Murata Boy Robot
1.2.2.4. Điều khiển kết hợp
Trong một số nghiên cứu gần đây thì xuất hiện các đề xuất và mô hình kết hợp các phương pháp trên trong cùng một robot, cụ thể là sự kết hợp giữa phương pháp thay đổi trọng tâm trọng lực và phương pháp bánh đà hoặc phương pháp dùng lực ly tâm.
Bảng 1.4 Các nghiên cứu về robot hai bánh sử dụng điều khiển kết hợp Tài liệu
tham khảo
Năm Vấn đề nghiên cứu Kết quả
[15] 2009 Điều khiển cân bằng và quỹ đạo chuyển động
Mô phỏng và thực nghiệm [16] 2009 Điều khiển cân bằng và quỹ đạo Mô phỏng và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
chuyển động thực nghiệm
[17] 2010 Điều khiển cân bằng và quỹ đạo chuyển động
Mô phỏng và thực nghiệm [18] 2010 Điều khiển cân bằng và quỹ đạo
chuyển động
Mô phỏng và thực nghiệm [13-14] 2011 Điều khiển cân bằng và quỹ đạo
chuyển động
Mô phỏng và thực nghiệm [21] 2012 Điều khiển cân bằng và quỹ đạo
chuyển động
Mô phỏng và thực nghiệm