2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.4Hệ thống điều khiển thực robot hai bánh tự cân bằng
Tác giả thực hiện điều khiển thực robot hai bánh tự cân bằng với các thiết bị thí nghiệm gồm:
- Máy tính PC kết nối trực tiếp với Adruno trên phần mềm Matlab - Simulink - Mô hình xe hai bánh tự cân bằng
Trình tự thí nghiệm: Tác giả viết chương trình giao tiếp giữa phần mềm Matlab – Simulink với Adruno, sau đó thực nghiệm kết quả đã thiết kế ở Mục 3.3 trên sơ đồ Simulink kết nối trực tiếp với xe hai bánh tự cân bằng, kết quả thu được như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.5 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh tự cân bằng khi có nhiễu
Hình 3.6 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh tự cân bằng khi thay đổi tải lệch tâm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Nhận xét: Hệ thống điều khiển robot hai bánh tự cân bằng có khả năng cân bằng khi không mang tải, khi có nhiễm tác động và cả khi mang tải lệch tâm. Kết quả này chứng minh tính đúng đắn của việc thiết kế hệ thống điều khiển theo kỹ thuật không gian trạng thái.
3.5. Kết luận chƣơng 3
Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot được thiết kế theo kỹ thuật không gian trạng thái trên Matlab – Simulink cho chất lượng tốt: hệ không có sai lệch tĩnh, thời gian quá độ nhỏ, không có quá điều chỉnh.
Áp dụng bộ điều khiển được thiết kế vào mô hình robot hai bánh tự cân bằng cho kết quả điều khiển thực tốt: robot hai bánh tự cân bằng có khả năng cân bằng khi không mang tải, khi có nhiễm tác động và cả khi mang tải lệch tâm. Kết quả này chứng minh tính đúng đắn của việc thiết kế hệ thống điều khiển theo kỹ thuật không gian trạng thái.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
A. Kết luận
Luận văn đã nghiên cứu và giải quyết được những nội dung sau:
1. Nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng là một hướng nghiên cứu đang phát triển rất mạnh. Robot hai bánh có thể sử dụng thay con người trong thăm dò, … Hoặc 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 thiết kế tốt thì khi va chạm nó chỉ 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 ứng dụng rất lớn.
2. Qua phân tích các mô hình robot hai bánh tự cân bằng tác giả nhận thấy: mô hình robot sử dụng bánh đà là phù hợp nhất cho robot hai bánh trước sau tự cân bằng: Mô hình robot này đảm bảo robot có thể đứng yên cả khi không chuyển động và do không cần sử dụng đối trọng nên khối lượng robot giảm. 3. Xây dựng mô hình robot hai bánh trước sau dựa trên định luật bảo toàn động lượng có cơ sở là: Nếu không có một mô men xoắn (mô men lực) bên ngoài nào tác động lên một đối tượng hay hệ thống (hoặc tổng mô men xoắn - mô men lực) tác động vào một đối tượng bằng không) thì tổng mômen động lượng của đối tượng đó sẽ được bảo toàn. Robot hai bánh tự cân bằng trang bị một bánh đà và sử dụng bánh đã để duy trì cân bằng của robot. Một động cơ tạo ra mô men xoắn cho bánh đà và do đó gây ra một mô mem xoắn tương ứng tác động lên robot theo chiều ngược lại mô men này dùng để cân bằng với mômen do trọng lực của robot tạo ra. Để điều khiển gia tốc của bành đà, ta sử dụng một động cơ một chiều DC với điện áp đặt lên động cơ là U, khi này ta đưa bài toán điều khiển cân bằng robot về bài toán điều khiển góc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
nghiêng của robot (đầu ra) bằng cách điều khiển điện áp U (đầu vào) đặt lên động cơ DC. Nhiệm vụ đặt ra là phải thiết kế một bộ điều khiển để giữ cho robot cân bằng tức là giữ cho góc (đầu ra) bằng không. Một hệ thống điều khiển tiến lùi cũng được xây dựng trên robot để đảm bảo robot có thể tiến lùi theo đường thẳng.
4. Hệ thống điều khiển cân bằng robot được thiết kế theo phương pháp áp đặt điểm cực trong không gian trạng thái cho kết quả mô phỏng trên Matlab – Simulink tốt: hệ không có sai lệch tĩnh, thời gian quá độ nhỏ, không có quá điều chỉnh.
5. Kết quả mô phỏng thực trên mô hình robot hai bánh cho thấy : Hệ thống điều khiển robot hai bánh tự cân bằng có khả năng cân bằng khi không mang tải, khi có nhiễm tác động và cả khi mang tải lệch tâm. Kết quả này chứng minh tính đúng đắn của việc thiết kế mô hình cơ khí của robot và thiết kế hệ thống điều khiển theo kỹ thuật không gian trạng thái.
B. Kiến nghị
1. Cần phải thử nghiệm mô hình robot hai bánh tự cân bằng trong nhiều điều kiện hơn nữa để kiểm tra khả năng ổn định của hệ thống điều khiển.
2. Cần phát triển bài toán robot hai bánh tự cân bằng để robot có thể chuyển động theo nhiều hướng khác nhau ngoài hướng đi thẳng hiện nay.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Beznos, A.V.; Formalsky, A.M.; et al. (1998). “Control of autonomous
motion of two-wheel bicycle with gyroscopic stabilization” In: Proceedings
of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 2670-2675.
[2] Bui Trung Thanh, Manukid Parnichkun (2008). “Balancing control of
Bycirobo by PSO-based structure-specified mixed H2/H∞ control.” International
Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 5(4), pp. 395-402. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
[3] Bui Trung Thanh, Manukid Parnichkun, Le Chi Hieu (2009). “Structure- specified H∞ loop shaping control for balancing of bicycle robots”: A particle swarm optimization approach. Innovative Production Machines and System Conference.
[4] Dag Christian Ånnestad, “Autonomous Bicycle: The First Self Balanced
Ride” Master of Science in Engineering Cybernetics, September 2011
[5] Gallaspy, J.M. (1999). “Gyroscopic stabilization of an unmanned bicycle” M.Sc Thesis, Auburn University, American.
[6] Getz, N.H. & Marsden, J.E. (1995). “Control for an autonomous bicycle”. In: Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1397-1402.
[7] Guo, L.; Liao, Q. & Wei, S. (2006). “Design of fuzzy sliding-mode controller
for bicycle robot nonlinear system”. In: Proceedings of the IEEE International
Conference on Robotics and Biometrics, pp. 176-180.
[8] Ham, W. & and Choi, H. (2006). “Autonomous tracking control and inverse
kinematics of unmanned electric bicycle system”. SICE-ICASE International Joint Conference, pp. 336-339.
[9] Yavin, Y. (1998). “Navigation and control of the motion of a riderless bicycle”. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
[10] Yavin, Y. (1999). “Stabilization and control of the motion of an autonomous
bicycle by using a rotor for the tilting moment”. Computer Methods in
Applied Mechanics and Engineering, Vol. 178(3-4), pp. 233-243.
[11] Yavin, Y. (2005). “Point to point and collision avoidance control of the
motion of an autonomous bicycle”. Computers and Mathematics with
Applications. Vol. 50(10-12), pp.1525 – 1542.
[12] Iuchi, K.; Niki, H. & Muratami, T. (2005). “Attitude control of bicycle motion by steering angle and variable COG control”. In: Proceedings of
the Industrial Electronics Conference, pp. 2065-2070.
[13] Kawaguchi, M. ; Yamakita, M., “Stabilizing of bike robot with variable configured balancer”, SICE Annual Conference (SICE), 2011
Proceedings of , pp 1057 – 1062 3018-3023. IEEE, (2011)
[14] Keo, L.; Yoshino, K.; Kawaguchi, M.; Yamakita, M., “Experimental results for stabilizing of a bicycle with a flywheel balancer”, Robotics and
Automation (ICRA), 2011 IEEE International Conference on, pp 6150 – 6155 [15] Keo, L. and M. Yamakita, “Controller Design of an Autonomous Bicycle
with Both Steering and Balancer Controls," IEEE Multi-conference on
Systems and Control., pp. 1294-1299, 2009.
[16] Keo, L. and M. Yamakita, “Controlling Balancer and Steering for Bicycle Stabilization," IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems.,
pp. 4541-4546, 2009.
[17] Keo, L. and M. Yamakita, “Control of an Unmanned Electric Bicycle with Flywheel Balancer", Transaction of the Japan Society for Simulation
Technology, 2(2010), pp. 32-38. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
[18] Keo, L. and M. Yamakita, “Dynamic Model of a Bicycle with a Balancer
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Symposium on the Dynamics and Control of Single Track Vehicles, 20– 22 October 2010, Delft, The Netherlands
[19] Lenskii A.V. & Formalskii A.M. (2003). Two-wheel robot-bicycle with a gyroscopic stabilizer. Journal of Computer and Systems Sciences International, Vol. 42(3), pp. 482-489.
[20] Lee, S. & Ham, W. (2002). Self-stabilizing strategy in tracking control of
unmanned electric bicycle with mass balance. In: Proceedigns of the IEEE
International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 2200-2205. [21] Noda. Y, Sumioka. T, Yamakita. M, “An application of fast MPC for bike
robot”, SICE Annual Conference (SICE), 2012 Proceedings of, pp 540 - 545
[22] Pom Yuan Lam, Design and Development of a Self-Balancing Bicycle Using Control Moment Gyro, thesis, 2013
[23] Suprapto, S. (2006). “Development of a gyroscopic unmanned bicycle” M.Eng Thesis, Asian Institute of Technology, Thailand.
[24] Suryanarayanan, S.; Tomizuka, M. & Weaver, M. (2002). “System dynamics
and control of bicycles at high speeds”. In: Proceedings of the American Control Conference, pp. 845-850.
[25] Tanaka, Y. & Murakami, T. (2004). “Self sustaining bicycle robot with
steering controller”. In: Proceedings of International Workshop on
Advanced Motion Control, pp. 193-197.
[26] Yamakita, M.; Utano, A. & Sekiguchi, K. (2006). “Experimental study of automatic control of bicycle with balancer”. In: Proceedings of the
International Conference of Intelligent Robots and Systems, pp. 5606-5611. [27] Yizhai Zhang, Jingliang Li, Jingang Yi, and Dezhen Song “Balance
control and analysis of stationary riderless motorcycles”. Robotics and
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
TÀI LIỆU THAM KHẢO TRÊN WEB
[28] http://www.geology.smu.edu/ dpa-www/robo/nbot/index.html [29] ] http://www.tlb.org/scoorter.html [30] http://lewww. epfl.ch/joe [31] http://www.fusionglobal.net/gallery.html [32] http://www.barello.net/gallery.html [33] http://www.wulabs.org/bbot.html [34] http://homepage.mac.com/sigfgpe/Robotics/equibot.html [35] http://web.mit.edu/sanghyuk/www/balance_bot.html [36] http://home.earthlink.net/ botronics/index/balibot.html [37] http://www.segway.com