Robot 2 bánh tự cân bằng thuật toán pid

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG LỜI CẢM ƠN Qua đồ án em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn T.S Hà Đắc Bình tận tình giúp đỡ em thực đồ án, đồng thời em xin cảm ơn thầy cô khoa Điện - Điện tử tạo điều kiện thuận lợi cho em học tập để thực đồ án cách tốt MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v MỤC LỤC HÌNH ẢNH vi MỤC LỤC BẢNG vii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG .1 1.1 Yêu cầu đề tài 1.2 Giới thiệu .1 1.3 Mục tiêu đề tài .2 1.4 Hướng thực đề tài 1.5 Mục đích nghiên cứu 1.6 Tình hình nghiên cứu nước giới 1.6.1 Trong nước 1.6.2 Nước CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Thiết kế hệ thống 2.1.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống 2.1.2 Chức khối 2.2 Thiết kế phần cứng 2.2.1 Sơ đồ mạch điện 2.2.2 Nguyên lý hoạt động toàn hệ thống 2.2.3 Thông số kỹ thuật thiết bị .10 2.3 Thiết kế phần mềm 18 2.3.1 Giới thiệu trục chuyển động .18 2.3.2 Mạch cầu H 19 2.4 Thuật toán điều khiển 23 2.5 Thuật toán điều khiển PID 23 2.5.1 Giới thiệu thuật toán PID .23 2.5.2 Lựa chọn thông số PID 27 2.5.3 Giới thiệu Arduino IDE 30 2.5.4 Khởi tạo chương trình 31 2.5.5 Cấu trúc chương trình phần mềm Arduino IDE 33 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 34 3.1 Môi trường thử nghiệm 35 3.2 Kịch 35 3.3 Kết thử nghiệm 36 3.4 Xét tính ổn định thông số chọn 37 3.4.1 Trong phòng 37 3.4.2 Ngoài trời 38 3.4.3 Tác động nhẹ bên 39 3.4.4 Nhận xét 40 3.5 Giải thích kết .40 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 41 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AMS Advanced Monolithic Systems AT Atmel DC Direct Current GND Ground GPS Global Positioning System IC Integrated Circuit I2C Inter-Integrated Circuit IDE Integrated Development Environment LED Light Emitting Diode MCU Micro Control Unit MPU Motion Processing Unit PID Propotional Integral Derivative PWM Pulse Width Modulation TTL Transistor-Transistor Logic VCC Voltage Common Collector MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1:Mơ hình xe bánh tự cân Hình 1.2:Mơ hình robot hai bánh cân Hình 1.3:Robot nBot Hình 1.4: Robot EquipoiseBot Hình 1.5 Robot EquipoiseBot Hình 1.6:Robot hai bánh cân WobblyBot Hình 1.7: Robot hai bánh cân tiltOne Hình 1.8: Robot hai bánh hãng TOYOTA Hình 2.1:Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.2: Sơ đồ mạch điện Hình 2.3: Sơ đồ chân Arduino Nano 10 Hình 2.4:Module cảm biến gia tốc MPU6050 11 Hình 2.5:Sơ đồ chân IC L298 12 Hình 2.6:Sơ đồ chân LM7805 13 Hình 2.7: Động DC .13 Hình 2.8: kích thước động DC .14 Hình 2.9: PIN Li-Ion Panasonic NCR18650A 15 Hình 2.10: Hình 3D mơ (1) 16 Hình 2.11: Hình 3D mô (2) 16 Hình 2.12: Bản vẻ kích thước Mơ hình 17 Hình 2.13:Hình miêu tả trục 18 Hình 2.14:Mạch cầu H .19 Hình 2.15: Mạch cầu H đảo chiều 20 Hình 2.16:Mạch cầu H sử dụng transistor BJT 20 Hình 2.17:Mạch cầu H .21 Hình 2.18: Mạch cầu H 22 Hình 2.19: Thuật tốn điều khiển .23 Hình 2.20: Tác động hệ số tỉ lệ tới đầu hệ thống .25 Hình 2.21: Tác động hệ số tích phân tới đầu hệ thống 26 Hình 2.22: Tác động hệ số vi phân tới đầu hệ thống .27 Hình 2.23: Sơ đồ khối điều khiển PID 27 Hình 2.24: Logo giao diện Arduino IDE .30 Hình 2.25: Chức Menu 31 Hình 2.26:Mở chương trình mẫu Arduino 32 Hình 2.27:Cấu trúc chương trình Arduino IDE 33 Hình 3.1:Mơ hình thực tế 34 Hình 3.2: Hiển thị trạng thái MPU6050 IDE 35 Hình 3.3: Mơ hình xe cân 36 MỤC LỤC BẢNG Bảng 1: Bảng thống kê kết thử nghiệm nhà 37 Bảng 2: Bảng thống kê kết thử nghiệm trời .38 Bảng 3: Bảng thống kê kết thử nghiệm tác động nhẹ 39 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 1.1 Yêu cầu đề tài  Tìm hiểu nguyên lý hoạt động xe bánh tự cân thuật toán PID  Thiết kế thi công xe bánh  Thực thuật toán PID để giữ cân  Thử nghiệm mơi trường phịng thí nghiệm đánh giá kết 1.2 Giới thiệu Xe hai bánh tự cân dự án có nhiều ứng dụng sống nay, có nhiều ưu điểm sử dụng với nhiều mục đích khác như: phục vụ nhu cầu giải trí, tham gia thi xe tự hành ứng dụng quân sự, mặt khác cịn tồn số khuyết điểm như: chi phí cao, giới hạn địa hình di chuyển Xe hai bánh tự cân mơ hình xe thiết kế dựa hoạt động mơ hình lắc ngược, đối tượng phi tuyến với tham số bất định Đặc điểm bật xe hai bánh tự cân tự cân bằng, giúp cho xe ln trạng thái cân đứng yên dù xe có hai bánh trục chuyển động Hiện có nhiều cơng trình nghiên cứu mơ hình robot tự cân nói chung mơ hình xe hai bánh tự cân nói riêng, có nhiều nghiên cứu giải thuật điều khiển xe hai bánh tự cân như: Điều khiển xe hai bánh tự cân sử dụng giải thuật chiếu (backstepping control), sử dụng giải thuật điều khiển trượt (sliding mode control), giải thuật điều khiển LQR, giải thuật điều khiển thông minh fuzzy, noron, giải điều khiển PID Trong số giải thuật điều khiển giải thuật điều khiển PID cho thấy đơn giản dễ sử dụng nên đề tài sử dụng giải thuật điều khiển PID để điều khiển xe hai bánh tự cân mình, nghĩa xe bị ngã phía trước hai động chạy tới để đỡ cho xe đứng lên, độ nghiêng xe lớn tốc độ động tăng ngược lại xe bị ngã phía sau hai động lùi lại để đỡ cho xe đứng lên Hình 1.1:Mơ hình xe bánh tự cân 1.3 Mục tiêu đề tài Tự thiết kế mơ hình xe hai bánh tự cân hồn chỉnh, hiểu phần mềm lập trình cho vi điều khiển hiểu phương pháp lập trình cho vi điều khiển, hiểu nguyên lý hoạt động Module cảm biến gia tốc bậc tự MPU6050 cách ứng dụng cảm biến gia tốc vào đề tài hiểu phương pháp điều khiển động DC thông qua Module driver L298N để hoàn thành yêu cầu đề tài đặt 1.4 Hướng thực đề tài Tìm hiểu nguyên lý hoạt động Module cảm biến gia tốc bậc tự MPU6050 với cấu tạo cảm biến gia tốc bậc tự MPU6050, tìm hiểu nguyên lý hoạt động Module driver L298N để điều khiển động cơ, tìm hiểu vi điều khiển Arduino Nano phần mềm viết chương trình cho vi điều khiển, tìm hiểu kết cấu phần cứng xe cách lắp ráp để mơ hình xe hồn chỉnh 1.5 Mục đích nghiên cứu Mục đích việc nghiên cứu xe hai bánh tự cân nghiên cứu ứng dụng Module cảm biến với linh kiện điện tử khác nhằm đáp ứng nhu cầu sống người xã hội ngày phát triển mạnh tự động hóa Qua việc nghiên cứu, sinh viên có điều kiện ôn lại kiến thức học Trường Đại Duy Tân, từ kiến thức học sinh viên áp dụng thực tế nâng cao kiến thức chuyên môn cho 1.6 Tình hình nghiên cứu nước giới 1.6.1 Trong nước Mơ hình robot hai bánh tự cân luận văn thạc sĩ tác giả Nguyễn Gia Minh Thảo, trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Hình 1.2:Mơ hình robot hai bánh cân