BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA H ỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG THI ẾT KẾ XE HAI BÁNH T Ự CÂN BẰNG DÙNG PHƯƠNG PHÁP PID BACKSTEPPING Mã số 080[.]
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG DÙNG PHƯƠNG PHÁP PID BACKSTEPPING Mã số: 08012 Chủ nhiệm đề tài: ThS.Nguyễn Ngọc Sơn TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2013 BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG DÙNG PHƯƠNG PHÁP PID BACKSTEPPING Mã số: 08012 Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2013 Đề tài KHCN cấp Trường ThS Nguyễn Ngọc Sơn Khoa Công Nghệ Điện Tử LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn lãnh đạo Khoa Công Nghệ Điện Tử, Bộ Môn Điện Tử Tự Động đồng nghiệp cung cấp tài liệu đóng góp ý kiến cho việc thực đề tài nghiên cứu khoa học i Đề tài KHCN cấp Trường ThS Nguyễn Ngọc Sơn Khoa Công Nghệ Điện Tử MỤC LỤC Danh mục hàm, ký hiệu, từ viết tắt iv Danh mục hình vẽ, đồ thị, bảng biểu iv Thông tin kết nghiên cứu vii Chương 1: Tổng Quan 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.2.1 Xe hai bánh tự cân 1.2.2 Robot hai bánh tự cân 1.2.3 Các báo nghiên cứu khoa học có liên quan 1.3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu, cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu .7 1.4 Nội dung nghiên cứu 1.5 Tóm tắt nội dung chương .8 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Tìm hiểu xe hai bánh tự cân .9 2.2 Lý thuyết điều khiển phi tuyến 10 2.2.1 Lý thuyết ổn định Lyapunov 10 2.2.2 Phương pháp backstepping 12 Chương 3: Mơ Hình Hóa Đối Tượng Và Thiết Kế Bộ Điều Khiển 17 3.1 Mơ hình hóa đối tượng .17 3.1.1 Phương trình động lực học đối tượng 17 3.1.2 Mô kiểm chứng mơ hình 23 3.2 Thiết kế điều khiển 25 3.2.1 Bộ điều khiển cân 26 3.2.2 Điều khiển quay trái, phải 39 3.2.3 Kết hợp điều khiển cân điều khiển quay trái, phải 42 Chương 4: Mơ Hình Thực Nghiệm Xe Hai Bánh Tự Cân Bằng 44 4.1 Mơ hình khí 44 ii Đề tài KHCN cấp Trường ThS Nguyễn Ngọc Sơn Khoa Công Nghệ Điện Tử 4.1.1 Sơ đồ cấu trúc khí 44 4.1.2 Động BLDC 45 4.1.3 Hình ảnh mơ hình thực 50 4.2 Các mạch điện tử 51 4.2.1 Mô đun điều khiển trung tâm 51 4.2.2 Mô đun điều khiển động BLDC 51 4.2.3 Mô đun HMI 55 4.2.4 Mô đun nguồn 56 4.2.5 Mô đun cảm biến 58 Chương 5: Xây Dựng Bộ Điều Khiển Trên Mơ Hình Thực 59 5.1 Giải thuật điều khiển 59 5.1.1 Mô đun điều khiển trung tâm 59 5.1.2 Mô đun Slave 59 5.2 Thiết kế mạng truyền thông CAN 62 5.3 Bộ lọc Kalman 63 5.3.1 Giải thuật lọc Kalman 63 5.3.2 Kết đo góc nghiêng mơ hình thực 66 5.4 Kết điều khiển thực nghiệm .67 5.2.1 Xe đứng yên cân 67 5.2.2 Quá trình khởi động 69 5.2.3 Xe chạy tới trước, lùi sau 70 Chương 6: Kết Luận Kiến Nghị .73 6.1 Kết luận .73 6.1.1 Kết đạt 73 6.1.2 Hoạt động bồi dưỡng, đào tạo 73 6.2 Một số hạn chế 74 6.3 Kiến nghị 74 Tài Liệu Tham Khảo 75 iii Đề tài KHCN cấp Trường ThS Nguyễn Ngọc Sơn Khoa Công Nghệ Điện Tử Phụ lục A: Giao thức CAN .76 Phụ lục B: Mã lập trình 87 Phụ lục C: Bài báo VCCA2013 .91 iv Đề tài KHCN cấp Trường ThS Nguyễn Ngọc Sơn Khoa Công Nghệ Điện Tử Danh Mục Các Hàm, Ký Hiệu , Từ Viết Tắt • Ký hiệu θ: Góc nghiêng thân xe so với phương thẳng đứng δ: Góc quay trái, phải MW: Khối lượng bánh xe MB: Khối lượng thân xe R: Bán kính bánh xe L: Khoảng cách từ trục z hai bánh xe đến trọng tâm người lái D: Khoảng cách hai bánh xe g: Gia tốc trọng trường • Từ viết tắt CAN: Controller Area Network PC: Personal Computer – Máy tính cá nhân PID: Proportional Integral Derivative BLDC motor: Brushless DC motor Danh Mục Các Hình Vẽ, Đồ Thị, Bảng Biểu Hình 1.1: Hình ảnh xe hai bánh tự cân Segway ……………………………… Hình 1.2: Balancing Scooter …………………………………………………………4 Hình 1.3: Spider………………………………………………………………………4 Hình 1.4: nBot ……………………………………………………………………… Hình 1.5: Hình ảnh robot JOE ……………………………………………………… Hình 1.6: Rolling robot……………………………………………………………….6 Hình 1.7: Winglet TOYOTA…………………………………………………………6 Hình 1.8: NXTway-GS……………………………………………………………….6 Hình 2.1: Mô tả nguyên lý giữ thăng ………………………………………… Hình 2.2: Mơ tả cách di chuyển xe địa hình phẳng ………………………10 Hình 2.3: Mơ tả cách di chuyển xe địa hình khơng phẳng ……………….10 v Đề tài KHCN cấp Trường ThS Nguyễn Ngọc Sơn Khoa Cơng Nghệ Điện Tử Hình 3.1: Biểu diễn lực moment mơ hình……………………………………17 Hình 3.2: Sơ đồ khối mơ đối tượng xe hai bánh tự cân ……………… 23 Hình 3.3: Kết mơ đáp ứng góc lệch θ ………………………………… 24 Hình 3.6: Sơ đồ tổng quát điều khiển hệ thống …………………………………….25 Hình 3.7: Mơ hình simulink mô điều khiển cân sử dụng phương pháp integral backstepping ……………………………………………………………….31 Hình 3.8: Bộ điều khiển integral backstepping …………………………………… 31 Hình 3.9: Bộ chuyển đổi decoupling……………………………………………… 31 Hình 3.10: Kết mơ đáp ứng góc lệch θ moment Cθ ……………32 Hình 3.13: Mơ hình simulink mơ điều khiển cân có góc lái tilt command ……………………………………………………………………………33 Hình 3.14: Dạng sóng rider tilt command ………………………………………34 Hình 3.15: Kết mơ đáp ứng góc lệch θ moment Cθ ……………34 Hình 3.16: Mơ hình simulink mơ điều khiển cân sử dụng phương pháp adaptive backstepping……………………………………………………………….35 Hình 3.17: Bộ điều khiển adaptive backstepping……………………………………35 Hình 3.18: Bộ chuyển đổi decoupling ………………………………………………35 Hình 3.19: Kết mơ đáp ứng góc lệch θ moment Cθ …………… 36 Hình 3.22: Mơ hình simulink mơ điều khiển cân có góc lái tilt command ……………………………………………………………………………37 Hình 3.23: Dạng sóng góc lái tilt command ……………………………………… 38 Hình 3.24: Kết mơ đáp ứng góc lệch θ moment Cθ …………… 38 Hình 3.25: So sánh đáp ứng điều khiển cân sử dụng integral backstepping adaptive backstepping ……………………………………………………………39 Hình 3.26: Sơ đồ khối điều khiển quay trái, phải ……………………………… 40 Hình 3.27: Mơ hình simulink mơ điều khiển quay trái, phải …………….41 Hình 3.28: Đáp ứng góc quay δ ba trường hợp ε ωn ………………… 41 Hình 3.29: Mơ hình simulink mơ kết hợp điều khiển quay trái, phải điều khiển cân …………………………………………………………………42 vi Đề tài KHCN cấp Trường ThS Nguyễn Ngọc Sơn Khoa Cơng Nghệ Điện Tử Hình 3.30: Kết mơ đáp ứng góc lệch θ ………………………………….42 Hình 3.31: Kết mơ đáp ứng góc lệch δ………………………………… 43 Hình 4.1: Sơ đồ khối mơ hình phần cứng xe hai bánh tự cân …………………44 Hình 4.2: Sức phản điện động dạng hình thang …………………………………….46 Hình 4.3: Mặt cắt BLDC ………………………………………………….47 Hình 4.4: Rotor trục động …………………………………………………….47 Hình 4.5: Sơ đồ thể nguyên lý đảo dây pha BLDC ………………………….48 Hình 4.6: trạng thái đảo pha BLDC ……………………………………………….48 Hình 4.7: Mạch cơng suất điều khiển Sensor BLDC ……………………………… 49 Hình 4.8: Bảng trạng thái cảm biến hall mạch công suất ……………………49 Hình 4.9: Hình ảnh mơ hình thực ………………………………………………… 50 Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý mô đun điều khiển trung tâm ……………………… 51 Hình 4.11: Cầu pha dùng IC HCPL3120 ……………………………………… 53 Hình 4.12: Cảm biến hall ………………………………………………………… 54 Hình 4.13: Sơ đồ ngun lý mơ đun slave 1, ………… ……………………… 54 Hình 4.14: Sơ đồ mạch HMI …………………………….………………………….55 Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ……………………………………… 56 Hình 4.16: Sơ đồ mơ đun cảm biến …………………………………………………58 Hình 5.1: Lưu đồ giải thuật chương trình …………………………………….59 Hình 5.2: Chương trình cập nhập liệu cho mơ đun slave ……………….62 Hình 5.3: Sơ đồ mạng CAN ……………………………………………………… 63 Hình 5.4: Tín hiệu cảm biến trước sau lọc nhiễu dùng Kalman ………… 66 Hình 5.5: Góc nghiêng xe đứng yên cân …………………………… 67 Hình 5.6: Góc nghiêng xe tác động ngoại lực vào tay lái ………………… 68 Hình 5.7: Góc nghiêng xe θ ban đầu -3o , khơng tác động ngoại lực ………69 Hình 5.8: Góc nghiêng xe θ ban đầu 2.5o, không tác động ngoại lực ………69 Hình 5.9: Góc nghiêng θ xe chạy tới trước …………………………………70 Hình 5.10: Góc nghiêng θ xe chạy lùi sau ………………………………71 Hình 5.11: Góc nghiêng θ xe chạy tới trước, chạy lùi sau …………… 72 vii Đề tài KHCN cấp Trường ThS Nguyễn Ngọc Sơn Khoa Công Nghệ Điện Tử THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG Thơng tin chung: - Đề tài: Thiết kế xe hai bánh tự cân dùng phương pháp PID backstepping - Mã số: 08012 Chủ nhiệm đề tài: ThS.Nguyễn Ngọc Sơn - Điện thoại: 0976 645 726 Email: son.nguyen.fet@gmail.com - Đơn vị quản lý chuyên môn: Khoa Công Nghệ Điện Tử - Thời gian thực hiện: 4/2012 – 4/2013 Mục tiêu: Xây dựng mơ hình thực xe hai bánh tự cân Nội dung chính: - Xây dựng phần cứng khí - Thiết kế thi công mạch công suất điều khiển động BLDC - Thiết kế mô đun đo góc nghiêng - Thiết kế mạch vi điều khiển (MCU) - Thiết kế điều khiển PID backstepping - Mô hình , mơ đối tượng - Lập trình nhúng điều khiển mơ hình thực Kết đạt - Đã thiết kế thành cơng mơ hình thực xe hai bánh tự cân Xe hoạt động tốt, ổn định - Đã đào tạo hai sinh viên Cao Văn Kiên Huỳnh Lê Bảo lớp ĐHĐT5A hoàn thiện khóa luận tốt nghiệp (điểm đánh giá suất xắc, 10đ) - Tham gia hội nghị toàn quốc lần thứ điều khiển tự động hóa với báo: “Điều khiển backstepping thích nghi xe điện hai bánh tự cân bằng”, Nguyễn Ngọc Sơn, Hồ Phạm Huy Ánh, Nguyễn Văn Cường, VCCA 2013 - Kết nghiên cứu đề tài tác giả sử dụng để báo cáo luận văn thạc sĩ chuyên ngành Tự động hóa vào ngày 06/01/2012, Trường Đại học Bách khoa TP.Hồ Chí Minh viii ... thăng xe dựa tính chất quay hồi chuyển hai bánh xe quay Còn xe hai bánh tự cân loại xe có hai bánh với trục hai bánh xe trùng Để cho xe cân bằng, trọng tâm xe (bao gồm người sử dụng) cần giữ nằm bánh. .. tượng xe hai bánh tự cân Matlab • Thực thi ứng dụng phương pháp điều khiển chiếu (backstepping) Từ đó, thiết kế điều khiển cân cho đối tượng xe hai bánh tự cân Matlab/Simulink • Thiết kế mơ đun... loại xe chở người − Các loại robot hai bánh tự cân nBot, JOE…Đặc điểm chung loại robot chở người 1.2.1 Xe hai bánh tự cân 1.2.1.1 Mơ hình xe Segway PT Hình 1.1: Hình ảnh xe hai bánh tự cân Segway