Đồ án 2 robot hai bánh tự cân bằng sử dụng giải thuật lqr

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỒÁN2 ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG SỬ DỤNG GIẢI THUẬT LQR Ngành Kỹ Thuật Điều Khiển & Tự Động Hóa GVHD: TS NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT Sinh viên: NGUYỄN HƯNG MSSV: 17151086 HỒ LÊ LONG THIÊN MSSV: 17151132 TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỒÁN2 ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG SỬ DỤNG GIẢI THUẬT LQR Ngành Kỹ Thuật Điều Khiển & Tự Động Hóa GVHD: TS NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT Sinh viên: NGUYỄN HƯNG MSSV: 17151086 HỒ LÊ LONG THIÊN MSSV: 17151132 TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2020 MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 1.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 1.2 MỤC TIỆU 1.3 GIỚI HẠN 1.4 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 1.5 NỘI DUNG CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 MƠ HÌNH HĨA XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 2.2 LÝ THUYẾT LQR 2.2.1 Giới thiệu điều khiển toàn phương tuyến tính LQR 2.2.2 Phương trình Riccati đại số 2.2.3 Bài toán LQR liên tục 2.2.4 Bài toán LQR rời rạc 2.3 MPU – 6050 2.3.1 Giới thiệu MPU – 6050 2.3.2 Xử lý liệu đọc từ cảm biến 2.3.3 Các phương pháp xử lý tín hiệu từ cảm biến MPU – 6050 10 2.3.3.1 Lọc bổ phụ thông tần 10 2.3.3.2 Lọc Kalman 11 2.4 CẢM BIẾN ĐO VỊ TRỊ ENCODER 15 2.4.1 Giới thiệu 15 2.4.2 Xử lý tín hiệu Encoder 15 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 16 2.5 2.5.1 Giới thiệu 16 2.5.2 Điều chỉnh tốc độ động chiều 18 2.6 19 GIAO TIẾP I2C 2.6.1 Nguồn gốc I2C 19 2.6.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc 20 2.6.3 Giao thức truyền liệu 22 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 22 3.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ROBOT BÁNH TỰ CÂN BẰNG 22 3.2 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 23 3.3 MƠ HÌNH ROBOT BÀNH TỰ CÂN BẰNG 24 3.4 LỰA CHỌN LINH KIỆN 25 3.4.1 Pin động 25 3.4.2 Mạch điều khiển 27 3.4.3 Mạch giảm áp 28 3.4.4 Mạch cầu H 29 3.4.5 Cảm biến góc 31 3.5 SƠ ĐỒ KẾT NỐI ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 3.6 MƠ HÌNH THỰC ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.33 34 CHƯƠNG KẾT QUẢ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 PHỤ LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI Những xe robot ngành xây dựng, nhiệm vụ tuần tra, giám sát, điều khiển từ xa hầu hết robot di chuyển ba bánh xe, với hai bánh lái lắp ráp đồng trục bánh nhỏ Có nhiều kiểu khác nhau, kiểu thơng dụng Cịn xe bánh, thường đầu xe có hai bánh truyền động đầu xe cịn lại gắn hai bánh lái Hình 1.1: Robot ghi hình điều khiển từ xa WowWee Việc thiết kế ba hay bốn bánh làm cho xe robot thăng ổn định nhờ trọng lượng chia cho hai bánh lái bánh hay khác để đỡ trọng lượng xe Nếu trọng lượng đặt nhiều vào bánh lái xe 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 tốt địa hình lồi lõm mặt phẳng nghiêng Khi di chuyển lên đồi, trọng lượng xe robot dồn vào đuôi xe làm bánh lái khả bám trượt ngã, bậc thang, chí dừng hoạt động quay trịng bánh xe Một ví dụ nhược điểm xe ba bốn bánh là: Khi xe lên dốc nghiêng, trọng lượng đầu xe nhẹ so với tổng khối lượng xe, cộng thêm việc động bánh sau mạnh, khiến cho xe thăng lật sau Hình 1.2: Xe bánh di chuyển mặt phẳng nghiêng, bị lật sau Việc chế tạo xe bánh, giống xe đồ chơi hay loại xe bốn bánh sử dụng giao thông gặp vấn đề trên, điều làm xe robot không gọn gàng phận lái (cua quẹo) gặp chút khó khăn, khó xác định góc cua quãng đường Các xe dạng hai bánh đồng trục lại thăng tốt linh động di chuyển địa hình phức tạp Khi leo sườn dốc, tự động nghiêng trước giữ cho trọng lượng dồn về trước Tương tự leo xuống dốc, nghiêng sau dồn trọng lực sau Do đó, khơng có tượng xe thăng ngã Hình 1.3: Xe bánh di chuyển mặt phẳng nghiêng Đối với địa hình khó đi, thăng xe hai bánh mang lại nhiều ý nghĩa thực tiễn giới hạn ổn định xe ba/bốn bánh truyền thống Ngoài ra, đề tài “xe hai bánh tự cân bằng” có nhiều ứng dụng đời sống làm tảng cho ứng dụng khác dựa vào thiết kế 1.2 MỤC TIÊU - Đề tài tập trung vào việc xây dựng mơ hình thuật tốn điều khiển hai bánh tự cân phương pháp LQR - Thiết kế, chế tạo mơ hình thực tế có khả giữ thăng nhiều địa hình khác 1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Trong khoản thời gian 16 tuần nghiên cứu thực đồ án, nhóm sinh viên gặp phải giới hạn đề tài sau: - Vì khơng có nhiều kinh phí nên mơ hình đề tài khơng lớn hồnh tráng, mặt trang trí khơng đầu tư nhiều - Khả lập trình, tính tốn cịn hạn chế nên thuật toán code điều hành xe robot chưa q chỉnh chu, chi tiết xác hồn tồn 1.4 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN Bản thân hệ phi tuyến ảnh hưởng yếu tố vị trí, vận tốc, góc nghiêng đồng thời nên q trình điều khiển ổn định hệ thống gặp nhiều khó khăn Q trình nghiên cứu để thực đề tài tóm tắt qua bước sau: - Phân tích ưu nhược điểm đề tài, ứng dụng thực tiễn liên quan đến đề tài - Đánh giá tính khả phát triển tương lai - Thu thập tài liệu nước mơ hình phương pháp điều khiển - Thiết kế mơ hình phần cứng - Thiết kế phần điện sử dụng module có sẵn - Thực thi giải thuật lập trình - Kiểm tra sửa lỗi 1.5 NỘI DUNG Chương 1: Tổng quan Giới thiệu tổng quan robot hai bánh tự cân bằng, ưu khuyết điểm thiết kế hai bánh Chương 2: Cơ sở lí thuyết Phương pháp điều khiển PID, Fuzzy, LQR, Giới thiệu Kalman, Xử lí tín hiệu MPU 6050 encoder, Ardunio mega 2560 Chương 3: Thiết kế hệ thống Chi tiết thiết kế khí, thiết kế điện, lưu đồ giải thuật, mô giải thuật Simulink Chương 4: Kết Kết thực nghiệm hướng phát triển đề tài