nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot hai bánh tự cân bằng

robot hai bánh tự cân bằng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo robot hai bánh tự cân Giảng viên hướng dẫn : TS Trương Chí Cơng Sinh viên thực Lê Văn Tiến 2018606334 Hoàng Vương 2018606685 Vũ Văn Vượng 2018606807 Nguyễn Văn Trường 2018606707 : Lớp : CĐT 04 Khóa : K13 Hà Nội – 2022 I LỜI NÓI ĐẦU Robot hai bánh tự cân đối tượng phi tuyến MIMO thường dùng phịng thí nghiệm để kiểm chứng giải thuật điều khiển Ngoài ra, robot ứng dụng thành công thực tế, phát triển thương mại nước phát triển Tuy nhiên, Việt Nam, đề tài mẻ, nhiều thách thức tính chất MIMO hệ xe hai bánh tự cân khó điều khiển với hai động cơ, ta phải thực điều khiển thỏa mãn vị trí xe tới, quẹo, đứng yên mà không ngã Nắm bắt tầm quan trọng robot, nhóm thực đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo robot hai bánh tự cân bằng” Theo suốt trình thực dẫn thầy giáo TS Trương Chí Cơng Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy nhiệt tình giúp đỡ chúng em thực đề tài Tuy vậy, dù cố gắng đồ án chúng em nhiều thiếu sót nên mong nhận dược giúp đỡ đóng góp từ thầy, Sinh viên thực Lê Văn Tiến - 2018606334 Hoàng Vương - 2018606685 Vũ Văn Vượng - 2018606807 Nguyễn Văn Trường - 2018606707 II MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH III DANH MỤC BẢNG BIỂU VI CHƯƠNG TỔNG QUAN CHUNG 1.1 Lịch sử nghiên cứu 1.2 Các vấn đề đặt 1.3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Dự kiến kết CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mơ hình động học robot hai bánh tự cân [1] 2.2 Mơ hình động lực học robot hai bánh tự cân [2] 10 2.3 Các thành phần hệ thống 18 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG 35 3.1 Khảo sát tính ổn định hệ thống 35 3.2 Khảo sát tính điều khiển hệ thống 35 3.3 Khảo sát tính quan sát hệ thống 36 3.4 Bộ điều khiển PID 37 3.5 Xây dựng điều khiển 38 3.6 Xây dựng mô hình Matlab Simulink 39 CHƯƠNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, TÍCH HỢP HỆ THỐNG 42 4.1 Thiết kế hệ thống khí 42 4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 49 4.3 Chế tạo robot hai bánh tự cân 55 KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 PHỤ LỤC 63 III DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Robot JOE Hình 1.2 Robot Nbot Hình 1.3 Xe Segway I2, I2 cargo, X2 Adventure Hình 1.4 Mơ hình xe hai bánh tự cân sinh viên ĐH Thủy lợi Hình 1.5 Xe hai bánh tự cân sinh viên ĐH Bách khoa Hồ Chí Minh Hình 2.1 Phân tích hướng chuyển động Hình 2.2 Phần thân xe 10 Hình 2.3 Sơ đồ động điện chiều 12 Hình 2.4 Lực tác dụng lên hai bánh xe 13 Hình 2.5 Lực tác dụng lên khung xe 15 Hình 2.6 Cấu tạo động bước 20 Hình 2.7 Động bước size 42 1,8o/step 21 Hình 2.8 Sơ đồ dây động bước size 42 1,8 step 21 Hình 2.9 Cảm biến GY-521 6DOF IMU MPU6050 22 Hình 2.10 Cảm biến siêu âm HC-SR04 24 Hình 2.11 Board mạch arduino nano V3.0 ATmega328P 25 Hình 2.12 Arduino uno R3 26 Hình 2.13 Mạch điều khiển động CNC Shield V4 28 Hình 2.14 Module bluetooth HM-10 29 Hình 2.15 Module A4988 30 Hình 2.16 Trụ đồng 31 Hình 2.17 Giá đỡ động bước size 42 31 Hình 2.18 Bánh xe V2 65mm 32 IV Hình 2.19 Khớp nối trục động 32 Hình 2.20 Hộp pin 18650 cell 33 Hình 2.21 Cơng tắc KCD1-101 34 Hình 3.1 Đồ thị pole-zero 35 Hình 3.2 Mơ tả hệ thống với điều khiển 38 Hình 3.3 Tồn hệ thống với điều khiển 39 Hình 3.4 Khối mơ tả phương trình khơng gian trạng thái hệ thống 39 Hình 3.5 Bộ điều khiển PID vị trí 40 Hình 3.6 Bộ điều khiển PID góc nghiêng 40 Hình 3.7 Đáp ứng vi trí hệ thống 40 Hình 3.8 Đáp ứng góc nghiêng hệ thống 41 Hình 4.1 Bản vẽ lắp robot hai bánh tự cân 42 Hình 4.2 Phần khung robot hai bánh tự cân 43 Hình 4.3 Mơ hình phân rã robot hai bánh tự cân 43 Hình 4.4 Mơ hình robot hai bánh tự cân hồn chỉnh 44 Hình 4.5 Tấm đỡ tầng robot 44 Hình 4.6 Tấm đỡ tầng hai robot 45 Hình 4.7 Tấm đỡ tầng ba robot 45 Hình 4.8 Ứng suất xe 46 Hình 4.9 Biến dạng xe 46 Hình 4.10 Lực tác động lên bánh xe 47 Hình 4.11 Động bước size 42 1,80/step 48 Hình 4.12 Sơ đồ khối hệ thống 49 Hình 4.13 Lưu đồ thuật tốn hệ thống 50 V Hình 4.14 Lưu đồ thuật toán hệ thống – điều khiển bluetooth 51 Hình 4.15 Lưu đồ thuật tốn hệ thống – bám vật 51 Hình 4.16 Lưu đồ thuật tốn – chương trình ngắt 52 Hình 4.17 Sơ đồ kết nối hệ thống 52 Hình 4.18 Sơ đồ kết nối Arduino Nano với module A4988 53 Hình 4.19 Sơ đồ kết nối Arduino Nano với MPU 6050 54 Hình 4.20 Sơ đồ kết nối Arduino Nano với module bluetooth HM-10 54 Hình 4.21 Sơ đồ kết nối Arduino Uno với cảm biến siêu âm 55 Hình 4.22 Lắp ráp động bước vào giá đỡ 56 Hình 4.23 Chế tạo khung robot hai bánh tự cân 56 Hình 4.24 Chế tạo phần hộp pin 57 Hình 4.25 Chế tạo phần chắn hộp pin 57 Hình 4.26 Chế tạo tầng hai robot 58 Hình 4.27 Khung robot hai bánh tự cân hoàn chỉnh 58 Hình 4.28 Robot hai bánh tự cân hoàn chỉnh 59 VI DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Bảng ý nghĩa ký hiệu 10 Bảng 2-2 Thông số kỹ thuật arduino nano V3.0 ATmega328P 25 Bảng 4-1 Bảng kết nối Arduino Nano với module A4988 53 Bảng 4-2 Bảng kết nối MPU6050 với Arduino Uno R3 54 Bảng 4-3 Bảng kết nối Arduino Nano với module bluetooth HM-10 55 Bảng 4-4 Bảng kết nối Arduino Nano với cảm biến siêu âm 55 Bảng 4-5 Kết chạy thử nghiệm 59 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 Phụ lục 4: Kết thử nghiệm Quãng gian (s) đường (m) (m) ( 0) 13.8 4,9 0,31 3,6 0,36 15,8 4,9 0,45 5,2 0,31 12,8 4,9 0,41 4,8 0,38 16 4,9 0,61 7,1 0,31 11,66 4,9 0,58 6,8 0,42 6,31 2,5 0,225 5,1 0,4 7,43 2,5 0,19 4,3 0,34 7,3 2,5 0,15 3,4 0,34 4,45 2,5 0,16 3,7 0,56 10 7,6 2,5 0,13 0,33 11 15,9 0,37 4,2 0,31 12 12,35 0,37 4,2 0,4 13 9,23 0,42 4,8 0,54 14 12,44 0,24 2,7 0,4 15 10,8 0,37 4,2 0,46 16 4,4 2,5 0,125 2,9 0,57 17 4,02 2,5 0,13 0,62 18 6,4 2,5 0,11 2,5 0,39 19 6,4 2,5 0,13 0,39 20 6,5 2,5 0,1 2,3 0,38 4,04 0,45 Trung bình trung Ghi Di chuyển sàn bê tơng, có gió bình (m/s) Di chuyển sàn gạch đá hoa, khơng có gió STT Độ lệch Góc lệch Vận tốc Thời 89 STT Quãng đường (m) Thời gian (s) Vmax (m/s) 2,9 4,1 1,41 1,8 2,4 1,5 3,7 5,1 1,45 4,3 5,3 1,62 1,25 1,44 1,74 3,25 3,9 1,67 3,7 4,8 1,54 3,3 4,1 1,61 5,5 6,4 1,72 10 4,2 4,8 1,75 Trung bình 1,6 ... hiểu nguyên lý hoạt động robot hai bánh tự cân  Mơ hình hóa robot hai bánh tự cân  Mô robot hai bánh tự cân máy tính  Thiết kế vẽ khí robot hai bánh tự cân 6  Thiết kế hệ thống điều khiển... Bản vẽ lắp robot hai bánh tự cân 42 Hình 4.2 Phần khung robot hai bánh tự cân 43 Hình 4.3 Mơ hình phân rã robot hai bánh tự cân 43 Hình 4.4 Mơ hình robot hai bánh tự cân hoàn chỉnh... 57 Hình 4.25 Chế tạo phần chắn hộp pin 57 Hình 4.26 Chế tạo tầng hai robot 58 Hình 4.27 Khung robot hai bánh tự cân hồn chỉnh 58 Hình 4.28 Robot hai bánh tự cân hoàn chỉnh