HUTECH

B GIÁO DC VÀ ÀO TO
TRNG I HC K THUT CÔNG NGH TP.HCM HOÀNG NGUYÊN PHC IU KHIN
ROBOT HAI BÁNH T CÂN BNG
S DNG K THUT IU KHIN TRT
LUN VN THC S
CHUYÊN NGÀNH: THIT B, MNG VÀ NHÀ MÁY IN
MÃ S : 60.52.50 Tp. H Chí Minh, tháng 06 nm 2012
HUTECH

B GIÁO DC VÀ ÀO TO
TRNG I HC K THUT CÔNG NGH TP.HCM


Cán b chm nhn xét 1: PGS. TS. BÙI XUÂN LÂM
Cán b chm nhn xét 2: TS. NG VN HNG
Lun vn Thc s đc bo v ti Trng i hc K thut Công ngh thành ph
H Chí Minh ngày 14 tháng 07 nm 2012.
Thành phn Hi đng đánh giá lun vn Thc s gm:
1. TS. NGUYN HÙNG Ch tch Hi đng
2. PGS.TS. BÙI XUÂN LÂM Phn bin 1
3. TS. NG VN HNG Phn bin 2
4. TS. TRNG VIT ANH y viên
5. TS. H VN HIN Th ký
Xác nhn ca Ch tch Hi đng đánh giá lun vn và Khoa qun lý chuyên ngành
sau khi lun vn đã đc sa cha (nu có).

Ch tch Hi đng đánh giá Lun vn Qun lý chuyên ngành TS. NGUYN HÙNG TS. NGUYN THANH PHNG
HUTECH

TRNG H K THUT CÔNG NGH TP. HCM
PHÒNG QLKH – TSH
CNG HÒA XÃ HI CH NGHA VIT NAM
c lp - T do - Hnh phúc

Tp. H Chí Minh, ngày 15 tháng 09 nm 2011

NHIM V LUN VN THC S
H tên hc viên: HOÀNG NGUYÊN PHC Gii tính: Nam.
Ngày, tháng, nm sinh: 12/04/1970 Ni sinh: Gia đnh.


Hng dn khoa hc Qun lý chuyên ngành PGS. TSKH. H C LC TS. NGUYN THANH PHNG

HUTECH

LI CAM OAN Tôi xin cam đoan rng lun vn vi ni dung:
“iu khin robot hai bánh t cân bng s dng k thut điu khin trt”
là công trình nghiên cu ca riêng tôi, di s hng dn ca PGS.TSKH. H c
Lc và TS. Nguyn Thanh Phng.
Các s liu, kt qu mô phng nêu trong lun vn là trung thc, có ngun
trích dn và cha đc công b trong các công trình nghiên cu khác.
Tp. H Chí Minh, ngày 15 tháng 06 nm 2012

Thc hin HOÀNG NGUYÊN PHC

HUTECH

LI CM N

May mn thay, khi tôi đc bc chân đn i hc K Thut Công Ngh
thành ph H Chí Minh, ni tôi đã đc dìu dt đn bn b tri thc bi nhng

Trình t thit k ca nó là đu tiên chn ra mt trt tha đáp ng vòng kín trong
không gian trng thái và sau đó thit k b điu khin sao cho qu đo h thng
trng thái theo mt trt và  trên nó.
Lun vn trình bày ba vn đ.
Th nht, mô hình toán hc tuyn tính, làm tin đ phát trin h thng điu
khin.
Th hai, k thut điu khin trt đc phát trin đ n đnh và bám theo h
thng.
Sau cùng, mô phng và da vào kt qu đ kim chng gii thut đã điu
khin.
HUTECH

ABSTRACT

Inverted pendulum control problems have been intensively studied due to the
challenging demand of fast and precise performance, where the mechanical
structure can be divided into three main types: One is a pendulum with one degree
of freedom (DOF) mounted on a base rotating around the vertical axis or actuated
by a linear slide.

For achieving high-precision performance the control system for the mobile
inverted pendulum is designed via sliding mode control (SMC) in this thesis. SMC
is a robust control method which generates an input to yield a desired trajectory for
a given system. Its design procedure is to first select a sliding surface that satisfies
the desired closed-loop performance in the state space, and then to design a
controller such that the system state trajectories are forced toward the sliding
surface and stay on it.
This thesis considers the control system design for a mobile inverted
pendulum via sliding mode technique.
Firstly, a linear mathematical model was used in order to facilitate the

1.3.2 Khuyt đim
6
1.4 Kh nng ng dng
6
1.5 Tình hình nghiên cu trong và ngoài nc
6
1.5.1 Mt s dng xe hai bánh t cân bng dùng trên robot
6
1.5.2 Tình hình nghiên cu trong và ngoài nc
10
1.6 Nhu cu thc t
11
1.7 Mc đích ca đ tài
11
1.8 Nhim v và gii hn ca đ tài
12
1.8.1 Nhim v ca đ tài
12
1.8.2 Gii hn ca đ tài
12
1.9 Phng pháp nghiên cu
12
HUTECHii
Chng 2: C S LÝ THUYT 13
2.1 Tng quan v phi tuyn
13
2.2 Lý thuyt v điu khin trt

53
Chng 6: KT LUN
54
TÀI LIU THAM KHO

PH LC

HUTECHiii
DANH MC CÁC T VIT TT

DC: Dòng đin mt chiu (direct current).
DOF: Bc t do (degree of freedom).
SMC: iu khin kiu trt (sliding mode control).
LQR: n đnh tuyn tính bc hai (linear quadratic regulators)
HUTECHiv
DANH MC CÁC BNG

3.1: Danh mc các ký hiu. 34
5.1: Các giá tr dùng cho mô phng. 49
HUTECHv
DANH MC CÁC HÌNH NH

2.8: iu khin ni suy trong lp biên. 27
HUTECHvi
2.9: Ngõ vào điu khin và thc thi bám. 28
2.10: Ngõ vào tín hiu điu khin san bng và thc thi bám. 29
2.11: Cu trúc vòng kín ca sai lch h thng. 31
2.12: Tín hiu điu khin ngõ vào và kt qu thc thi bám. 32
2.13: Qu đo s vi lp biên thay đi theo thi gian. 32
3.1: S đ đng c đin mt chiu. 35
3.2: Xác đnh các bin trong không gian. 37
3.3: Phân tích lc ca con lc ngc di đng. 38
4.1: S đ khi ca b điu khin. 48
5.1: Trng thái ca h thng
ϕ

,
r
x
. 50
5.2: Trng thái tc đ và tc đ nghiêng ca h thng. 51
5.3: Trng thái góc nghiêng ca h thng. 51
5.4: Trng thái tc đ góc nghiêng ca h thng. 52
5.5: Tín hiu ngõ vào. 52
h 5.6: B mt trt S. 53
HUTECH1

2
Chng 1
TNG QUAN
1.2 Th nào là xe hai bánh t cân bng
i vi xe có ba hoc bn bánh điu khin, vic thng bng và n đnh ca
chúng là nh trng tâm ca mt phng đc to ra nh các bánh xe làm chân đ.
i vi các loi robot ch có hai bánh điu khin chính thì vic t gi thng bng khi
di chuyn là hoàn toàn không th, hu nh chúng phi có thêm t mt hoc hai bánh
ph đ đ. Hin nay có hai kiu gi cân bng đi vi robot ch có hai bánh xe.
Mt là, loi có hai bánh xe có trc bánh xe song song vi nhau, đin hình là
robot xe đp (hình 1.1). Vic gi thng bng ca robot da trên tính cht con quay hi
chuyn  hai bánh xe khi xe đang chy.

Hình 1.1: Murata Robot.
Hai là, loi có hai bánh xe đng trc (hình 1.2).  gi thng bng, trng tâm
ca robot phi luôn gi sao cho nm cùng mt phng vi chiu ca lc trng trng
và trc bánh xe. iu này ging nh ta gi mt cây gy dng thng đng cân bng
trong lòng bàn tay.
HUTECH3

Hình 1.2: nBot.
Trên thc t, vic xác đnh trng tâm ca robot nm  đâu là tng đi khó.
V mt k thut, góc gia sàn scooter và chiu trng lc có th bit đc, thay vì
tìm cách xác đnh trng tâm nm gia các bánh xe, ta s xác đnh góc lch gia thân
robot so vi chiu trng lc nhm đm bo đ sai lch ca góc này luôn bng
không.


k cái gì khác đ đ trng lng ca xe. Nu trng lng đc đt nhiu vào bánh
lái thì xe/robot s không n đnh d b ngã, còn nu đt nhiu vào bánh đuôi thì hai
HUTECH5
bánh chính s mt kh nng bám.
Nhiu thit k robot có th di chuyn tt trên đa hình phng, nhng không
th di chuyn lên xung trên đa hình li lõm (mt phng nghiêng).
Khi di chuyn lên dc, trng lng robot dn vào đuôi xe làm bánh lái mt
kh nng bám và trt ngã, đi vi nhng bc thang, thm chí nó dng hot đng
và ch quay tròn bánh xe.
Khi di chuyn xung dc, s vic còn t hn, trng tâm thay đi v phía trc
và có th làm robot b lt úp. Hu ht nhng robot này có th leo lên nhng dc ít
hn là khi chúng di chuyn xung, b lt úp khi đ dc ch 15
o
hay 20
o

(a) (b)
. Vic thit k
b phn lái ging nh xe hi đ chi hay các loi xe bn bánh hin đang s dng
trong giao thông không gp vn đ nhng điu này s làm cho robot không gn
gàng, không linh hot. Ngc li, các xe dng hai bánh đng trc li thng bng rt
linh đng khi di chuyn trên đa hình phc tp, mc dù bn thân là mt h thng
không n đnh.
Hình 1.6: Phân b trng tâm trên robot hai bánh xe khi di chuy n.
(a) Robot khi lên dc, (b) Robot khi xung dc.
Khi nó lên dc, nó t đng nghiêng ra trc và gi cho trng lng dn v hai
bánh dn đng. Ngc li, khi xung dc, nó nghiêng ra sau. Chính vì vy không bao
7
phng thng đng và điu khin cho phn khung  di chy ti hoc lùi.
nBot đc ly ý tng đ cân bng là các bánh xe s phi chy xe theo hng
mà phn trên robot sp ngã. Nu bánh xe có th đc lái theo cách đng vng theo
trng tâm robot, robot s vn đc gi cân bng.

Hình 1.7: nBot.
• Balance bot I
Balance-bot I (do Sanghyuk, Hàn Qu c thc hin) là mt robot hai bánh t cân
bng hot đng bng cách kim soát thông tin phn hi.

Hình 1.8: Balance Bot I.
HUTECH8
• Balancing robot (bBot)
Vào nm 2003, Jack Wu và Jim Bai đã thc hin đ tài robot hai bánh t cân
bng. Robot này có th xác đnh v trí hng ca nó đi vi môi trng và lái đng c
theo hng này.

Hình 1.9: Balancing robot.
• Robot JOE
JOE đc điu khin bi mt b điu khin t xa R/C thng đc s dng đ
điu khin các máy bay mô hình.

1.10: JOE.
B điu khin trung tâm và x lý tín hiu là mt mch x lý s tín hiu (DSP)

đ cân bng con lc ngc. Mc tiêu điu khin là dao đng con lc t v trí n đnh đn
v trí không n đnh đ đa mt trt ca nó tr li v trí bám theo ban đu. Tuy nhiên,
s n đnh ca s đ điu khin này không đc đm bo.
Kin trúc điu khin thích nghi bn vng đc đ xut cho hot đng ca con
lc ngc. Mc dù s n đnh ca chin lc điu khin có th đm bo, song mt vài
kin thc và nhng hn ch trc đây đc yêu cu nhm đm bo s n đnh ca toàn
h thng.
iu khin trt là mt trong các phng pháp điu khin phi tuyn thích nghi
hiu qu vì nó cung cp các đáp ng đng nhanh khi h thng đng đc điu khin
theo kiu trt. Hn ch chính ca nó là dùng hàm gián đon ngha là hàm du, gây ra
dao đng mnh xung quanh mt trt và gây mt n đnh.
Nhm mc đích n đnh con lc ngc di đng vi đ chính xác cao, mt b
điu khin thc t dùng k thut trt đc gii thiu trong lun vn này. Lut điu
khin gm hai phn: b điu khin tnh và b điu khin đng. B điu khin tnh góp
phn đt đc mt trt vi hình thc rõ ràng bng cách s dng công thc
Ackermann[18]. B điu khin đng làm cho mt trt bám theo trng thái h thng.
Toàn b h thng điu khin đc phát trin đ n đnh con lc ngc di đng.