Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Điều khiển robot 1 bánh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

-----------------------

NGUYỄN XUÂN TIÊN

ĐI U

HI N RO OT

NH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : ỹ Thuật Cơ Điện t
Mã số ngành: 60 52 01 14

TP. HỒ CHÍ MINH, 30 tháng 12 năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

NGUYỄN XUÂN TIÊN

ĐIỀU KHIỂN RO OT

NH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện t
Mã số ngành: 60 52 01 14

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH. H Đ L
TS. N u n Th nh Ph ơn

TP. HỒ CHÍ MINH, ngày 30 tháng 12 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
RƯỜ G ĐẠI HỌC CƠ G GHỆ

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

HCM

PGS.TSKH. H Đ
TS.

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 25 tháng 01 năm 2014
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS.

ô Cao C

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. V H

Duy

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
Ch t ch

1. PGS.TS.
2.TS.

ôC

3.TS.

H

C

Phản biện 2
H

4.TS.
5.TS.

Phản biện 1

H

y vi n
y vi n Thư k

Xác nhận c a Ch t ch Hội đồng đánh giá luận văn và hoa quản l chuy n
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Ch t ch Hội đồng đánh giá LV

PGS.TS.

Quản l chuy n ngành


TRƯỜNG ĐẠI H C CƠNG NGHỆ TP. HCM
HỊ G
KH - Đ ĐH

CỘ G HÒA XÃ HỘI CHỦ GHĨA IỆ
Đ lập - ự d - Hạ p ú

AM

TP. HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2013

HIỆM Ụ UẬ
Họ t n học vi n:

GUYỄ XUÂ

Ă

IÊ

HẠC Ĩ
Giới tính: Nam

Ngày tháng năm sinh: 19/06/1965

Nơi sinh: Hu

Chuy n ngành:

MSHV: 1241840018

ỹ Thuật Cơ Điện tử

I- Ê ĐỀ ÀI:

ĐIỀU KHIỂ R

H

II- HIỆM Ụ À ỘI U G:
-

Nghi n cứu l thuy t điều khiển hồi ti p tuy n tính hố, điều khiển LQR

-

Áp dụng phương pháp điều khiển hổi ti p tuy n tính hố điều khiển LQR
điều khiển hệ robot một bánh t c n b ng

-

Mô phỏng k t quả điều khiển đối tượng tr n Matlab\Simulink

-

Kiểm chứng k t quả mô phỏng b ng th c nghiệm điều khiển đối tượng th c

III- GÀY GIA

HIỆM Ụ: 12/06/2013

IV- GÀY H À

HÀ H HIỆM Ụ: 30/12/2013

V- C

Ộ HƯỚ G Ẫ :

PGS.TSKH. H Đ
TS.

Cán bộ hướng dẫn khoa học

PGS.TSKH. H Đ

Quản l chuy n ngành

TS.


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan r n

u n v n v i n i dun

”

là cơn trình n hiên cứu của riên tôi dư i sự hư n dẫn của PGS.TSKH. Hồ Đắc
c và TS. N uyễn Thanh Phươn .
Tôi xin cam đoan r n mọi sự iúp đỡ cho việc thực hiện u n v n này đã
được cảm ơn và các thơn tin trích dẫn tron

u n v n đã được chỉ rõ n uồn ốc

Các số liệu, kết quả nêu tron lu n v n là trun thực, có n uồn trích dẫn và chưa
t n được ai cơn bố tron b t cứ cơn trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, n ày 30 thán 12 n m 2013

Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Xuân Tiên


ii

LỜI CÁM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn, tuy gặp nhiều khó khăn nhưng nhờ sự hướng
dẫn tận tình của Th y P

T

c

c, Th y TS guy n Thanh hư ng, tơi

đã hồn thành luận văn đúng thời gian quy định

ể hồn thành cuốn luận văn này tơi

xin bày tỏ lòng biết n sâu s c đối với Th y PGS.TSKH.

c

c, Th y TS guy n

Thanh hư ng, Th y là người tận tâm hết lịng vì học viên, hướng dẫn nhiệt tình và
cung cấp cho tơi những tài liệu vô cùng quý giá trong thời gian thực hiện luận văn
Xin chân thành cám n tập thể th y cơ giáo trường

ại học Cơng ghệ T

Chí Minh, đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi, giúp tôi học tập và nghiên cứu
trong quá trình học cao học tại trường
Xin chân thành cảm n Ban giám hiệu, hòng quản lý Khoa học đại học cùng các phòng ban của trường

ại học Cơng

ghệ T

ào tạo sau

Chí Minh, đã

giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trong q trình học tập và làm luận văn cao học
tại trường
Xin chân thành cảm n các anh, chị đ ng nghiệp đã hỗ trợ giúp đỡ cho tơi trong
q trình thực hiện luận văn
Xin chân thành cảm n các bạn học viên lớp cao học chuyên ngành “ ỹ thuật C
iện t -12SC 11” đã đóng góp ý kiến cho tơi trong q trình thực hiện luận văn này
TP. Hồ Chí Minh, n ày 30 thán 12 n m 2013
Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Xuân Tiên


iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

iện nay obot đã được ứng d ng ph biến trong sản xuất công nghiệp

obot

m t bánh tự cân b ng được gọi là Ballbot đã được các nhà khoa học nghiên cứu đưa
vào ứng d ng trong m t số l nh vực Do sự năng đ ng của nó, m t robot m t bánh cao
và hẹp có thể trở thành m t ứng c viên lý tưởng cho robot di đ ng cá nhân

ó có thể

hoạt đ ng như m t robot dịch v hiệu quả tại nhà và văn phịng Do đó, robot m t bánh
sẽ có m t loạt các ứng d ng trong ngành cơng nghiệp giải trí bao g m cả đ ch i
uận văn này tôi đi sâu vào nghiên cứu khái quát về hệ robot m t bánh tự cân
b ng , nghiên cứu về mặt lý thuyết điều khiển hệ robot m t bánh tự cân b ng thông
qua phư ng pháp điều khiển h i tiếp tuyến tính hóa, phư ng pháp điều khiển LQR,
thuật tốn b lọc Kalman rời rạc và tiến hành mô phỏng kiểm tra hệ thống đối với
mỗi b điều khiển

uận văn này nghiên cứu điều khiển ph n cứng chủ yếu dựa vào

vi điều khiển ATmega 328 là dạng chip 28 chân và ph n mềm ngơn ngữ lập trình
dựa trên ngơn ngữ C++ , nh m m c đích giám sát và điều khiển hệ robot m t bánh để
có thể n định thăng b ng và di chuyển không bị t ngã
uận văn này tập trung chủ yếu xây dựng mơ hình thực nghiệm robot m t bánh
tự cân b ng như m t robot m t bánh thực tế bao g m thi công thực nghiệm ph n
cứng bao g m : C cấu b lái quả bóng và chọn lựa quả bóng; Mạch cảm biến;
Mạch vi điều khiển; Mạch ngu n; Mạch công suất điều khiển đ ng c và khung
ph n thân robot

ng thời tiến hành viết chư ng trình điều khiển để điều khiển mơ

hình thực nghiệm hệ robot m t bánh giữ được n định thăng b ng và di chuyển
theo mong muốn
Thông qua luận văn này, tôi c ng hy vọng sẽ cung cấp m t mơ hình thực
nghiệm hệ robot m t bánh tự cân b ng và m t số kiến thức hữu ích cho các kỹ sư,
sinh viên v v… đang học tập và nghiên cứu về hệ thống robot


iv

ABSTRACT

Nowadays, robot has been applying popularly in production industry. A selfbalancing ball robot called ballbot is used by scientists in a number of fields. Due to its
dynamic, a tall and thin ballbot could become an ideal candidate for personal mobile
robot. It can be operated efficiently as a serviced robot at home and in offices.
Therefore, ballbot would have various applications in the entertainment industry,
including toys.
My thesis studies deeply the general of a self-balancing ball robot system.
Studying about control theory of a self-balancing ball robot system via linearised
feedback methods, the ways to control the Linear quadra regulator, unconnected
Kalman filter algorithm and to conduct simulation system inspection for each
controller.This thesis studies the hardware drivers mtic reainly based on ATmega
328 micro-controller, is a 28-pins micro chip, and C++ programing language software.
Aiming to monitor and control one-ball robot system in order to stablize balancing and
move robot without being falling.
This thesis focuses mainly to build a self- balancing ball robot model as a
practical ball robot covering hardware experimental execution including : balloon
driver and balloon selection structure; sensor circuit; micro-controller circuit; power
circuit, motor power rating circuit and robot meromorphic. At the same time,
conducting controlling program in order to controll experimental model of one-ball
robot system, keeping balance stability and moving as expecting.
Through this thesis, I also hope to provide some experimental models of a selfbalancing ball robot system and other useful knowledge for students, engineers ..etc.
who are studing and doing research about ballbot systems.


v

MỤC LỤC

Tên đề mục

Trang

ời cam đoan ............................................................................................................... i
ời cảm n ...................................................................................................................ii
Tóm t t luận văn ......................................................................................................... iii
Abstract ....................................................................................................................... iv
M c l c .........................................................................................................................v
Danh m c các từ viết t t ............................................................................................. ix
Danh m c các bảng biểu .............................................................................................x
Danh m c các s đ , hình ảnh ................................................................................... xi
Chƣơng 1: T ng qu n về hƣ ng nghiên c u .........................................................1
1.1.

ặt vấn đề ........................................................................................................1

1.2.

Thế nào là robot m t bánh tự cân b ng ..........................................................1

1.3.

Tính cấp thiết của đề tài, ý ngh a khoa học và thực ti n của đề tài ..............2

1.4.

Tình hình nghiên cứu và nhu c u thực tế ........................................................3

1.5.

M c đích nghiên cứu , khách thể , đối tượng nghiên cứu ..............................8

1.6.

hiệm v nghiên cứu và giới hạn của đề tài...................................................8

1.6.1.

hiệm v nghiên cứu......................................................................... 8

1.6.2.

iới hạn của đề tài ............................................................................. 9

1.7.

hư ng pháp nghiên cứu .................................................................................9

1.8.

i dung luận văn ............................................................................................9


vi

Chƣơng 2: Mơ hình hó to n học hệ ro ot m t
2.1.

nh ................................... 11

Mơ hình đ n giản hóa robot m t bánh .................................................... 11

2.1.1.

Các giả định ...................................................................................... 11

2.1.2.

hư ng pháp Euler- Lagrange .......................................................... 11

2.1.3.

Tham số vật lý .................................................................................. 14

2.1.4.

Các quan hệ tọa đ ............................................................................ 15

2 1 4 1 ối với quả bóng ........................................................................... 15
2 1 4 2 ối với thân robot ......................................................................... 16
2 1 4 3 ối với đ ng c ............................................................................. 16
2.2.

hư ng trình Lagrange –Euler .............................................................. 16

2.3.

hảo sát đặc tính phi tuyến ..................................................................... 18

2.4.

Tuyến tính hóa ......................................................................................... 21

2.5.

hư ng trình trạng thái đ y đủ ................................................................ 23

2.6.

ết luận ................................................................................................... 23

Chƣơng 3: Thiết kế
3.1

điều khiển .................................................................. 25

Xây dựng b điều khiển tồn phư ng tuyến tính

....................... 25

3.1.1.

Mơ hình khơng gian trạng thái tuyến tính ........................................ 25

3.1.2.

Tính tốn đ lợi của b điều khiển ................................................... 27

3.1.3.

Mô phỏng kiểm tra hệ thống ............................................................. 28

3.2.

Xây dựng b điều khiển h i tiếp tuyến tính hóa

TTT

.................... 33

3.2.1.

Cấu trúc và nhiệm v điều khiển ..................................................... 33

3.2.2.

Tuyến tính hóa hệ thống b ng h i tiếp ............................................. 33


vii

3.2.3.
3.3.

Mô phỏng kiểm tra hệ thống ............................................................. 34

Xây dựng b điều khiển HTTTH kết hợp LQR ................................... 38

3.3.1

đ mô phỏng điều khiển TTT – LQR .................................. 38

3.3.2

Mô phỏng kiểm tra hệ thống khi khơng có tín hiệu nhi u ........... 39

3.3.3

Mơ phỏng kiểm tra hệ thống khi có tín hiệu nhi u ...................... 41

3.4.

ết luận .................................................................................................... 44

Chƣơng 4: Mơ hình thực nghiệm- Kết q ................................................... 45
Mơ hình thực nghiệm ............................................................................. 45

4.1

4.1.1. Thiết kế mơ hình 3D ......................................................................... 45
4.1.2. Thiết kế mơ hình thực nghiệm ......................................................... 46
4.2.

Mạch điều khiển trung tâm...................................................................... 46

4.2.1. Mạch ngu n ...................................................................................... 47
4.2.2. Mạch vi điều khiển Tmega 328 ..................................................... 48
4.2.3. Mạch công suất điều khiển đ ng c .................................................. 49
4.3.

ưu đ giải thuật hệ thống trên vi điều khiển ......................................... 49

4.4.

Chư ng trình điều khiển............................................................................. 50

4.5.

ết quả .................................................................................................. 51

Chƣơng 5 : Kết luận và hƣ ng nghiên c u ph t triển.................................. 52
5.1

ết quả đạt được ..................................................................................... 52

5.2

ạn chế.................................................................................................... 53

5.3

ướng phát triển ..................................................................................... 53

T I LI U THAM KH O .............................................................................. 54


viii

PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Tài liệu liên quan hệ robot m t bánh bao g m

phư ng trình chuyển đ ng, thiết kế mơ hình c khí và c chế lái bóng .............. 56
Phụ lục 2: ý thuyết h i tiếp tuyến tính hóa và b lọc Kalman ........................... 72
Phụ lục 3: Chư ng trình m file chạy trên Matlab\Simulink điều khiển b ng
phư ng pháp điều khiển

.............................................................................. 81

Phụ lục 4: Chư ng trình vi điều khiển V

Tmega 328) ................................ 84


ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
- CMU- Carnegie Mellon University: Ballbot ại học Carnegie Mellon- oa k
- TGU- Tohoku Gakuin University: Ballbot ại học Tohoku akuin- hật bản
- ETH - Ballbot Rezero Viện Công ghệ liên bang -Th y ỹ
- CWWU- M t đề xuất b lái bóng kết hợp 4 bánh xe
của wu và wang ,2

mni và bánh c u đ n vị

8

- DC - Direct current : Dòng điện m t chiều
- LQR - Linear quadratic regulators : Ổn định tuyến tính bậc hai
-

TTT :

i tiếp tuyến tính hóa


x

DANH MỤC CÁC B NG BIỂU
Trang
Bảng 1 1: Bảng thông số kỹ thuật của các hệ robot m t bánh đã t n tại

7

Bảng 2.1: Bảng t ng quát quan hệ tọa đ của quả bóng

15

Bảng 2.2: Bảng t ng quát quan hệ tọa đ của thân robot

16

Bảng 2.3: Bảng t ng quát quan hệ tọa đ của đ ng c

16


xi

DANH MỤC CÁC LƢU ĐỒ, HÌNH NH
Trang
ình 1 1: Xe vận tải đ n người seway

3

ình 1 2: Ballbot của CMU năm 2

6

4

ình 1 3: Ballbot của T U năm 2

8

5

ình 1 4: Ballbot LEGO –NXT của Yorihisa Yamamoto năm 2

9

ình 1.5: Ballbot Rezero- ET Zurich, witzerland năm 2 1

6
8

ình 2 1: Mơ hình đ n giản hóa hệ robot m t bánh theo m t mặt ph ng

12

ình 2 2: Mơ hình phi tuyến hệ robot m t bánh

18

ình 2 3: óc nghiêng thân robot

19

ình 2 4 : Vận tốc góc nghiêng thân robot

19

ình 2.5: óc nghiên đ ng c

19

ình 2 6: Vận tốc góc nghiên đ ng c

20

ình 2 7: óc nghiên thân robot

20

ình 2 8: Vận tốc góc nghiên thân robot

20

ình 2 9: óc nghiên đ ng c

21

ình 2 1 : Vận tốc góc nghiên đ ng c

21

ình 3 1:

28

đ mơ phỏng hệ robot m t bánh dùng giải thuật

ình 3 2: óc nghiêng và vận tốc góc nghiên thân robot theo tr c X

28

ình 3 3: óc nghiêng và vận tốc góc nghiên của đ ng c robot theo tr c X

29

ình 3 4: Tín hiệu điều khiển theo tr c X

29

ình 3 5: óc nghiên và vận tốc góc nghiên thân robot theo tr c X

30

ình 3 6: óc nghiên và vận tốc góc nghiên của đ ng c robot theo tr c X

30

ình 3 7: Tín hiệu điều khiển theo tr c X

31

ình 3 8: óc nghiêng và vận tốc góc nghiên thân robot theo tr c X

31

ình 3 9: óc nghiêng và vận tốc góc nghiên của đ ng c robot theo tr c X

32

ình 3 1 : Tín hiệu điều khiển theo tr c X

32

ình 3 11:

35

đ mơ phỏng tuyến tính hóa hệ thống b ng h i tiếp


xii

ình 3 12: áp ứng với ngõ vào hàm nấc của hệ thống so với hệ 1/s2

35

ình 3 13: óc nghiên thân robot so với đáp ứng ngõ vào hàm nấc

36

ình 3 14: iện áp điều khiển Vx với đáp ứng ngõ vào hàm nấc

36

ình 3 15: áp ứng với ngõ vào sóng sin của hệ thống so với hệ 1/s2

37

ình 3 16: óc nghiên thân robot so với đáp ứng ngõ vào sóng sin

37

ình 3 17: iện áp điều khiển Vx với ngõ vào sóng sin

38

ình 3 18:

38

đ mơ phỏng điều khiển

ình 3 19: Tín hiệu điều khiển

39

ình 3 2 : óc nghiên và vận tốc góc nghiên thân robot theo tr c X

39

ình 3 21: óc nghiên và vận tốc góc nghiên đ ng c

40

theo tr c X

ình 3 22: óc nghiên và vận tốc góc nghiên thân robot theo tr c Y

40

ình 3 23: óc nghiên và vận tốc góc nghiên đ ng c

41

theo tr c Y

ình 3 24 : Tín hiệu điều khiển

41

ình 3 25: óc nghiên và vận tốc góc nghiên thân robot theo tr c X

42

Hình 3.26 : óc nghiên và vận tốc góc nghiên đ ng c

theo tr c X

42

ình 3.27 : óc nghiên và vận tốc góc nghiên thân robot theo tr c Y

43

ình 3.28 : óc nghiên và vận tốc góc nghiên đ ng c

43

theo tr c Y

ình 4 1: Hệ robot m t bánh 3D

45

ình 4 2: C chế b lái bóng hệ robot m t bánh 3D

45

ình 4 3:

46

ệ robot m t bánh thực nghiệm

ình 4 4: C chế lái bóng mơ hình thực nghiệm

46

ình 4.5:

đ khối hệ robot m t bánh

47

ình 4 6:

đ khối mạch ngu n 5V

47

ình 4 7:

đ khối mạch vi điều khiển Atmega 328

48

ình 4 8: Mạch vi điều khiển Atmega 328

48

ình 4 9:

49

đ khối mạch cơng suất điều khiển đ ng c

ình 4 1 : Mạch cơng suất điều khiển đ ng c

49

ình 4 11: ưu đ giải thuật hệ robot m t bánh trên vi điều khiển

50


1

Chương 1
T N

QU N V

N

N

NC U

n

1.1.

Ngày nay, robot đóng vai trị rất quan trọng trong sự phát triển của lồi người.
Trong khoa học kỹ thuật, robot hỗ trợ con người thực hiện những nhiệm vụ nguy
hiểm như dị mìn, thăm dò dưới đại dương, thám hiểm vệ tinh, hoạt động qn sự...
Ngồi ra, robot cịn hỗ trợ con người trong đời sống hằng ngày như robot Asimo hỗ
trợ người già qua đường, chăm sóc em bé, như robot thổi kèn của Toyota phục vụ

cho việc giải trí. Có thể thấy được trong các ứng dụng này, việc nghiên cứu cách
thức di chuyển của robot là vô cùng quan trọng , nó quyết định đến chức năng và
tính ưu việc trong quá trình hoạt động. Gần đây, một số loại robot hai bánh cũng
phát triển mạnh, robot hai bánh này ứng dụng cho việc hỗ trợ di chuyển trong siêu
thị, văn phịng, và trường học.
Từ các cách thức di chuyển thơng thường của mobile robot hai bánh, ba bánh,
bốn bánh ho c robot bước kiểu chân người …, nếu khơng tính đến u cầu đ t thù
của mơi trường ta có thể thấy được một số nhược điểm như: không linh hoạt trong
việc xoay và chuyển hướng do bán kính xoay lớn, chiếm khá nhiều diện tích sử
dụng…Từ đó đề xuất và nghiên cứu phương thức di chuyển bằng một bánh xe hình
cầu… ví dụ, một quả bóng) dựa trên ngun lý cân bằng như một con lắc ngược.
Đây chính là ý tưởng cho đề tài luận văn này. Phạm vi của luận văn là giải quyết bài
toán điều khiển hệ robot một bánh tự cân bằng ổn định.
1.2. Th n

nh

n

ng

Khái niệm về robot một bánh thì khá đơn giản, nó bao gồm một quả bóng và
một robot đứng giữ thăng bằng trên quả bóng. Các hệ robot một bánh có thể cân
bằng lái bóng làm cho nó di chuyển. Hệ robot một bánh tự cân bằng được gọi là
Ballbot) là một hệ robot trong đó sử dụng các khái niệm về sự ổn định động lực học
đứng thẳng và cân bằng trên quả bóng. Điều này liên quan đến việc sử dụng lý
thuyết điều khiển để di chuyển bóng và cân bằng, hơn là dựa vào trọng lực. Do đó


2

bóng s hoạt động như những bánh xe hình cầu, cho phép các robot di chuyển theo
một vài hướng. Trái ngược với robot truyền thống, hệ robot một bánh dựa vào trọng
tâm của một khối và dựa trên bánh xe để cân bằng và các hệ robot một bánh có thể
di chuyển dọc theo m t nghiêng và lái bóng mà nó khơng bị đổ.
1.3. T nh

hi

i

ngh

h

h

h

i n

i

Con người đã mơ ước từ lâu về các trợ lý người máy cá nhân, tạo ra để thực
hiện mọi nhiệm vụ của mình. Một trong những yêu cầu như vậy là tạo ra các robot
có kích thước và hình dạng tương tự như một con người. Nhiều robot hiện nay có
liên quan đến việc sử dụng hai, ba ho c bốn bánh xe, thiết lập bánh xe cơ sở đủ lớn
để robot có thể đứng thẳng đứng. Tuy nhiên, dựa vào kích thước của bánh xe cơ sở
làm giới hạn việc thực hiện của các robot, như là bánh xe cơ sở phải được nhỏ hơn
đáng kể so với chiều cao hình dạng giống như con người. Vì vậy, chỉ có một thay
đổi nhỏ ở vị trí trọng tâm là đủ để làm cho robot trở nên không ổn định. Điều này có

thể được sửa chữa bằng cách hạ thấp trọng tâm của robot để giảm sự bất ổn định
này. Tuy nhiên, việc sửa chữa này thường đi kèm với chi phí đáng kể được thêm
vào robot. Ngoài ra, do sự bất ổn định của robot, nên tốc độ của nó có thể di
chuyển thường bị hạn chế vì qn tính của robot làm cho nó lật.
Ngồi ra, nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển để nâng cao chất lượng của
các hệ thống robot cịn có liên quan đến chương trình giáo dục của sinh viên học sinh
hiện nay vì sự th vị của nó và đang là vấn đề được các nhà khoa học quan tâm. Trong
thực tế không tránh khỏi tác động của các tín hiệu nhiểu, nên bài tốn ổn định
chuyển động có ý ngh a rất quan trọng về m t lý thuyết cũng như về m t thực ti n.
Chính vì điều đó mà nhiều nhà cơ học và nhà toán học lỗi lạc đã tập trung nghiên
cứu vấn đề này.

ơn thế nữa, việc nghiên cứu robot có thể di chuyển trong các địa

hình hẹp là cần thiết, đ c biệt là trong các thành phố lớn đang được các trường đại
học lớn trên thế giới quan tâm.
Một giải pháp chính đáng cho vấn đề này về sự phát triển trong các dự án
ballbot là nghiên cứu về động lực học ổn định. Đó là lý thuyết điều khiển được sử
dụng để đảm bảo rằng robot chỉ đứng thẳng đứng mà không cần dựa vào sự ổn định


3
t nh. Vấn đề ổn định động lực học đã được sử dụng nổi tiếng nhất trên robot hai
bánh tự cân bằng Segway trong những năm gần đây hình 1.1)

nh 1 1: X

n

i ơn ngư i -Segway

ơn nữa việc kiểm tra và sửa đổi bộ điều khiển cho hệ robot một bánh s rất
cần thiết được thực hiện để đạt được một robot một bánh tự cân bằng và ổn định.
Khi đạt được mục đích này, bộ điều khiển cho hệ robot một bánh s được phát triển
thêm để cho phép điều khiển bằng cách sử dụng một bộ điều khiển cầm tay.
Hy vọng rằng với sự phát triển của robot một bánh và công nghệ liên quan,
các robot một bánh tự cân bằng có thể hành động như con người và hỗ trợ được
con người
1.4.

T nh h nh nghi n
Đã có một số

nh

h

dự án robot một bánh với cơ cấu cân bằng trên quả bóng

được xây dựng trong những năm gần đây. Đầu tiên là một hệ robot một bánh sử
dụng một bánh xe duy nhất hình cầu đã được nghiên cứu bởi giáo sư alph

ollis

và cộng sự xây dựng và thử nghiệm tại Đại học Carnegie Mellon University CMU)
của

oa kỳ trong năm 2006 hình 1.2).và được đưa ra tên gọi là Ballbot và một hệ

robot một bánh thứ hai được nghiên cứu bởi giáo sư Masaaki Kumagai và cộng sự

4
xây dựng và thử nghiệm tại Đại học Tohoku

akuin T U) của Nhật bản năm

2008 hình 1.3) tương tự , nhưng sử dụng hệ thống cơ khí phức tạp và có giải pháp
hình dáng thanh lịch hơn
Ballbot CMU có chiều cao và chân giống hình dáng của con người hình 1.2).
iáo sư alph

ollis và cộng sự đã chứng minh được rằng Ballbot CMU rất mạnh

m , có thể xử lý va chạm với các đồ vật trang trí trong nội thất và các bức tường.
ọ cho thấy rằng một loạt các hành vi th vị của robot con người này cũng có thể
được phát triển nếu có sự hoạch định kế hoạch và kiểm soát các thuật toán điều
khiển đối với ballbot CMU.

ọ đồng thời cũng đã chứng minh được khả năng tự

điều hướng và giám sát nhiệm vụ của ballbot CMU. Năm 2010 ballbot CMU được
cấp bằng sáng chế và năm 2011 ballbot CMU được thiết kế gắn thêm hai cánh tay
hai bậc tự do để phục vụ nghiên cứu ứng dụng trong một số l nh vực.

nh 1 2: B

CMU nă

2006

5
Ballbot T U tương tự ballbot CMU với hệ thống cơ khí phức tạp hơn được
iáo sư Masaaki Kumagai và cộng sự nghiên cứu ứng dụng mang vác được vật
n ng và được sử dụng trong giao thông vận tải hình 1.3)

nh 1 3: B

T U nă

2008

Ngồi ra trong suốt quá trình của hai dự án robot một bánh của CMU )và
T U), thì một dự án ballbot ego cũng đã được xây dựng bằng cách sử dụng NXT
ego Mindstorms đã được sản xuất bởi Yorihisa Yamamoto trong năm 200 . Dự án
này nhằm tạo ra hai robot một phiên bản nhỏ được xây dựng có tên gọi là ego
Mind-Kit và một robot một bánh lớn hơn có tên gọi ballbot AU) với kích thước


6
xấp xỉ của một con người để sử dụng làm công cụ giảng dạy và quảng cáo tại Đại
học Adelaide ở Australian hình 1.4).

nh 1 4: B

LE O NXT c

Y ihis Y

nă

2009

Nguồn gốc của phương trình chuyển động hệ thống robot thực hiện bằng
cách sử dụng phương trình Euler-Lagrangian với việc tiếp cận về một mơ hình
robot một bánh đơn giản, từ đây thực hiện tuyến tính hóa các phương trình chuyển
động của hệ thống robot một bánh . Ballbot ego đã xây dựng được hoàn thành, sử
dụng kit Lego Mindstorms NXT với thuật toán điều khiển LQR (Linear Quadratic
egulator) và các bộ ego có sẵn.

ệ robot một bánh sử dụng cơ cấu lái bóng-

chuột máy tính đơn giản, được phát triển bởi auwers et al. 2006), trong đó bóng
được vận hành bởi bánh xe hướng về phía trực giao của quả bóng. Sự phát triển của
robot đứng trên bóng yêu cầu xuất phát từ động lực học, cấu tr c của từng robot
thiết kế và thực hiện bộ điều khiển để ổn định robot.
Thiết kế robot một bánh hoàn chỉnh đang di n ra và được phát triển dựa trên
Ballbot ego. Cụ thể như hệ robot một bánh hoàn chỉnh đã được thiết kế sử dụng


7
bốn động cơ để vận hành quả bóng bằng cách sử dụng các bánh xe omni, được đề
xuất bởi Wu và

wang 200 ), thiết kế này cho phép linh hoạt hơn, chẳng hạn như

khả năng sử dụng những quả bóng có kích thước khác nhau. Đồng thời một bộ điều
khiển robot một bánh cũng đã được phát triển bằng cách sử dụng bộ điều khiển hồi
tiếp trạng thái đầy đủ, dựa trên một bộ điều khiển phát triển bởi Yamamoto (2008)

cho robot hai bánh tự cân bằng. Bộ điều khiển này đã được thực hiện trên Ballbot
ego, nhưng vẫn chưa được thành công trong việc cân bằng robot này.Thông số kỹ
thuật của các hệ robot một bánh đã tồn tại được thống kê theo bảng 2.1
B ng 2 1: B ng h ng s

h

nh

n

i

ih

CMU

TGU

UA

Năm nghiên cứu

2005-2010

2006-2008

2009

Khối lượng robot

45 kg

1 1 kg

34.5 kg

Chiều cao robot

150 cm

50 cm

160 cm

<1 °

<5°

<1 °

<0 . 1 m/s

<0.3 m/s

<0 . 1 m/s

Có

Có

Khơng

LQR/PID

PD

LQRI

óc nghiên tối đa
Tốc độ tối đa
Có xoay quanh
truc của nó khơng
Sử dụng điều khiển

Ngồi ra trong năm 2010, một robot một bánh
được phát triển bởi

ezero - ET

Zurich cũng đã

kỹ sư cơ khí Viện Cơng Nghệ liên bang Thụy Sỹ-ET

kết

hợp với 2 kỹ sư điện Đại học Khoa học ứng dụng Thụy sỹ- Z AW và 3 sinh viên
thiết kế công nghệ của Đại học Nghệ thuật Thụy sỹ- Z dK và đã hoàn thành trong
vịng

tháng . Ballbot ezero-ET cũng tương tự nhưng có những sự cải tiến đáng

kể đ c biệt là kiểu dáng bắt mắt và bộ điều khiển được tối ưu hóa để đảm bảo
chuyển động rất năng động và linh hoạt hình 1.5).


8

nh 1 5: B
1.5.

M

R z

h nghi n

- ET

h h h

Z i h Swi z

nd nă

2010

i ư ng nghi n

Tìm hiểu về hệ robot một bánh tự cân bằng, xây dựng mơ hình tốn học cho hệ

robot một bánh tự cân bằng, thiết kế bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật điều khiển LQR
cho robot một bánh tự cân bằng và mô phỏng trên phần mềm Matlab / Simulink để
kiểm chứng giải thuật đã thiết kế. Thi cơng mơ hình thực nghiệm hệ robot một bánh để
kiểm chứng.
1.6.

Nhi

nghi n

1.6.1 . Nhi m v nghi n
-

gi i h n

i

u

Tìm hiểu kết cấu, cách thức hoạt động , mơ hình tốn học của hệ robot một

bánh.
-

Nghiên cứu lý thuyết điều khiển hồi tiếp tuyến tính hố , điều khiển LQR

và bộ lọc Kalman.
-

Áp dụng phương pháp điều khiển hồi tiếp tuyến tính hố , điều khiển LQR

và bộ lọc Kalman cho đối tượng hệ robot một bánh.
- Mô phỏng kết quả điều khiển đối tượng trên Mat ab /Simulink.


9
- Thi cơng mơ hình thực nghiệm hệ robot một bánh tự cân bằng.
- Kiểm chứng kết quả mô phỏng bằng thực nghiệm điều khiển đối tượng thực.
i

1.6.2. Gi i h n c
-

Đề tài chỉ nghiên cứu hệ thống robot một bánh sử dụng cơ cấu lái bóng-chuột

máy tính đơn giản như của nhóm auwers-2006 ( CMU ballbot).
1.7.

Phương h

nghi n

- Tham khảo tài liệu sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet).
- Mơ hình hóa và mơ phỏng dùng chương trình Matlab/ Simulink.
- Xây dựng mơ hình thực nghiệm.
1.8.

T

n ăn :

Nội dung luận văn gồm các chương sau:
Chương 1: T ng

n hư ng nghi n

u Trình bày một cách khái quát

về hệ robot một bánh tự cân bằng thông qua các khái niệm, các ưu nhược điểm và
tình hình phát triển và nhu cầu thực tế.nghiên cứu trong và ngồi nước Nêu r mục
đích, nhiệm vụ, phương pháp cũng như giới hạn phạm vị nghiên cứu của đề tài liên
quan đến điều khiển hệ robot một bánh tự cân bằng.
Chương 2: M h nh h

nh

h

nh Trình bày các tài

liệu và giả định liên quan mơ hình hóa hệ robot một bánh của phương trình chuyển
động động lực học.Từ đó thiết lập các hệ phương trình trạng thái mơ tả hệ thống
cũng như xét tính ổn định và khảo sát ảnh hưởng đ c tính phi tuyến của hệ thống.
Do hệ thống có độ phi tuyến rất cao, để đơn giản phương pháp xây dựng phương
trình động lực học hệ robot một bánh được tách thành hai m t phẳng độc lập và sự
di chuyển của hệ thống theo trục này s khơng ảnh hưởng đến trục kia.

ua đó

khảo sát đ c tính động lực học của hệ thống để đưa ra nguyên tắc điều khiển hệ

robot một bánh tự cân bằng..
Chương 3: Thi t k b
tuyến tính

i u khi n Trình bày bộ điều khiển tồn phương

để tính tốn độ lợi điều khiển tối ưu . Tiến hành tuyến tính hóa hệ

thống phi tuyến bằng hồi tiếp và xây dựng các bộ điều khiểu LQR cho hệ robot một
bánh sau khi tuyến tính hóa bằng hồi tiếp với mục đích giữ thăng bằng và điều