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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:110

Thêm vào BST

Báo xấu

58
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn này đi sâu vào nghiên cứu khái quát về hệ robot một bánh tự cân bằng, nghiên cứu về mặt lý thuyết điều khiển hệ robot một bánh tự cân bằng thông qua phương pháp điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa, phương pháp điều khiển LQR, thuật toán bộ lọc Kalman rời rạc và tiến hành mô phỏng kiểm tra hệ thống đối với mỗi bộ điều khiển.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI RƯỜ G ĐẠI HỌC CÔ G GHỆ HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : 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) 1. PGS.TS. Ch t ch 2.TS. ôC C Phản biện 1 3.TS. H Phản biện 2 4.TS. H y vi n 5.TS. H 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 Quản l chuy n ngành PGS.TS.
TRƯỜNG ĐẠI H C CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘ G HÒA XÃ HỘI CHỦ GHĨA IỆ AM HÒ G KH - Đ ĐH Đ lập - ự d - Hạ p ú TP. HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2013 HIỆM Ụ UẬ Ă HẠC Ĩ Họ t n học vi n: GUYỄ XUÂ IÊ Giới tính: Nam Ngày tháng năm sinh: 19/06/1965 Nơi sinh: Hu Chuy n ngành: ỹ Thuật Cơ Điện tử MSHV: 1241840018 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 hoá, điều khiển LQR - Áp dụng phương pháp điều khiển hổi ti p tuy n tính hoá 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 Quản l chuy n ngành PGS.TSKH. H Đ TS.
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan r n u n v n v i n i dun ” là côn 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 thôn 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 côn bố tron b t cứ côn 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, tôi đã hoàn thành luận văn đúng thời gian quy định ể hoàn thành cuốn luận văn này tôi 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 lòng vì học viên, hướng dẫn nhiệt tình và cung cấp cho tôi những tài liệu vô cùng quý giá trong thời gian thực hiện luận văn Xin chân thành cám n tập thể th y cô giáo trường ại học Công 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 - ào tạo sau đại học cùng các phòng ban của trường ại học Công ghệ T Chí Minh, đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá 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 tôi trong quá 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 tôi trong quá 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 phòng Do đó, robot m t bánh sẽ có m t loạt các ứng d ng trong ngành công 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 toán 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 ngôn ngữ lập trình dựa trên ngôn 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 mô 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 mô 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 mô 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 self- balancing 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 self- balancing 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: Mô hình hó to n học hệ ro ot m t nh ................................... 11 2.1. Mô 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 điều khiển .................................................................. 25 3.1 Xây dựng b điều khiển toàn phư ng tuyến tính ....................... 25 3.1.1. Mô hình không gian trạng thái tuyến tính ........................................ 25 3.1.2. Tính toán 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. Mô phỏng kiểm tra hệ thống ............................................................. 34 3.3. 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 không có tín hiệu nhi u ........... 39 3.3.3 Mô phỏng kiểm tra hệ thống khi có tín hiệu nhi u ...................... 41 3.4. ết luận .................................................................................................... 44 Chƣơng 4: Mô hình thực nghiệm- Kết quà ................................................... 45 4.1 Mô hình thực nghiệm ............................................................................. 45 4.1.1. Thiết kế mô hình 3D ......................................................................... 45 4.1.2. Thiết kế mô 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 mô 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 mni và bánh c u đ n vị của wu và wang ,2 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 6 ình 1.5: Ballbot Rezero- ET Zurich, witzerland năm 2 1 8 ình 2 1: Mô hình đ n giản hóa hệ robot m t bánh theo m t mặt ph ng 12 ình 2 2: Mô 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: đ mô phỏng hệ robot m t bánh dùng giải thuật 28 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: đ mô phỏng tuyến tính hóa hệ thống b ng h i tiếp 35
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: đ mô phỏng điều khiển 38 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 theo tr c X 40 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 theo tr c Y 41 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 theo tr c Y 43 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: ệ robot m t bánh thực nghiệm 46 ình 4 4: C chế lái bóng mô 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: đ khối mạch công suất điều khiển đ ng c 49 ình 4 1 : Mạch công 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 1.1. n Ngày nay, robot đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của loài người. Trong khoa học kỹ thuật, robot hỗ trợ con người thực hiện những nhiệm vụ nguy hiểm như dò mìn, thăm dò dưới đại dương, thám hiểm vệ tinh, hoạt động quân sự... Ngoài ra, robot còn 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 phòng, và trường học. Từ các cách thức di chuyển thông thường của mobile robot hai bánh, ba bánh, bốn bánh ho c robot bước kiểu chân người …, nếu không tính đến yêu cầu đ t thù của môi 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 nguyên 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 không 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 quán tính của robot làm cho nó lật. Ngoài ra, nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển để nâng cao chất lượng của các hệ thống robot còn 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 toán 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 nh h Đã có một số 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