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


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)

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


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


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


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

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



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.


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.


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 :


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


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



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


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


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

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


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



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


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


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


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


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