Bài tập môn thiết kế hệ thống cơ điện tử lựa chọn phương án kết cấu cơ khí (mechanical modules)

 BÀI TẬP MÔN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 03 năm 2020 MỤC LỤC I Đề yêu cầu đặt ra: II Giới thiệu tổng quan: III Lựa chọn phương án kết cấu khí (Mechanical modules): .11 IV Lựa chọn phương án module điều khiển (Controller): 17 V Lựa chọn phương án module điện – điện tử ( Electrical electronics modules): 22 Bài tập Thiêt kế hệ thống điện tử - 2- I Đề yêu cầu đặt ra: Đề bài: Cho mơ hình robot bánh tự cân hình vẽ với thông số kỹ thuật sau: Vận tốc di chuyển mong muốn: 10m/phút Tải trọng mang xe: kg Kích thước hình học giới hạn chiều (dài x rộng x cao): 300mm x 200mm x 600mm Thời gian hoạt động sau lần sạc pin: 15 phút Hãy lên phương án thiết kế robot bánh tự cân với yêu cầu kỹ thuật nêu theo định hướng điện tử Hình 1: Mẫu robot hai bánh tự cân Bài tập Thiêt kế hệ thống điện tử - 3- Yêu cầu đặt ra: Có khả tự đạt trạng thái cân từ vị trí nghỉ (thân robot nằm gần song song với mặt đất.) Có khả trì trạng thái cân tác động bên ngồi Có khả điều khiển thơng qua ứng dụng điện thoại Có khả hoạt động ổn định mặt đường phẳng hoạt động địa hình phức tạp (bề mặt gồ ghề) II Giới thiệu tổng quan: Robot hai bánh tự cân gì? 1.1 Ngun lí hoạt động robot hai bánh tự cân bằng: Hình 2: Mô tả nguyên lý giữ thăng Khác với xe ba hay bốn bánh cân nhờ trọng tâm xe nằm mặt phẳng tạo từ điểm tiếp xúc bánh xe với mặt đường, xe hai bánh tự cân mô tả hình đạt trạng thái ổn định trọng tâm xe (bao gồm xe tải mang theo) đặt bánh xe Về mặt vật lý, robot đề cập đến đề tài có nguyên tắc giống với lắc ngược – vấn đề kinh điển đề cập môn học Động lực học Điều khiển Hình 3: Mơ hình lắc ngược mơn học Động lực học điều khiển Bài tập Thiêt kế hệ thống điện tử Hình 4: Mơ hình robot hai bánh tự cân - 4- Về mặt nguyên lý hoạt động, hai mơ hình điều chỉnh góc nghiêng lắc theo mơ hình Kerman giữ thăng người (nếu người có xu hướng nghiêng phía trước, não lệnh cho hai chân đưa phía trước để giữ thăng bằng, tránh bị ngã) Vì vậy, lắc (tải) có xu hướng nghiêng phía, điều khiển lệnh cho động hoạt động đưa hệ thống theo phía có khả gây cân Việc điều chỉnh tạo nên gia tốc qn tính (đối với mơ hình lắc ngược) momen cản quay (đối với mô hình robot tự cân bằng) giúp giữ góc nghiêng tải nằm phạm vi cho phép Hình 5: Mơ tả cách robot bắt đầu di chuyển Tuy nhiên, điểm khác biệt quan trọng mơ hình robot trục động đồng thời đóng vai trị trục quay lắc (toàn thân xe tải mang theo) Bên cạnh đó, góc nghiêng đo cảm biến chuyên dụng không sử dụng encoder mơ hình lắc ngược 1.2 Ưu điểm robot hai bánh tự cân bằng: Nhỏ gọn so với robot dùng từ bánh trở lên Linh hoạt di chuyển, xoay điều hướng chỗ nên ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đời sống công nghiệp Xe thiết kế với hai bánh xe đặt song song giúp xe dễ dàng di chuyển khơng gian hẹp mà không gặp nhiều trở ngại loại phương tiện khác Với khả tự cân hai bánh, loại robot chế tạo cải tiến thành phương tiện giao thông (như xe scooter tự cân bằng, …), phục vụ nhu cầu lại người 1.3 Nhược điểm robot hai bánh tự cân bằng: Với địa hình phức tạp robot khó di chuyển Ví dụ leo dốc, dốc có độ dốc cao robot khó đạt trạng thái cân bằng, hay leo bậc thang có chiều cao q bán kính bánh xe… Bài tập Thiêt kế hệ thống điện tử - 5- Các nghiên cứu nước: Hiện nay, chưa có thơng tin thức việc chế tạo ứng dụng robot hai bánh tự cân nước ta Tuy nhiên, giới, vấn đề lạ Trên thực tế, mơ hình robot hai bánh tự cân chế tạo đại trà thành phương tiện vận chuyển cá nhân phổ biến với giá phải Dưới đây, người viết trình bày số cơng trình thực nghiên cứu sinh giới sản phẩm thương mại hóa rộng rãi 2.1 Equibot – Dan Piponi: Hình 6: Equibot Cảm biến sử dụng: Cảm biến hồng ngoại Sharp để đo khoảng cách với sàn sử dụng thơng tin để tính tốn góc nghiêng Từ gửi tín hiệu cho xử lý để điều khiển robot chống lại cân Cảm biến đặt thấp để liệu chuyển xác Động cơ: Motor Servo Hitec HS – 311, nguồn điện nối vào động thông qua điều chế độ rộng xung PWM để kiểm soát tốc độ chúng Bộ điều khiển: dùng vi điều khiển ATMega32 RISC Nguyên lí hoạt động: Một Motor kết nối với điều khiển hồi tiếp trạng thái LQR Bộ điều khiển nhận tín hiệu vào trạng thái robot tín hiệu mẫu gửi cảm biến, sau tính tốn chuyển thành tín hiệu điều khiển cho robot Motor cịn lại việc chép chuyển động motor đầu Robot thực việc tự cân hay cân tác dụng lực đẩy nên ứng dụng cho mục đích học tập, nghiên cứu Cảm biến hồng ngoại gắn lệch ngồi nên kích thước bao robot lớn cồng kềnh Tuy nhiên, việc ứng dụng cảm biến hồng ngoại để đo góc nghiêng điểm hay robot Bài tập Thiêt kế hệ thống điện tử - 6- 2.2 nBot – David P.Anderson: Hình 7: nBot Ngun lí hoạt động: Khi phần robot ngã hướng nào, lúc cảm biến truyền giá trị để xử lý gửi tín hiệu điều khiển đi, bánh xe chạy hướng để trọng tâm robot giữ, nằm bánh xe khơng bị rơi ngồi vùng an tồn, tránh lật úp Cảm biến sử dụng: + Cảm biến góc nghiêng ADXL202 để xác định góc nghiêng robot so với trọng lực + Encoder tích hợp bánh xe để xác định vị trí robot + Thiết bị dò khoảng cách SHARP IR + Cảm biến PING điều hướng tránh vật cản Động cơ: Sử dụng động hộp số Pittman GM8712 DC cấp nguồn 24V pin AA 18 NiMH 1800mAh sạc lại Bộ điều khiển: Vi điều khiển mạch cầu H để điều khiển chiều tốc độ động Robot không thực việc cân chỗ mà di chuyển nhiều địa hình khác (sân bê tơng, cỏ, cát, địa hình dốc …) điều khiển để theo ý muốn Chính thế, robot ứng dụng việc dị thám địa hình làm việc mơi trường nguy hiểm mà người không thực thi Hình 8: nBot hoạt động số địa hình Nhìn chùng, nBot robot cân tồn diện Bài tập Thiêt kế hệ thống điện tử - 7- 2.3 Baliot: Là robot điển hình cho loại robot bánh, có trọng tâm trọng lực nằm bánh xe Nếu khơng có hệ thống điều khiển robot đổ lật Nguyên lý hoạt động loại robot này: Nếu tín hiệu cảm biến robot bắt hướng ngã lắc (ở thân robot), bánh xe di chuyển phía ngã để giữ thăng cho robot để không bị lật – Nguyên lý tương tự hầu hết loại robot Hình 9: Baliot Cảm biến sử dụng: Để đo độ nghiêng thân robot, Balibot sử dụng gia tốc kế Motorola MMA2260 low G gia tốc bao gồm board mạch làm từ vật liệu polysilicon Nó mơ tả sau: Có đứng yên di động giữa, thiết bị bị nghiêng giữ di chuyển làm thay đổi khoảng cách Đầu cảm biến điện áp (dạng tín hiệu tương tự) khuếch đại điều hịa thêm mạch nằm bảng điều khiển Hình 10: Kết cấu robot Baliot Vi điều khiển sử dụng: Là dòng vi điều khiển PIC 16F876 từ Microchip Trong dịng vi điều khiển tích hợp biến đổi ADC (Analog to Digital) để đọc giá trị trả từ loại cảm biến đề cập trên, có cổng I/O (Input/Output) để điều khiển động servo để đáp ứng cho việc di chuyển liên tục Năng lượng sử dụng pin “AA” nguồn tuyến tính Low Dropout Linear Regilator (LDO) Điện áp dùng 6V dùng chung với tụ 3300 , dùng để ngăn chặn sụp nguồn đột ngột vi điều khiển gây hỏng servo Bài tập Thiêt kế hệ thống điện tử - 8- Bố trí: Các thiết bị điện tử lắp bảng RS 276 – 150 gắn vào tầng Pin gắn tầng đỉnh xem khối lượng robot Vật liệu sử dụng: Sử dụng khung nhơm Ưu điểm: + Mơ hình robot có thiết kế đơn giản Việc sử dụng vi điều khiển dòng PIC, giúp hướng tiếp cận trở nên gần gũi dễ thực + Vật liệu nhôm nên nhẹ, di động Nhược điểm: + Liên tục lấy mẫu góc nghiêng điều khiển servo cách sử dụng PWM Tốc độ để bắt cú rơi lớn robot cân Mặc dù sử dụng PIC hướng dễ tiếp cận với điều khiển đơn giản vậtythì việc suy trì cân vấn đề khó khăn 2.4 Balancing a Two-Wheeled: Rich Chi Ooi – Robot Chassis Hình 11: Balancing a Two-Wheeled Thiết kế khung dầm: + Thiết kế loại robot chồng Perspex kích cỡ 130 mm x 130mm với thành phần đặt khoảng cách (tương tự loại robot cân khác) Thiết kế đơn giản cho phép việc lắp ráp nhanh chóng chiều cao (khoảng cách tấm) tăng lên hạ xuống theo ý muốn + Động lắp vào khung đỡ làm từ nhơm, Nó giúp cho động nằm chặt sử dụng lỗ vít để bắt động cơ, dễ sai gây sai số cho động Khung động thiết kế với góc nghiêng lớn 30 độ bánh xe gắn lên Lý giới hạn phạm vi đo cảm biến Bài tập Thiêt kế hệ thống điện tử - 9- Bộ điều khiển: Bộ điều khiển sử dụng Mark Eyebot chạy Robios version 5.2 dùng não hệ thống robot tự thăng Bộ điều khiển bao gồm: + Một vi điều khiển 32 – Bit hoạt động tần số 33MHz, có 512k nhớ ROM 2048k nhớ RAM Nó cho phép thực chương trình chuyên sâu lớn việc xử lý dễ dàng Ngồn ngữ lập trình sử dụng cho điều khiển C Assembly Bộ phận truyền động: Động sử dụng động DC Faulhaber, sản xuất cơng ty FaulHaber Gmbh Đức Mỗi động có tỉ số truyền giảm tốc 54,2 : số moment xoắn 6,9203 x 10-4 Kg – m/A + Loại cảm biến sử dụng cảm biến số (digital) HITEC GY – 130 (rate gyroscope) cảm biến số đo độ nghiêng a SEIKA N3 dùng cho hệ thống robot cân để đo góc nghiêng robot vận tốc góc + Cảm biến HITEC GY – 130 trả giá trị vận tốc góc tức thời thơng qua TPU (Timing Processing Unit) channel Giá trị vận tốc góc tức thời thu việc đo khác biệt tín hiêu bị thay đổi 50% tín hiệu điều khiển + Cảm biến đo độ nghiêng SEIKA N3 cảm biến điện dung: Cảm biến dựa chất lỏng, đầu cảm biến tuyến tính khơng may cảm biến có độ hiểu khoảng -30 đến 30 độ Do giải thích giới hạn góc quay khung giá đỡ cảm biến + Ngồi loại cảm biến robot sử dụng thêm encoder tuyệt đối để trả thông tin chuyển động robot xác định vận tốc điểm qua Nhận xét: - Ưu điểm: + Mơ hình robot thiết kế đơn giản Vi điều khiển sử dụng có nhớ tốc độ xử lí cao + Vật liệu sử dụng là: Tấm Perpes khung động nhôm trụ nên tương đối nhẹ di động, cịn tăng giảm khoảng cách tầng, linh động việc sử dụng + Việc sử dụng hai loại cảm biến trên: Cảm biến góc nghiêng loại cảm biến đo vận tốc góc tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều khiển, với phản hồi hai loại liệu trên, đảm bảo cho trình xử lý liên tục điều khiển giúp robot dễ dàng trì trạng thái cân - Khuyết điểm: + Vi điều khiển sử dụng khơng có ứng dụng rộng rãi thị trường Việt Nam, nên khó khăn việc tìm hiểu sử dụng + Khoảng đo tuyến tính cảm biến đo góc nghiêng khoảng từ -30 độ tới 30 độ Do việc di chuyển robot bị giới hạn tương đối lại Bài tập Thiêt kế hệ thống điện tử - 10- Đây loại bánh xe thường gặp thực tế mua với giá khơng q đắt Bề mặt lốp có nhiều vân tăng độ bám mặt đường Nếu quan trọng khả vận hành điều kiện địa hình phức tạp, ta lựa chọn loại bánh có nhiều gai giúp bám đường tốt Một cách sơ bộ, người viết lựa chọn bánh xe V2 65 (đường kính ngồi (đã tính lốp) 65 mm) 5.3 Tính tốn cơng suất động cơ: Chọn sơ tải thép đặc hình hộp (do thép có khối lượng riêng lớn bê tơng nên giảm kích thước hình học) có khối lượng riêng ρ ≈ (kg/dm ) Thể tích khối hình hộp cần thiết: = = = 0,375 ( ) = 375000 ( ) Chọn kích thước dài rộng khối tải (L W) 100 75 (mm) Chiều cao khối tải: 375000 = - = 100.75 = 50 ( ) Khối lượng khung robot thành phần cịn lại tính sơ (m1) = 0,5 (kg) Chọn sơ kích thước sau: Độ dày mica đỡ tải (H1) = mm - Khoảng cách từ trục động đến mặt phẳng gá động (H2) = 20 mm - Khoảng cách từ trục động đến trọng tâm thành phần lại hệ thống (trừ tải) (H3) = 100 mm Khoảng cách từ trục động đến tâm tải: 50 1= 1+ 2+ =5+20+ = 50 ( ) Tổng momen cần thiết để giữ khung robot tải không đổ: 50 =( + 1) 100 3+ =( 0,5) 9,81 = 1,96 ( 1000 ) 1000 Tốc độ quay động cơ: 10 × 1000 = 60 × 32,5 = = 5,13 ( × 60 = ) 5,13 × 60 = =49( ) Công suất động cơ: = 2.9550 1,96.49 1000 = Bài tập Thiêt kế hệ thống điện tử 2.9550 1000 ≈ 5,14 ( ) - 16- IV Lựa chọn phương án module điều khiển (Controller): Kiểu điều khiển: 1.1 Trình bày vấn đề: Mạch điện Robot tự cân gồm phần bao gồm mạch cảm biến, mạch điều khiển mạch lái đồng Có phương pháp dùng để kết nối phần với điều khiển tập trung điều khiển phân cấp 1.2 Nội dung phương pháp: 1.2.1 Điều khiển tập trung: Hình 17: Điều khiển tập trung Trong điều khiển tập trung (hình 1), có Micro Controller đồng thời thực nhiệm vụ: nhận xử lý tín hiệu từ cảm biến, nhận xử lý tín hiệu từ hai encorder, thực chương trình chính, tính giá trị điều khiển truyền cho hai động Ưu nhược điểm: Ưu điểm: Hệ sở liệu q trình thống nhất, tập trung, thực thuật tốn điều khiển q trình công nghệ cách tập trung thống Nhược điểm: Khi đối tượng điều khiển nhiều, phức tạp dẫn tới khối lượng tính tốn lớn hệ xử lý khơng đáp ứng u cầu tính tốn hệ thống Ngồi nhược điểm phương án điều khiển tập trung giá trị đo lường phải tập trung máy tính điều khiển dẫn đến khối lượng dây dẫn lớn làm tăng chi phí, khó khan cho cơng tác bảo trì sửa chữa Ứng dụng: Ngày cấu trúc tập trung thường thích hợp cho ứng dụng tự động hóa quy mô nhỏ vừa, điều khiển loại máy móc thiết bị đơn giản, dễ thực giá thành thấp Bài tập Thiêt kế hệ thống điện tử - 17- 1.2.2 Điều khiển phân cấp: Hình 18: Điều khiển phân cấp Trong điều khiển phân cấp (hình 2), MCU sử dụng Master dùng tính tốn cho chương trình điều khiển Các Slave cịn lại sử dụng MCU khác, thực tác vụ riêng biệt như: thu nhận xử lý tín hiệu từ cảm biến, tính tốn vị trí tương đối xe truyền cho Master, thu nhận tín hiệu từ Encoder, tính tốn luật điều khiển cho động cơ, đảm bảo cho động hoạt động theo yêu cầu Master,… Ưu nhược điểm: Ưu điểm: Chương trình điều khiển xử lý tín hiệu riêng biệt, dễ dàng cho tác vụ thiết kế nhóm, dễ dàng sửa đổi update code điều khiển phát triển sản phẩm; có khả xử lý nhiều tác vụ lúc, giúp giảm thiểu thời gian lấy mẫu Nhược điểm: Tốn nhiều tài nguyên (nhiều MCU hơn),… Ứng dụng: Cấu trúc phân cấp sử dụng nhiều hệ thống điều khiển tự động quy mô vừa lớn nay, giá thành có đắt đáp ứng tốt yêu cầu dễ thay sửa chữa hỏng hóc, bảo trì bảo dưỡng, 1.3 Phương án lựa chọn: Với hệ thống Robot thực quy mô nhỏ ta chọn phương pháp điều khiển tập trung Bài tập Thiêt kế hệ thống điện tử - 18- Phần mềm (lí thuyết điều khiển): Phương án Lí thuyết - Đơn giản PI Nhược điểm Ưu điểm điều khiển - Loại bỏ sai số xác lập mà không làm thay đổi nhiều - Không giải vấn đề đạt đáp ứng độ mong muốn (độ vọt lố, hệ chấn, peak số giảm time, settling đến đáp ứng q độ time…) - Đơn giản - Khơng kiểm sốt trực tiếp sai số xác lập PD - Giúp đạt đáp ứng độ mong muốn PID - Dễ ổn định vi phân khuếch đại nhiễu tín hiệu - Giúp đạt đáp ứng độ - Do điều khiển tuyến mong muốn - Đảm bảo sai số xác lập tính nên khơng thể dùng để điều khiển hệ phi tuyến thỏa mãn tiêu chí điều - Không cho khiển khiển tối ưu hệ - Không phụ thuộc nhiều vào - Nhiễu khâu vi phân (D) phương trình tốn đối - Chỉ áp dụng cho hệ tượng thống SISO với PID ta kết điều Cả ba điều khiển áp dụng cho hệ SISO với điều khiển - Có thể áp dụng tốt cho hệ SIMO Phân bố cực - Giúp cải thiện đáp ứng độ - Có nhiều hạn chế áp dụng (FSF) hệ cho hệ MIMO Bài tập Thiêt kế hệ thống điện tử - 19-