`

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG 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


Vào hồi 16 h 00’ ngày 22 tháng 8 năm 2014. Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

1MỞ 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

thế giới
1.2.1 Các nghiên cứu về robot hai bánh song song tự cân bằng
1.2.1.1 Một số robot hai bánh song song tự cân bằng trên thế giới
1.2.1.1.1 nBot
1.2.1.1.2 Balance Bot I
1.2.1.1.3 Balancing robot (Bbot)
1.2.1.1.4 JOE
1.2.1.1.5 Equibot
1.2.1.1.6 BaliBot
1.2.1.1.7 Bender
1.2.1.1.8 Robot phục vụ con người Rolling của hàng TOYOTA
1.2.1.2 Một số loại xe hai bánh trước sau tự cân bằng
1.2.1.2.1 Segway
1.2.1.2.2 Balancing Scooter
1.2.1.2.3. Spider
1.2.2 Các nghiên cứu về robot hai bánh trước sau tự cân bằng trên
thế giới
1.2.2.1 Điều khiển cân bằng bằng cách điều khiển tay lái dựa trên
nguyên tắc của lực ly tâm
Các phương pháp điều khiển cân bằng cho robot hai bánh bằng
cách điều khiển tay lái dựa trên nguyên tắc của lực ly tâm 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.

4

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].
1.2.2.3 Điều khiển cân bằng sử dụng bánh đà

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.
Qua phân tích các mô hình robot hai bánh tự cân bằng tác giả
nhận thấy, robot hai bánh trước sau sử dụng phương pháp điều khiển
dùng lực ly tâm không thể điều khiển cân bằng cho hệ thống khi nó
đứng yên. Robot hai bánh trước sau sử dụng phương pháp điều khiển
trọng tâm trọng lực cần phải thêm trọng lượng lên hệ thống làm tăng
trọng lượng của nó. Robot hai bánh trước sau sử dụng phương pháp
điều khiển sử dụng bánh đà và điều khiển kết hợp khắc phục được cả
hai nhược điểm nêu trên. Do đó phương pháp điều khiển cân bằng sử
dụng nguyên lý con quay hồi chuyển là phù hợp nhất cho robot hai
bánh trước sau tự cân bằng. Với mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thử
nghiệm một mô hình robot hai bánh trước sau tự cân bằng, 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.

6

CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG
2.1 Giới thiệu
Nguyên lý cân bằng: Mô hình robot hai bánh được xây dựng 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

= 22 cm = 0,22 m
- Bề dầy vành bánh đà t
n
= 2,1 cm = 0,021 m
- Bề dầy phần trong bánh đà t
t
= 0,5 cm = 0,005 m
Mômen quán tính của bánh đà
- Mômen quán tính của bánh đà là:


2 2
2
n t
t
n t
D D
D
1 1
I m m
2 4 2 4

 
= 0,03289 kg.m
2

Lựa chọn động cơ một chiều DC: có thông số như sau:
Bảng 2.1 Thông số động cơ điện một chiều
STT Thông số Giá trị Đơn vị
1 P

Chuẩn giao tiếp: I
2
C
Chip 16bit AD converter, 16-bit data Output
Độ phân giải vận tốc góc (): ± 250 500 1000 2000
°/s_tương đương 1°/s = 1.3,14/180 rad/s
Độ phân giải gia tốc góc : ± 2 ± 4 ± 8 ± 16g (g= 9,81 m/s
2
là
gia tốc trọng trường)
Chuẩn giắc cắm 2.54mm

Hình 2.4 Cảm biến gia tốc Gyro GY-521 6DOF MPU6050
2.2.1.3 Cảm biến tốc độ
2.2.1.4 Hệ thống điều khiển tiến lùi
2.2.2 Thiết kế phần điện
Hệ thống điều khiển robot hai bánh tự cân bằng gồm hai hệ thống
- Hệ thống điều khiển cân bằng cho robot hai bánh tự cân bằng: Có
chức năng duy trì robot cân bằng: là hệ thống có 2 đầu vào là góc
nghiêng và vận tốc góc nghiêng của robot lấy từ cảm biến góc
nghiêng và 1 đầu vào lấy từ cảm biến tốc độ của bánh đà. Đầu ra của
hệ thống là duy trì góc nghiêng của bánh đà bằng 0.

9

- Hệ thống điều khiển robot chạy tiến lùi: Có chức năng điều khiển
robot chạy tiến lùi
2.2.2.1 Hệ thống điều khiển cân bằng robot
2.2.2.1.1. Vi mạch điều khiển


I là mô men quán tính của bánh đà
 là góc nghiêng của robot so với phương thẳng đứng
 là góc quay của bánh đà
Hệ phương trình mô tả hệ thống cân bằng robot như sau:


2
mh I I mgh.sin 0
  
   


(2.5)
e
di
U L Ri K
dt

  

(2.8)

11

m m
I I T aK i
 
  



3
4
x
x
x
x
i x




 
 

 

 

 

 


là biến trạng thái, y =

là tín hiệu đầu ra, u = U là
tín hiệu đầu vào.
Từ đây ta có hệ phương trình trạng thái mô tả hệ như sau:
x Ax Bu
y Cx Du

 


 

 
 
 
 
 
 
;
0
0
B
0
1
L
 
 
 

 
 
 
 
;


C 1 0 0 0


Điện cảm động cơ 0,0006 mH
Tỷ số truyền của động cơ (a) 1:1
Gia tốc rơi tự do (g) 9,81 m/s
2

Thay số vào công thức (2.13) và chuyển sang dạng mô hình
hàm truyền ta thu được hàm truyền đạt như sau:
4 3 2
(s) 4887
W(s) =
U(s)
s 683.3s 1208s 109700s 6949


   
(2.14)
Đáp ứng xung của mô hình robot như sau
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
0.5
1
1.5
2
2.5
x 10
27
Step Response
Time (sec)
Amplitude

0 64 0 0 0 0
A
0 0 32 0 0 0
0 0 0 4 0 0
0 0 0 0 0.25 0
     
 
 
 
 

 
 
 
 
 

64
0
0
B
0
0
0
 
 
 
 

 

s
3
= - 0.0354 + 0.1392i
s
4
= - 0.0354 - 0.1392i
Hệ thống có một điểm cực mang giá trị dương, nên hệ thống cân
bằng robot là hệ không ổn định.
Ví trí mong muốn của điểm cực vòng kín có dạng

1
= -25.3

2
= -12.45

3
= -10.23

4
= -1.5156
Phương trình đặc trưng vòng kín là
(sI-A + BK) = (s - 
1
)(s - 
2
)(s - 
3
) (s - 
4

-1
.(A)
Trong đó: M là ma trận khả năng điều khiển của hệ thống cân bằng
robot

15

8
0 0 0.0047 -3.1749
0 0 -0.0004 0.2980
M 10 .
0 0 0 -0.0280
0 0 0 0
 
 
 

 
 
 

rank(M) = 3
(A) =A
4
+ 
3
A
3
+ 
2

16

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Step Response
Time (sec )
Amplitude

Hình 3.3 : Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot
trên Matlab – Simulink
Nhận xét: Hệ thống điều khiển cân bằng robot theo kỹ thuật không
gian trạng thái có chất lượng như sau: sai lệch tĩnh bằng 0 (S
t
% = 0),
không có quá điều chỉnh, thời gian quá độ 3,5 (s), thời gian đáp ứng
2,7 (s), hệ không dao động
3.4 Hệ thống điều khiển thực robot hai bánh tự cân bằng
Tác giả thực hiện điều khiển thực robot hai bánh tự cân bằng
theo kết quả thiết kế ở phần 3.3, kết quả như sau:



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

20


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 H
2
/H
∞
control.”
International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 5(4), pp.
395-402.
[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.

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.
[18] Keo, L. and M. Yamakita, “Dynamic Model of a Bicycle with a
Balancer and Its Control” Proceedings, Bicycle and Motorcycle
Dynamics 2010, Symposium on the Dynamics and Control of
Single Track Vehicles, 20–22 October 2010, Delft, The Netherlands

23

[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