MÔ PHỎNG BALANCE ROBOT

Mục tiêu của đồ án là xây dựng được robot có khả năng di chuyển trên hai bánh,làm phương tiện di chuyển hiệu quả linh động, dễ dàng xoay trở trong không gian chậthẹp. Trong khuôn khổ 6 tuần thực hiện đề tài những mục tiêu được đề ra như sau:• Tìm hiểu về các loại robot cân bằng, nguyên lý cơ bản về cân bằng.• Nghiên cứu lý thuyết điều khiển cho hệ con lắc ngược.• Nghiên cứu lý thuyết điều khiển giải thuật PID và LQR dùng điểu khiển hệ xe tựcân bằng.• Thực hiện mô phỏng Matlab Simulink để kiểm nghiệm và đi tìm bộ số phù hợpcho hệ xe ứng với từng giải thuật.• Lập trình điều khiển.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO TIỂU LUẬN CUỐI KÌ MƠ PHỎNG BALANCE ROBOT NHÓM SVTH: VŨ ĐỨC THẮNG MSSV: 18145 NGUYỄN CHÍ KHẢI MSSV: 18145156 HÀ THANH NHÂN MSSV: 18145193 LÊ HOÀNG HUY MSSV: 18145127 GVHD: ThS NGUYỄN TRUNG HIẾU Tp Hồ Chí Minh, Tháng năm 2021 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc ********* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Điểm: Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm Nhóm sinh viên thực LỜI CẢM ƠN Lời chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình thầy ThS Nguyễn Trung Hiếu, khoa Cơ khí động lực, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh Trong suốt thời gian thực đề tài, thầy dành nhiều thời gian để hướng dẫn chúng em thực đề tài Thầy hướng dẫn chúng em tìm hiểu kiến thức cần thiết để thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhà trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh thầy cô anh chị xưởng điện ô tô cho chúng em môi trường để tiếp cần với mơ hình thực tế Với giúp đỡ cho bọn em dễ dàng tiếp cận vấn đề thực tiễn hiểu rõ tảng lý thuyết áp dụng vào thực tế Mặc dù nhóm em cố gắng hồn thiện đề tài tất nhiệt tình lực thân, nhiên trình thực đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót mong nhận đóng góp q báu thầy bạn Nhóm en xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021 Nhóm sinh viên thực MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN III DANH MỤC CÁC HÌNH III PHẦN 1: LỜI NÓI ĐẦU .1 Lý chọn đề tài .1 Mục tiêu đề tài Giới hạn phạm vi nghiên cứu PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BALANCE ROBOT 1.1 Thế balance robot 1.2 Tại phải thiết kế balance robot CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC 2.1 Mơ hình hóa balance robot địa hình phẳng .5 2.2 Xây dựng hệ phương trình trạng thái .7 2.3 Bộ điều khiển tối ưu LQR 13 2.3.1 Lý thuyết phương pháp điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator) 13 2.3.2 Các thông số để mô 14 2.4 Mơ hình hóa hệ xe hai bánh tự cân dùng phương pháp LQR matlab simulink 15 PHẦN 3: KẾT LUẬN 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Mơ tả ngun lý cân Hình 1.2: Xe ba bánh mặt phẳng Hình 1.3: Xe ba bánh lên Hình 1.4: Xe ba bánh xuống Hình 1.5: Hai bánh lên xuống linh động Hình 0.1: Mơ hình hệ xe cân Hình 2.2: Bộ điều khiển LQR Hình 2.3: Khối điều khiển simulink Hình 2.4: Khối điều khiển scooter simulink Hình 2.5: Đồ thị biểu diễn Hình 2.6: Đồ thị biểu diễn Hình 2.7: Đồ thị biểu diễn vị trí bánh xe Hình 2.8: Đồ thị biểu diễn góc nghiêng thân xe Hình 2.9: Đồ thị biểu diễn vận tốc góc bánh xe Hình 2.10: Đồ thị biểu diễn vận tốc bánh xe PHẦN 1: LỜI NÓI ĐẦU Lý chọn đề tài Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, ngày robot có khả thay người làm việc môi trường độc hại, sản xuất bắt chước người hình thức, hành vi suy nghĩ… Hiện lĩnh vực robot phát triển nhanh nhờ vào phát triển liên tục công nghệ, robot chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích khác Với ý tưởng sử dụng robot thay người “Robot hai bánh tự cân bằng” đề tài nhiều tác giả quan tâm mơ hình robot có khả di chuyển linh hoạt lại không chiếm nhiều không gian Mục tiêu đề tài Mục tiêu đồ án xây dựng robot có khả di chuyển hai bánh, làm phương tiện di chuyển hiệu linh động, dễ dàng xoay trở không gian chật hẹp Trong khuôn khổ tuần thực đề tài mục tiêu đề sau: • Tìm hiểu loại robot cân bằng, nguyên lý cân • Nghiên cứu lý thuyết điều khiển cho hệ lắc ngược • Nghiên cứu lý thuyết điều khiển giải thuật PID LQR dùng điểu khiển hệ xe tự cân • Thực mô Matlab Simulink để kiểm nghiệm tìm số phù hợp cho hệ xe ứng với giải thuật • Lập trình điều khiển Giới hạn phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung vào việc xây dựng mơ hình phần cứng robot như: kết cấu mơ hình, mạch điều khiển động cơ, thuật toán vi điều khiển lọc Kalman giải thuật cân PID, thuật tốn LQR Robot cân có khả điều khiển để di chuyển chưa có nhiều ứng dụng PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BALANCE ROBOT 1.1 Thế balance robot Hình 1.1: Mơ tả ngun lý cân Đối với xe hay robot ba hay bốn bánh, việc thăng ổn định chúng nhờ trọng tâm chúng nằm bề mặt chân đế bánh xe tạo Đối với xe bánh có cấu trúc xe đạp, việc thăng khơng di chuyển hồn tồn khơng thể, việc thăng xe dựa tính chất quay hồi chuyển hai bánh xe quay Còn xe hay robot hai bánh tự cân bằng, loại có hai bánh với trục hai bánh xe trùng nhau, robot cân bằng, trọng tâm cần giữ nằm bánh xe Điều giống ta giữ gậy dựng thẳng đứng cân lịng bàn tay Thực ra, trọng tâm tồn robot khơng biết nằm vị trí nào, khơng có cách tìm Do vậy, thay tìm cách xác định trọng tâm nằm bánh xe ta cho xe di chuyển nhằm triệt tiêu góc nghiêng xe 1.2 Tại phải thiết kế balance robot Việc thiết kế robot hai bánh tự cân tảng để phát triển xe hai bánh tự cân sau ta cần so sánh xe hai bánh tự cân với thể loại ba bánh hay bốn bánh Những mobile robot xây dựng hầu hết robot robot di chuyển ba bánh xe, với hai bánh lái lắp ráp đồng trục, bánh đuôi nhỏ Có nhiều kiểu khác nhau, kiểu thơng dụng Còn xe bánh, thường đầu xe có hai bánh truyền động đầu xe lại gắn hai bánh lái Hình 1.2: Xe ba bánh mặt phẳng Việc thiết kế ba hay bốn bánh làm cho xe/mobile robot thăng ổn định nhờ trọng lượng chia cho hai bánh lái bánh đi, hay khác để đỡ trọng lượng xe Nếu trọng lượng đặt nhiều vào bánh lái xe/robot khơng ổn định dễ bị ngã, cịn đặt nhiều vào bánh hai bánh khả bám Nhiều thiết kế xe/robot di chuyển tốt địa hình phẳng, khơng thể di chuyển lên xuống địa hình lồi lõm Khi di chuyển xuống đồi, trọng lượng xe/robot dồn vào đầu xe làm bánh lái khả bám trượt ngã, bậc thang, chí dừng hoạt động quay trịn bánh xe Hình 1.3: Xe ba bánh lên Khi di chuyển lên đồi, việc tệ hơn, trọng tâm thay đổi phía sau chí làm xe/robot bị lật úp di chuyển bậc thang.Việc bố trí bốn bánh xe, giống xe đồ chơi hay loại xe bốn bánh sử dụng giao thông không gặp vấn đề điều làm xe/robot khơng gọn Hình 1.4: Xe ba bánh xuống Ngược lại, xe dạng hai bánh đồng trục lại thăng linh động di chuyển địa hình dốc, thân hệ thống khơng ổn định Khi leo sườn dốc, tự động nghiêng trước giữ cho trọng lượng dồn hai bánh lái Tương tự vậy, bước xuống dốc, nghiêng sau giữ trọng tâm rơi vào bánh lái Chính vậy, khơng có tượng trọng tâm xe rơi vùng đỡ bánh xe để gây lật úp Hình 1.5: Hai bánh lên xuống linh động CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC 2.1 Mơ hình hóa balance robot địa hình phẳng Xây dựng phương trình trạng thái mơ tả hệ xe tự cân bằng: Hình 0.1: Mơ hình hệ xe cân (𝑀𝑊 𝑅 + 𝑀𝐵 𝐻 𝑐𝑜𝑠 𝜃) 𝑐𝑜𝑠 𝜃 − 1) 𝜓̈ (2𝑀𝑊 + 𝑀𝐵 )𝐻 (𝑀𝑊 𝑅 + 𝑀𝐵 𝐻 𝑐𝑜𝑠 𝜃) 𝑐𝑜𝑠 𝜃 (2𝑀 + 𝑀 − ) 𝑋̈ 𝑊 𝐵 { 𝐻 ( = 𝑀𝐵 𝐻 𝑠𝑖𝑛 𝜃 𝑐𝑜𝑠 𝜃 𝑔 𝑠𝑖𝑛 𝜃 + 𝑠𝑖𝑛 𝜃 𝑐𝑜𝑠 𝜃 ̇ (𝜃 ) − +( + )𝐶 (2𝑀𝑊 + 𝑀𝐵 )𝐻 𝐻 𝑀𝐵 𝐻 (2𝑀𝑊 + 𝑀𝐵 )𝑅𝐻 𝜃 𝑔(𝑀𝑊 𝑅 + 𝑀𝐵 𝐻 𝑐𝑜𝑠 𝜃) 𝑠𝑖𝑛 𝜃 (𝑀𝑊 𝑅 + 𝑀𝐵 𝐻 𝑐𝑜𝑠 𝜃)(1 + 𝑠𝑖𝑛 𝜃 ) ̇ 𝑀𝐵 𝐻 𝑠𝑖𝑛 𝜃 (𝜃 ) − +( + ) 𝐻 𝑀𝐵 𝐻 𝑅 { (32) 𝜓̈ = (𝐶 ) (9𝑀𝑊 + 𝑀𝐵 )𝑅𝑊 𝜓 (33) Tuyến tính hóa mơ hình phi tuyến xe bánh tự cân thành mơ hình khơng gian trạng thái: Từ phương trình (32) xét điều kiện: - + Vì 𝜃