ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ ROBOT 2 BÁNH TỰ CÂN BẰNG

Khảo sát mô hình Robot 2 bánh xe tự cân bằng:



Các thông số mô hình thiết kế được lựa chọn:



Sử dụng phương pháp Lagrange, ta có thể tìm được mô hình động lực học của robot. Giả sử tại thời điểm t=0 robot di chuyển theo chiều dương trục x, suy ra các phương trình mô tả đặc tính động lực học của hệ Robot:


Mô hình hóa đối tượng robot trên Matlab:


Kết quả khảo sát đối tượng trên Matlab, khi chưa có sự tham gia của bộ điều khiển:

Nhận xét:

Dựa vào kết quả mô phỏng đối tượng robot với hai tín hiệu vào khác nhau, nhận thấy rằng, mô hình phi tuyến và mô hình tuyến tính xấp xỉ nhau khi làm việc gần điểm cân bằng thẳng đứng, khi làm việc cách xa điểm cân bằng, thì ở mô hình tuyến tính, giá trị vị trí, vận tốc, góc nghiêng sẽ tiến ra vô cùng, còn ở mô hình phi tuyến, thì góc nghiêng sẽ tiến về góc pi và dao động quanh vị trí này.

Kết quả nghiên cứu về robot 2 bánh tự cân bằng đã được thực hiện

Một số kết quả nghiên cứu về robot 2 bánh tự cân bằng trong và ngoài nước:

1. nBot:

Robot nBot do David P. Anderson chế tạo. nBot chế tạo trên cơ sở giữ cân bằng như sau: các bánh xe sẽ phải chạy xe theo hướng mà phần trên robot sắp ngã. Nếu bánh xe có thể được lái theo cách giữ vững theo trọng tâm robot, thì robot sẽ vẫn được giữ cân bằng. David đã kết nối bốn giá trị đo lường: cảm biến góc nghiêng để đo góc nghiêng của robot với trọng lực, và encoder trên bánh xe để đo vị trí cơ bản của robot và phản hồi tới động cơ, tương ứng với momen quay, để giữ cho robot được cân bằng.
Điều này đòi hỏi các cảm biến đo thông tin phản hồi: cảm biến gia tốc và cảm biến gia tốc góc ( rate gyro ) để đo góc nghiêng, biến thiên góc nghiêng, encoder trên bánh xe để đo vị trí cơ bản của robot.



2. JOE – A mobile Inverted Pendulum:

JOE do phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp của Viện Công nghệ Liên bang, Lausanne, Thụy Sĩ tạo ra vào năm 2002. Robot JOE cao 65cm, nặng 12kg, tốc độ tối đa khoảng 1,5m/s, có khả năng leo dốc nghiêng đến 30o. Nguồn điện cấp là nguồn pin 32V dung lượng 1,8Ah. Hình dạng của nó gồm hai bánh xe trục, mỗi bánh gắn với một động cơ DC, robot này có thể chuyển động xoay theo hình U. Hệ thống điều khiển bao gồm hai bộ điều khiển không gian trạng thái tách rời nhau, kiểm soát động cơ để giữ cân bằng cho hệ thống. Những thông tin về trạng thái của JOE được cung cấp bởi hai encoder quang và hai cảm biến: gia tốc và gia tốc góc ( rate gyro) . JOE được điều khiển bởi một bộ điều khiển từ xa R/C thường được sử dụng để điều khiển các máy bay mô hình. Bộ điều khiển trung tâm và xử lý tín hiệu là một board xử lý tín hiệu số (DSP) được phát triển bởi chính nhóm và của viện Federal, kết hợp với FPGA của XILINC.



3. Iswing Toyota:

I-swing được mệnh danh là một trong những ý tưởng táo bạo nhất của ngành công nghiệp ôtô trong thời gian gần đây. Xuất hiện lần đầu tiên tại triển lãm Tokyo 2005, I-swing là biểu tượng cho phương tiện cá nhân trong tương lai bởi nó khác xa so với ôtô thông thường.

Sự di chuyển, điều khiển, giao tiếp giữa người và xe đều mang tính nhân bản. Chẳng hạn như khi đặt ghế ở chế độ "thân xe mở tối thiểu", tầm mắt tài xế sẽ ngang với người đang đứng nên rất dễ trò chuyện và tạo cảm giác thân thiện. I-swing được điều khiển thông qua tay nắm và các nút, giống với cách con người sử dụng các thiết bị điện tử hàng ngày. Chân người lái "vô tác dụng" trên I-swing.

Hệ robot 2 bánh tự cân bằng

Giới thiệu hệ Robot 2 bánh tự cân bằng:
Đề tài robot 2 bánh tự cân bằng có thể xem là một cầu nối kinh nghiệm từ mô hình thăng bằng con lắc ngược đến việc nghiên cứu và chế tạo các loại robot hai chân và robot giống người (humanoid robot) trong tương lai. Không giống như các xe scooter hay xe 2 bánh thông thường có hai bánh xe nằm trước sau, robot trong đề tài có hai bánh nằm song song với nhau, giúp nó trở nên gọn gàng để di chuyển bằng hai bánh xe trong những khoảng không gian chật hẹp.

Vấn đề giữ thăng bằng cho robot 2 bánh 3 bậc tự do ( 3 DOF) đã được nghiên cứu nhiều năm qua ở các trường đại học, các phòng thí nghiệm về robot trên toàn thế giới. Tính tiện ích của loại Robot này tạo ra lợi thế trong việc giải quyết các vấn đề trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống. Chẳng hạn như xe lăn sử dụng công nghệ này sẽ mang lại sự tiện lợi lớn cho người sử dụng di chuyển trên nhiều địa hình khác nhau.
Những robot tự hành hầu hết là những robot di chuyển bằng ba hoặc bốn bánh xe, với hai bánh dẫn động được lắp ráp đồng trục, và một hoặc hai bánh tự do có thể được bố trí phía trước hoặc sau, có nhiệm vụ giữ cho robot thăng bằng.

Việc thiết kế ba hay bốn bánh làm cho robot được thăng bằng ổn định nhờ trọng lượng của nó được chia cho hai bánh dẫn động chính và bánh tự do, hay bất kỳ cái gì khác để đỡ trọng lượng của robot. Nếu trọng lượng được đặt nhiều vào bánh lái thì robot sẽ không ổn định dễ bị ngã, còn nếu đặt nhiều vào bánh đuôi thì hai bánh chính sẽ mất khả năng bám. Nhiều thiết kế robot có thể di chuyển tốt trên địa hình phẳng, nhưng không thể di chuyển lên xuống trên địa hình lồi lõm hoặc mặt phẳng nghiêng. Khi di chuyển lên đồi, trọng lượng robot dồn vào đuôi xe làm bánh lái mất khả năng bám và trượt ngã.




Hình - Robot dạng 3 bánh xe di chuyển trên địa hình bằng phẳng, trọng lượng được chia đều cho bánh lái và bánh dẫn nhỏ.



Hình - Robot dạng 3 bánh xe di chuyển trên địa hình dốc, trọng tâm bị dịch về phía trước của bánh lái, điều này có thể làm cho robot bị lật úp.

Ngược lại, các robot dạng hai bánh đồng trục lại thăng bằng rất linh động khi di chuyển trên địa hình phức tạp, mặc dù bản thân là một hệ thống không ổn định. Khi robot di chuyển trên địa hình dốc, nó tự động nghiêng ra trước và giữ cho trọng lượng dồn về hai bánh lái chính. Tương tự vậy, khi di chuyển xuống dốc, nó nghiêng ra sau và giữ trọng tâm rơi vào các bánh lái. Chính vì vậy, không bao giờ có hiện tượng trọng tâm của xe rơi ra ngoài vùng đỡ của các bánh xe để có thể gây ra sự lật úp.



Hình - Robot 2 bánh xe di chuyển trên địa hình dốc, trọng tâm của robot thay đổi theo hướng bảo toàn sự thăng bằng.