Assignment đề tài điều kiển xe bánh bánh tự cân bằng

Đồ Án Môn Học GVHD: Trần Văn Công TRƯỜNG CAO ĐẲNG FPT POLYTECHNIC – ĐÀ NẴNG KHOA TỰ ĐỘNG HÓA - - ASSIGNMENT ĐỀ TÀI: Điều Kiển Xe bánh Bánh Tự Cân Bằng Giáo viên hướng dẫn: Trần Văn Công Sinh viên thực : Hà Văn Khánh Nguyễn Văn Mạnh Trần Văn Tuấn Lớp Nhóm : AE 18306 : ĐÀ NẴNG , 2023 Nhóm: Lớp : AE 18306 Đồ Án Mơn Học Nhóm: GVHD: Trần Văn Công Lớp : AE 18306 Đồ Án Mơn Học GVHD: Trần Văn Cơng MỤC LỤC ( hồn thiện thuyết minh làm) Nhóm: 1 Lớp: AE 18306 Đồ Án Môn Học GVHD: Trần Văn Công PHẦN NHẬN XÉT 1.Nhận xét giáo viên hướng dẫn 2.Nhận xét giáo viên coi thi Nhóm: Lớp: AE 18306 Đồ Án Môn Học GVHD: Trần Văn Công NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Mạnh Hà Văn Khánh Trần Văn Tuấn Lớp: AE18306 Chuyên Ngành: Tự động hóa Tên đề tài: Điều khiển xe hai bán tự cân Nội dung phần thuyết minh tinh tốn thi cơng:  Mơ hình bao gồm khối sau: Giáo viên hướng dẫn: Trần Văn Công Ngày giao nhiệm vụ: Ngày hoàn thành nhiệm vụ:  Hướng dẫn thực đồ án môn học Nhóm: Lớp: AE 18306 Đồ Án Môn Học GVHD: Trần Văn Công LỜI CẢM ƠN Qua thời gian nghiện cứu thực hiện, đến nhóm tơi hồn thành xong sản phẩm môn học ky thuật cảm biến với đề tài: “điều chỉnh xe hai bánh tự cần bằng” giảng viên Trần Văn Cơng hướng dẫn Trong q trình nghiên cứu thực đề tài nhóm em gặp nhiều khó khắn, thử thách nhận nhiều giúp đỡ quan tâm nhiệt tình thầy Để hồn thành sản phầm cho phép nhóm em gửi lời cảm ơn đến thầy Trần Văn Công giảng dạy truyền đạt kiến thức quý báu, bỏ ích thông qua môn học trường Giúp cho chúng em có số kiến thức cách nhìn tổng qt để hồn thành tốt sản phầm Nhóm em xin chân thành cảm ơn đến thầ Trần Văn Cơng ln ln tận tình giúp đỡ, bảo tạo điều kiện cho nhóm suất trình thực sản phẩm Đà Nẵng, Ngày Tháng Năm 2023 Nhóm sinh viên thực Hà Văn Khánh Nguyễn Văn Mạnh Trần Văn Tuấn Nhóm: Lớp: AE 18306 Đồ Án Môn Học GVHD: Trần Văn Cơng MỞ ĐẦU Khi nói robot, hẳn người hình dung tới người máy với khả giống hệt người phim khoa học viễn tưởng Thực robot không đơn người máy, robot thực chất hiểu hệ thống máy móc có khả làm việc tự động thơng qua việc điều khiển vi mạch điện tử lập trình sẵn Người máy đơn giản robot có hình thù giống người phần nhỏ lĩnh vực Robotics Robot tồn nhiều dạng khác như: máy khí, máy nhân tạo, Ngồi cịn tồn trường hợp đặc biệt robot ảo Ví dụ: robot sumo, robot hai bánh tự cân điều khiển arduino, Mơ hình robot em sử dụng module mạch nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng lắp đặt Cùng với board Arduino Mega 2560 R3 phổ biến thị trường giúp cho người dùng thỏa sức sáng tạo phát triển ứng dụng theo nhu cầu board Ardunio Kết thúc trình nghiên cứu thiết kế mơ hình xe hai bánh tự cân Em hiểu cách điều khiển hệ thống ổn định điều khiển PID, nguyên lý cách sử dụng cảm biến gia tốc góc MPU 6050, cách lập trình cho board Arduino Đề tài trình bày bao gồm lý thuyết, thuật toán áp dụng phần cứng: Arduino Mega 2560, cảm biến gia tốc góc MPU6050, module bluetooth HC -05, module L298 Nhóm: Lớp: AE 18306 Đồ Án Môn Học GVHD: Trần Văn Công CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MƠ HÌNH XE HAI BÁNH CÂN BẰNG 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ HÌNH THÀNH CỦA ROBOT Vậy bạn tự hỏi robot bắt nguồn từ đâu chưa? Chắc hẳn nhiều bạn nghĩ robot xuất cách không lâu chí số bạn cịn nghĩ robot nằm trí tưởng tượng người Thực vậy, robot xuất từ sớm, từ tận kỉ III trước công nguyên Thời giờ, Chu Mục Vương người YanShi phác thảo ý tưởng máy tự động khí YanShi sau chế tạo cổ máy trở thành nhà chế tạo giới Xuyên suốt thời cổ đại thời trung cổ, robot liên tục xuất với ví dụ chim máy gỗ với khả bay lượn hoạt động nước Một số ví dụ khác kể tới phác thảo người máy, robot vịt khí với chức ăn uống, vỗ cánh tiết nhiều robot mô sinh vật khác chế tạo Tới năm 1927, robot điện tử lần xuất phim ảnh Năm 1948, nguyên lý tảng robot tự động hoá đưa ra, tạo tiền đề cho robot học sau Cho tới năm 1961, robot điện tử giới đời, đặt tên Unimate, với tác dụng nâng phần nóng miếng kim loại từ máy đúc chết xếp lại theo trật tự định Đó thực cột mốc vĩ đại cho kỷ nguyên robot người Ngày nay, robot phát triển mạnh mẽ ứng dụng rộng rãi đời sống sản xuất, cường quốc giới robot phải kể tới Mỹ Nhật Robot thương mại robot công nghiệp ngày trở nên phổ biến với giá phải độ xác cao nhiều so với thời kì trước Một số robot cịn sử dụng để thay người làm việc mơi trường có độ nhiễm mạnh Bên cạnh đó, robot cịn sử dụng việc thăm dị vũ trụ, lịng đất làm cơng việc mang tính đơn điệu Các ngành cơng nghiệp chế tạo có góp mặt khơng nhỏ robot Robot ứng dụng phẫu thuật, thăm dò dây chuyền sản xuất hàng loạt Nhóm: Lớp: AE 18306 Đồ Án Môn Học GVHD: Trần Văn Công 1.2 THẾ NÀO LÀ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 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 Đối với xe ba bánh hay bốn bánh, việc giữ thăng ổn định chúng nhờ trọng tâm chúng nằm bề mặt chân đế bánh xe tạo Đối với loại xe hai bánh có cấu trúc xe đạp, việc giữ thăng khơng di chuyển hồn tồn khơng thể, việc giữ thăng xe dựa tính chất quay hồi chuyển hai bánh xe quay Còn xe hai bánh tự cân loại xe mà hai bánh lắp trục, xe cân trọng tâm xe phải giữ hai bánh xe Điều giống việc giữ gậy dựng thẳng cân ngón tay Hình 1.1: Mơ tả ngun lý giữ thăng Thực ra, trọng tâm xe hai bánh khơng biết nằm vị trí nào, khơng có cách tìm khơng có khả di chuyển bánh xe đủ nhanh để giữ ln tồn trọng tâm Về mặt kỹ thuật, góc sàng xe hai bánh chiều trọng lực biết Bởi vậy, thay tìm cách xác định trọng tâm giữ bánh xe, tay lái cần giữ thằng đứng, vng góc với sàng xe, góc cân zero Nhóm: Lớp: AE 18306 Đồ Án Môn Học GVHD: Trần Văn Cơng Hình 1.2: Mơ tả cách bắt đầu di chuyển Nếu tay lái đẩy nghiêng tới trước, xe hai bánh chạy tới trước tay lái đẩy nghiêng phía sau, xe hai bánh chạy lùi Đây phân tích lý tính Hầu người điều kiểm sốt tay lái vịng vài giây để giữ Muốn dừng lại cần để trọng tâm xe nghiêng ngược hướng di chuyển tốc độ xe giảm xuống Do tốc độ cảm nhận phản ứng cân người sử dụng 1.3 TẠI SAO PHẢI THIẾT KẾ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Việc thiết kế xe ba hay bốn bánh làm cho xe thăng ổn định nhờ trọng lực chia cho hai bánh lái bánh đi, 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 di chuyển tốt địa hình phẳng, khơng thể di chuyển lên xuống địa hình lõm (mặt phẳng nghiêng) Khi di chuyển đồi, trọng lượng xe dồn vào đuôi xe làm bánh lái khả bám trượt ngã, bậc thang, chí dừng hoạt động quay bánh xe Khi di chuyển xuống đồi, việc tệ hơn, trọng tâm thay đổi phía trước chí làm xe úp di chuyển lên bậc thang Hầu hết xe leo lên dốc 15 o hay 20o Việc bố trí bốn bánh xe giống xe đồ chơi hay loại xe bốn bánh xe, giống xe đồ chơi hay loại xe bốn bánhhiện sử dụng giao thông không gặp vấn đề điều làm mobile robot Nhóm: Hình 1.3: Trạng thái xe ba bánh di chuyển địa hình phẳng, dốc Lớp: AE 18306 Đồ Án Môn Học GVHD: Trần Văn Công không gọn gàng thiết kế phân lái (cua quẹo) gặp khó khăn để xác định xác quãng đường Ngược lại, xe dạng hai bánh đồng trục lại thăng linh hoạt di chuyển địa hình phức tạp, thân hệ thống khơng ổn định leo sườn dốc, tự động nghiêng trước giữ cho trọng lượng dồn hai bánh Hình 1.4: Trạng thái xe hai bánh đồng trục di chuyển địa hình phẳng, dốc Đối với địa hình lõm ứng dụng thực tế thăng xe hai bánh mang lại nhiều ý nghĩa thực tế giới hạn ổn định bánh xe ba bánh truyền thống 1.4 CÁC ỨNG DỤNG HIÊN TẠI CỦA MƠ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CẦN BẰNG Xây dựng phương tiện vận chuyển khu vực chật hẹp di chuyển chung cư, tòa nhà cao tầng, dùng làm phương tiện di chuyển cho người vận chuyển hàng hóa Làm phương tiện vận chuyển hàng hóa tự động đến nơi lập trình sẵn tịa nhà, phịng làm việc, khơng gian chật hẹp… Nhóm: Lớp: AE 18306 Đồ Án Môn Học GVHD: Trần Văn Cơng Kết hợp thêm camera, dị đường,… tính ứng dụng vào thực tế đáp ứng cao theo nhu cầu cơng việc Nhóm: 10 Lớp: AE 18306 Đồ Án Mơn Học GVHD: Trần Văn Cơng Nhìn chung mơ hình hoạt động ổn định, di chuyển nhanh có độ nhạy góc nghiêng xe so với mặt chạy tương đối cao Tùy theo độ nghiêng mặt mà xe chạy theo hướng nghiêng Khi có tác động từ bên vào thân xe để làm cho thân xe độ ổn định xe nhanh chóng quay trạng thái cân để giữ cho thân xe ổn định Xe hai bánh tự cân sản phẩm thực, áp dụng ngun lý mơ hình lắc ngược Việc nghiên cứu, phát triển xe hai bánh tự cân tạo tiền đề cho phát triển xe tương lai, hướng đến mục tiêu xây dựng robot có hình dạng, cách thức di chuyển hay chí có suy nghĩ giống người Mục tiêu đề tài xây dựng xe có cấu trúc đơn giản phục vụ cho việc nghiên cứu, giảng dạy, đưa mơ hình thực tế, đơn giản việc xây dựng hệ thống điện tử Nhóm: 11 Lớp: AE 18306 Đồ Án Môn Học GVHD: Trần Văn Công CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG Thiết kế mơ hình xe hai bánh tự cân gồm module Arduino Mega 2560 R3, module bluetooth HC-05, module điều khiển động LM 298,… Arduino đóng vai trị trung tâm điều khiển truyền nhận liệu từ thiết bị module, cảm biến,… Adruino nhận giá trị cảm biến gia tốc MPU 6050 module bluetooth HC-05 để thực điều khiển module L298, module L298 điều khiển hai động Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống Nhóm: 12 Lớp: AE 18306 Đồ Án Môn Học GVHD: Trần Văn Công 2.1.1 Nguồn Cấp Sử dụng PIN LIPO 2200mAh 11.1V Là nguồn cung cấp cho xe hoạt động Pin Lipo 11.1v 2200mAh Hình 2.2: Pin Lipo 11.1v 2200mAh 2.1.2 Động Cơ Nhận tín hiệu từ khối điều khiển, thực lệnh điều khiển khối điều khiển đưa tạo chuyển động động encoder Bao gồm: động encoder trái phải Giới thiệu động encoder giảm tốc bánh xe Hình 2.3: Động bánh xe Nhóm: 13 Lớp: AE 18306 Đồ Án Môn Học GVHD: Trần Văn Công Thông số kỹ thuật bánh xe: D = 40 cm Encoder : Là phần tử ứng dụng rộng rãi hệ thống điều khiển tự động, hay đơn giản gắn bánh xe để báo vận tốc Encoder thuật ngữ mã hóa vịng quay Cấu tạo gồm cặp diode thu phát tín hiệu quang học từ đĩa tròn (chuyển động tròn) hay thước thẳng (chuyển động dài) có đục lỗ hay sơn tạo điểm có khoảng cách Encoder thường có dây (hoặc dây tùy loại) bao gồm dây nguồn, dây tín hiệu A B dây pha Z.2 dây tín hiệu A B cho phép xác định số vòng quay động cơ, vận tốc chiều quay động Để lập trình xử lý tín hiệu encoder, nối dây tín hiệu A B vào chân timer ngắt vi điều khiển, thiết lập vi điều khiển chế độ counter, vi điều khiển đếm xung từ encoder Thông số kỹ thuật: - Điện áp định mức: 12 V - Tốc độ: 140 vòng/phút (rpm – 12 VDC) - Dịng khơng tải: