ĐỒ án tốt NGHIỆP đề tài xe cân bằng hai bánh thông minh

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Xe cân hai bánh thông minh Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Quý Sỹ Sinh viên thực hiện: Vũ Văn Minh Mã sinh viên: B18DCDT159 Lớp: D18DTMT2 Hà Nội, 2022 HỌC VIÊN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ tên sinh viên: Vũ Văn Minh Lớp: D18DTMT2 Khoá: 2018-2023 Ngành đào tạo: Kỹ thuật Điện-Điện tử Hệ đào tạo: Đại học quy Tên đồ án/khố lận tốt nghiệp: “Xe cân hai bánh thông minh” Lý chọn đề tài: Tình trạng thực tế giao thơng phức tạp, hỗn hợp loại xe tham gia đường Đặc biệt ô nhiễm môi trường chất thải từ xe cộ sử dụng xăng dầu làm nguyên liệu cho động Vì mà giải pháp lượng điện dần vào thay thế, ô tô điện, xe đạp điện,… đời cải thiện ô nhiễm giá thành Cũng từ lý trên, em lựa chọn nghiên cứu mơ hình xe cân hai bánh thơng minh Đây mơ hình nhỏ gọn từ kích thước tới chi phí đầu tư, thơng minh chức kèm (như xử lý khoảng cách vật cản, dò line, chuyển động theo remote hay học lệnh, giám sát camere, ) Nội dung đồ án: Chương 1: Tổng quan xe cân hai bánh cân thông minh Chương 2: Các sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế hệ thống Cơ sở liệu ban đầu: Môn học: Hệ thống nhúng, Kỹ thuật vi xử lý, Thị giác máy tính, CAD/CAM, Các nghiên cứu tính chất MIMO (Multi – Input Multi - Output), Bộ lọc Kalman, Thuật toán điều khiển PID,… Ngày giao đề tài: … /… /2022 Ngày nộp quyển: …./… /2022 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) TRƯỞNG KHOA (Ký, ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN NỘI DUNG ĐỒ ÁN: - - HÌNH THỨC TRÌNH BÀY: Thuyết minh: Bản vẽ: - NHẬN XÉT KHÁC: Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ: - Ngày tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn (ký tên) LỜI MỞ ĐẦU MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Danh mục hình ảnh CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ XE CÂN BẰNG HAI BÁNH THÔNG MINH 1.Thế xe hai bánh tự cân (two wheel self balancing) 2.Ưu nhược điểm xe hai bánh tự cân 2.1 Ưu điểm xe tự cân hai bánh 2.2 Nhược điểm xe 3.Một số dạng xe hai bánh tự cân dung robot 3.1 nBot 3.2 Balance bot CHƯƠNG CÁC CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.Đặc tính động lực học 1.1 Mơ hình hóa robot bánh tự cân địa hình 2.Bộ lọc Kalman 2.1 Giới thiệu lọc Kalman 2.2 Quá trình ước lượng 2.3 Bản chất xác suất lọc 2.4 Thuật toán Kalman rời rạc 3.Giải thuật điều khiển 3.1 Bộ điều khiển PID 3.2 Cấu trúc điều khiển PID cho robot hai bánh tự cân 4.Các thành phần mơ hình 4.1 Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước A4988 4.2 Vi điều khiển STM32F103C8T6 4.3 Kit ESP32 DOIT DevKit V1 4.4 Bánh xe 4.5 Mạch Giảm Áp DC XL4015 (5A) 4.6 Mạch Giảm Áp DC LM2596 3A 4.7 Pin cell 18650 2000mAh 4.8 Trụ đồng đực 20mm 4.9 Hộp đế pin 18650 cell 4.10 Cảm biến gia tốc GY-521 6DOF IMU MPU6050 4.10 Cảm biến siêu âm (HC – SRF04) CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Thiết kế phần cứng Thiết kế khí Kết nối phần cứng Bộ lọc Kalman Lưu đồ giải thuật điều khiển CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết đạt Những hạn chế hướng phát triển 2.1 Hạn chế 2.2 Hướng phát triển TÀI LIỆU THAM KHẢO Danh mục hình ảnh Hình 1: Mơ tả ngun lý giữ thăng Hình 2: nBot Hình 3: Balance – bot 10 Hình 4: Mơ hình xe bánh tự cân mặt phẳng 11 Hình 5: Biểu diễn lực momen mơ hình 16 Hình 6: Quy trình thực lọc Kalman 19 Hình 7: Tổng quan chu trình thực lọc Kalman hồn chỉnh .20 Hình 8: Sơ đồ hệ thống điều khiển sử dụng PID 21 Hình 9: Ảnh hưởng thông số điều khiển PID đến hệ thống 22 Hình 10: Cấu trúc điều khiển PID cho hệ robot hai bánh tự cân 22 Hình 11: Mạch điều khiển động bước A4988 24 Hình 12: Bảng cấu hình chân tạo độ phân giải bước module A4988 .24 Hình 13: Sơ đồ chân trình điều khiển A4988 25 Hình 14: Kit phát triển STM32F103C8T6 Blue Pill ARM Cortex-M3 26 Hình 15: Board kit phats triển ESP32 DOIT DevKit V1 28 Hình 16: Bánh xe 65mm khớp lục giác 29 Hình 17: Mạch giảm áp DC XL4015 (5A) 29 Hình 18: Mạch giảm áp DC LM2596 3A 30 Hình 19: Pin cell 18650 2000mAh 30 Hình 20: Trụ đồng đực 20mm 30 Hình 21: Hộp để pin 18650 cell 31 Hình 22: Cảm biến gia tốc GY-521 6DOF IMU MPU6050 31 Hình 23: Sơ đồ nguyên lý Cảm biến gia tốc GY-521 6DOF IMU MPU6050 32 Hình 24: Cảm biến siêu âm (HC-SR04) 33 Hình 25: Sơ đồ xung SR05 33 Hình 26: Động step size 42 ngắn(NEMA17HS3401S) 34 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ XE CÂN BẰNG HAI BÁNH THÔNG MINH Thế xe hai bánh tự cân (two wheel self balancing) Hình 1: Mô tả nguyên lý giữ thăng Đối với xe 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 không di chuyển hồn tồn khơng thể, việc thăng xe dựa tính chất quay hồi chuyển hai bánh xe quay Còn xe hai bánh tự cân bằng, loại xe có hai bánh với trục hai bánh xe trùng nhau, xe cân bằng, trọng tâm xe cần giữ nằm bánh xe Điều giống ta giữ gậy dựng thẳng đứng cân lòng bàn tay Thực ra, trọng tâm tồn xe khơng biết nằm vị trí nào, khơng có cách tìm nó, khơng có khả di chuyển bánh xe đủ nhanh f (k )−f ( k−1) y (k )≈ Ts ⇔ U Rời rạc hóa tích phân theo thời gian: k T [ z s ∫ y (t ) dt= y ( k )≈ y (k −1)+ ] = z − Phép biến đổi rời rạc (z-Tranform) U ∞ X [ z ]=Z {x [k ] }=∑ x [ k ] z −k [ k=0 z z= Ae jθ= A (cos θ+ J sin θ) ] Ta có Z {x [ k−n ] }=z−n X [ z ] Z {x [ k ] }=X [ z ] + Do đó: a E ( ) [ y k z = ] Và + b y (k )= y (k −1) z − U [ z] E ⇔ =K [ z] E [ p U [z ] z = E[z] ] + c z − U [z ] ⇔ E[z] = [ z U [z ] ⇔ E[z] E ] = ⇔ u [k ]=u [ k−1 ]+ae [ k ]+ be [ k−1 ]+ce [ k −2] [2.52] [2.53] [2.54] [2.55] [2.56] [2.57] [2.58] [2.59] [2.60] [2.61] 24 Trong đó: a=K p Các thành phần mơ hình 4.1 Mạch Điều Khiển Động Cơ Bước A4988 THÔNG SỐ KỸ THUẬT Cơng suất ngõ lên tới 35V, dịng đỉnh 2A Cú ch : Full bc, ẵ bc, ẳ bc, 1/8 bước, 1/16 bước Điểu chỉnh dòng triết áp, nằm bên Current Limit = VREF × 2.5 Tự động ngắt điện nhiệt Trình điều khiển cung cấp năm độ phân giải bước khác nhau: bước đầy đủ, bước cao hơn, bước phần tư, bước tám bước thứ mười sáu Ngồi ra, có chiết áp để điều chỉnh đầu tại, ngắt nhiệt nhiệt bảo vệ dòng điện chéo 25 Hình 12: Bảng cấu hình chân tạo độ phân giải bước module A4988 Điện áp logic từ đến 5,5 V dòng điện tối đa pha 2A cung cấp làm mát bổ sung tốt dòng điện liên tục 1A pha mà không cần tản nhiệt làm mát CÁCH SỬ DỤNG Lựa chọn chế độ full hay ẵ hay ẳ s c thụng qua pin MS1 MS2 MS3 Mình thường nối thẳng pin với công tắc bit 3p để dễ thiết lập từ phần cứng Lưu ý thả pin tức mode full step Bật tắt động thơng qua pin ENABLE, mức LOW bật module, mức HIGH tắt module Điều khiển chiều quay động thông qua pin DIR Điều khiển bước động thông qua pin STEP, xung tương ứng với bước (hoặc vi bước) Hai chân Sleep với Reset ln nối với Hình 13: Sơ đồ chân trình điều khiển A4988 Bây quan sát sơ đồ chân trình điều khiển kết nối với động bước điều khiển Vì vậy, chúng tơi bắt đầu với chân phía bên phải nút để cấp nguồn cho trình điều khiển, chân VDD Ground mà cần kết nối chúng với nguồn điện từ đến 5,5 V trường hợp chúng tơi, điều khiển chúng tôi, Arduino Bo mạch cung cấp V chân sau dùng để 26 kết nối động Các chân 1A 1B kết nối với cuộn dây động chân 2A 2B với cuộn dây khác động Để cấp nguồn cho động cơ, sử dụng chân tiếp theo, Ground VMOT, cần kết nối chúng với Nguồn điện từ đến 35 V cần sử dụng tụ tách có 47 µF để bảo vệ bo mạch điều khiển khỏi tăng điện áp Hai chân tiếp theo, Step Direction chân mà thực sử dụng để điều khiển chuyển động động Chân Direction điều khiển hướng quay động cần kết nối với chân kỹ thuật số vi điều khiển chúng tôi, trường hợp chúng tôi, kết nối với chân số Bảng Arduino tơi Với chân Step, điều khiển bước động với xung gửi đến chân này, động di chuyển bước Vì vậy, điều có nghĩa khơng cần lập trình phức tạp nào, bảng thứ tự pha, đường điều khiển tần số, v.v., trình biên dịch tích hợp Trình điều khiển A4988 đảm nhiệm thứ Ở cần đề cập chân không kéo đến điện áp bên trong, khơng nên để chúng trơi chương trình Tiếp theo Pin SLEEP mức logic thấp đặt bo mạch chế độ nghỉ để giảm thiểu tiêu thụ điện động không sử dụng Tiếp theo, chân ĐẶT LẠI đặt dịch sang trạng thái Trang chủ xác định trước Trạng thái nhà Vị trí microstep nhà nhìn thấy từ Hình từ Biểu liệu A4988 Vì vậy, vị trí ban đầu từ nơi động khởi động chúng khác tùy thuộc vào độ phân giải microstep Nếu trạng thái đầu vào cho chân mức logic thấp tất đầu vào STEP bị bỏ qua Chân Reset chân nên khơng có ý định điều khiển chương trình mình, cần kết nối với chân SLEEP để đưa lên cao kích hoạt bo mạch 4.2 Vi điều khiển STM32F103C8T6 27 Hình 14: Kit phát triển STM32F103C8T6 Blue Pill ARM Cortex-M3 - STM32F103C8T6 vi điều khiển 32bit, thuộc họ F1 dòng chip STM32 hãng ST - Lõi ARM COTEX M3 - Tốc độ tối đa 72Mhz - Bộ nhớ : 64 kbytes nhớ Flash 20 kbytes SRAM - Clock, reset quản lý nguồn Điện áp hoạt động từ 2.0 → 3.6V Sử dụng thạch anh từ 4Mhz → 20Mhz Thạch anh nội dùng dao động RC mode 8Mhz 40Khz - Chế độ điện áp thấp: Có mode: ngủ, ngừng hoạt động hoạt động chế độ chờ Cấp nguồn chân Vbat pin để dùng RTC sử dụng liệu lưu trữ nguồn cấp - ADC 12 bit với kênh cho Khoảng giá trị chuyển đổi từ – 3.6 V Có chế độ lấy mẫu kênh nhiều kênh - DMA: kênh DMA Có hỗ trợ DMA cho ADC, UART, I2C, SPI - Timer: Timer 16 bit hỗ trợ mode Input Capture/ Output Compare/ PWM 28 Timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động với mode bảo vệ ngắt Input, deadtime Watchdog Timer để bảo vệ kiểm tra lỗi Systick Timer 24 bit đếm xuống cho hàm Delay,… - Có hỗ trợ kênh giao tiếp: I2C USART SPI CAN USB 2.0 full-speed interface - Kiểm tra lỗi CRC 96-bit ID Các thông số kĩ thuật: Điện áp cấp 5VDC qua cổng Micro USB chuyển đổi thành 3.3VDC qua IC nguồn cấp cho Vi điều khiển Tích hợp sẵn thạch anh 8Mhz Tích hợp sẵn thạnh anh 32Khz cho ứng dụng RTC Ra chân đầy đủ tất GPIO giao tiếp: CAN, I2C, SPI, UART, USB, Tích hợp Led trạng thái nguồn, Led PC13, Nút Reset Kích thước: 53.34 x 15.24mm 4.3 Kit ESP32 DOIT DevKit V1 Hình 15: Board kit phats triển ESP32 DOIT DevKit V1 29 Thông số kỹ thuật: ESP32 lõi kép, điều có nghĩa có vi xử lý Nó tích hợp Wi-Fi bluetooth Nó chạy chương trình 32 bit Xung nhịp (clock frequency) lên đến 240MHz có RAM 512 kB Loại board có 30 36 chân, hàng có 15 chân Nó có sẵn nhiều loại ngoại vi (peripheral), như: cảm ứng điện dung (capacitive touch), ADC, DAC, UART, SPI, I2C nhiều Nó tích hợp với cảm biến hiệu ứng Hall (Hall effect sensor) cảm biến nhiệt độ Mơi trường lập trình ESP32 lập trình nhiều mơi trường lập trình khác Bạn sử dụng: Arduino IDE Espressif IDF (IoT Development Framework) MicroPython JavaScript LUA v.v Trong dự án này, lập trình ESP32 chủ yếu Arduino IDE MicroPython 4.4 Bánh xe Thông số kỹ thuật: - Chất liệu: Nhựa cứng, lớp đệm mút, cao su tốt - Đường kính: 65mm - Độ rộng bánh: 27mm 30 Hình 16: Bánh xe 65mm khớp lục giác 4.5 Mạch Giảm Áp DC XL4015 (5A) Hình 17: Mạch giảm áp DC XL4015 (5A) Thông số mạch giảm áp DC XL4015 (5A): - IC chính: XL4015 - Tích hợp led báo điện áp đầu - Điện áp đầu ra: 1.25 ~ 32VDC - Dòng đầu tối đa: 5A - Hiệu suất : 96% - Tần số xung: 180KHz - Tích hợp Mosfet đóng ngắt tần số cao - Maximum Duty Cycle: 100% - Minimum Drop Out: 0.3VDC - Nhiệt độ làm việc : -40 ~ 125 độ C Kích thước: 54 x 23 x 18mm nhơm tản nhiệt cho IC - Điện áp đầu vào: 8~36VDC 4.6 Mạch Giảm Áp DC LM2596 3A 31 Thông số kỹ thuật: - Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V - Điện áp đầu ra: Điều chỉnh khoảng 1.5V đến 30V Hình 18: Mạch giảm áp DC LM2596 3A - Dòng đáp ứng tối đa 3A - Hiệu suất: 92% - Cơng suất: 15W - Kích thước: 45 (dài) * 20 (rộng) * 14 (cao) mm 4.7 Pin cell 18650 2000mAh Thông số kỹ thuật: - Điện áp: 3.7v - Dung lượng: 2000mah - Điện áp sạc đầy: 4.2v Hình 19: Pin cell 18650 2000mAh 4.8 Trụ đồng đực 20mm Hình 20: Trụ đồng đực 20mm 4.9 Hộp đế pin 18650 cell Thông số kỹ thuật: - Các Cell pin nối tiếp với với điện áp tối đa: 4.2 x - Dây màu đỏ + - Dây màu đen – Hình 21: Hộp để pin 18650 cell 4.10 Cảm biến gia tốc GY-521 6DOF IMU MPU6050 Hình 22: Cảm biến gia tốc GY-521 6DOF IMU MPU6050 Cảm biến gia tốc GY-521 6DOF IMU MPU6050 sử dụng để đo thơng số: trục Góc quay (Gyro), trục gia tốc hướng (Accelerometer), loại cảm biến gia tốc phổ biến thị trường Thông số kỹ thuật: - Điện áp sử dụng: 3~5VDC - Điện áp giao tiếp: 3~5VDC - Chuẩn giao tiếp: I2C - Giá trị Gyroscopes khoảng: +/- 250 500 1000 2000 degree/sec 3 - Giá trị Acceleration khoảng: +/- 2g, +/- 4g, +/- 8g, +/- 16g - Board mạch mạ vàng, linh kiện hàn tự động máy chất lượng tốt Hình 23: Sơ đồ nguyên lý Cảm biến gia tốc GY-521 6DOF IMU MPU6050 MPU-6050 cảm biến hãng InvenSense MPU- 6050 giải pháp cảm biến chuyển động giới có tới trục cảm biến (mở rộng tới trục) tích hợp chip MPU-6050 sử dụng công nghệ độc quyền MotionFusion InvenSense chạy thiết bị di động, tay điều khiển, Ngồi ra, MPU-6050 cịn có đơn vị tăng tốc phần cứng chuyên xử lý tín hiệu (Digital Motion Processor – DSP) cảm biến thu thập thực tính tốn cần thiết Điều giúp giảm bớt đáng kể phần xử lý tính tốn vi điều khiển, cải thiện tốc độ xử lý cho phản hồi nhanh Đây điểm khác biệt đáng kể MPU-6050 so với cảm biến gia tốc gyro khác Các cảm biến bên MPU -6050 sử dụng chuyển đổi tương tự - số (Analog to Digital Converter – ADC) 16 -bit cho kết chi tiết góc quay, tọa độ Với 16 -bit bạn có 2^16 = 65536 giá trị cho cảm biến Tùy thuộc vào yêu cầu bạn, cảm biến MPU- 6050 hoạt động chế độ tốc độ xử lý cao chế độ đo góc quay xác (chậm hơn) MPU-6050 kết hợp với cảm biến từ trường (bên ngoài) để tạo thành cảm biến góc đầy đủ thơng qua giao tiếp I2C Hơn nữa, MPU-6050 có sẵn đệm liệu 1Kb cho phép vi điều khiển phát lệnh cho cảm biến, nhận liệu sau MPU-6050 tính tốn xong 34 4.10 Cảm biến siêu âm (HC – SRF04) Hình 24: Cảm biến siêu âm (HC-SR04) Nguyên lý hoạt động: Để đo khoảng cách, ta phát xung ngắn (5 microSeconds) từ chân Trig Sau đó, cảm biến siêu âm tạo xung HIGH chân Echo nhận lại sóng phản xạ pin Chiều rộng xung với thời gian sóng siêu âm phát từ cảm biển quay trở lại Tốc độ âm khơng khí 340 m/s (hằng số vật lý), tương đương với 29,412 microSeconds/cm (106 / (340*100)) Khi tính thời gian, ta chia cho 29,412 để nhận khoảng cách Hình 25: Sơ đồ xung SR05 35 4.11 Động bước Thông số kỹ thuật: ° - Góc bước: 1.8 - Kích thước: 42x42x34mm - Truyền động bước pha - Độ xác điện trở: ± 10 % - Điện cảm xác: ± 20 % - Lực đẩy: 500VAC phút - Điện áp: Vdc ± 36 Vdc Hình 26: Động step size 42 ngắn(NEMA17HS3401S) CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Thiết kế phần cứng Thiết kế khí Kết nối phần cứng Thiết kế phần mềm Bộ lọc Kalman Lưu đồ giải thuật điều khiển Dựa tảng thuật toán điều khiển PID, giải thuật cân điều khiển bám theo vị trí ban đầu mơ hình robot xây dựng theo lưu đồ sau: 36 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết đạt Những hạn chế hướng phát triển 2.1 2.2 Hạn chế Hướng phát triển TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 ... chuyển hai bánh xe quay Còn xe hai bánh tự cân bằng, loại xe có hai bánh với trục hai bánh xe trùng nhau, xe cân bằng, trọng tâm xe cần giữ nằm bánh xe Điều giống ta giữ gậy dựng thẳng đứng cân. .. QUAN VỀ XE CÂN BẰNG HAI BÁNH THÔNG MINH 1.Thế xe hai bánh tự cân (two wheel self balancing) 2.Ưu nhược điểm xe hai bánh tự cân 2.1 Ưu điểm xe tự cân hai bánh 2.2 Nhược điểm xe ... thay tìm cách xác định trọng tâm bánh xe, khung xe cần phải thẳng đứng, vng góc với sàn xe (góc cân 0) Ưu nhược điểm xe hai bánh tự cân 2.1 Ưu điểm xe tự cân hai bánh - Không ô nhiễm, sử dụng pin