ĐIỀU KHIỂN tự ĐỘNG XE HAI BÁNH tự cân BẰNG

2022 LÊ VĂN PHAN – LÊ CÔNG THIỆN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Người hướng dẫn Sinh viên thực Mã sinh viên Lớp : ThS Võ Khánh Thoại : Lê Văn Phan : Lê Công Thiện : 1811505520241 : 1811505520251 : 18TDH2 Đà Nẵng, 05/2022 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Người hướng dẫn Sinh viên thực Mã sinh viên Lớp : ThS Võ Khánh Thoại : Lê Văn Phan : Lê Công Thiện : 1811505520241 : 1811505520251 : 18TDH2 Đà Nẵng, 05/2022 TÓM TẮT ĐỀ TÀI Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Sinh viên thực hiện: Lê Văn Phan Mã Sinh viên: 1811505520241 Lê Công Thiện Mã Sinh viên: 1811505520251 Lớp: 18TDH2 Đề tài “Điều khiển tự động xe hai bánh tự cân bằng” nhóm thực dựa lý thuyết mơ hình lắc ngược Nhóm định phát triển đề tài từ hệ thống xe hai bánh tự cân dùng giải thuật PID sang sử dụng giải thuật LQR( Linear Quadratic Regulator) để điều khiển tiến hành mô Matlab để nghiên cứu giải thuật LQR ứng dụng điều khiển robot hai bánh cân Với đề tài “Điều khiển tự động xe hai bánh tự cân bằng” nhóm thực so sánh lí thuyết điều khiển kinh điển PID so với giải thuật điều khiển LQR nhằm tối ưu ưu nhược điểm cho đưa đến hệ xe ổn định Đồ án trình bày phần cứng bao gồm: Arduino Mega 2560 cảm biến góc nghiêng MPU 6050, mạch cầu H L298N, động DC Servo … cách thức hoạt động Vi điều khiển, cảm biến gia tốc góc nghiêng với Board băm xung cấp điện áp L298N Nội dung đề tài “ Điều khiển tự động xe hai bánh tự cân ” bao gồm: Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Cơ sở lý thyết Chương 3: Tính tốn thiết kế mơ hình Chương 4: Giải thuật điều khiển LỜI NÓI 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 thông 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 bánh tự cân điều khiển arduino, Nhóm chúng em tìm hiểu loại robot khác nhau, cuối nhóm định chọn mơ hình robot xe hai bánh tự cân Mơ hình robot nhóm sử dụng module mạch nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng lắp đặt Cùng với vi xử lý Arduino Mega 2560 phổ biến thị trường giúp cho người dùng thỏa sức sáng tạo phát triển ứng dụng theo nhu cầu nên board Arduino Kết thúc trình thiết kế, mơ hình robot xe hai bánh tự cân có khả giữ cân ổn định Qua đề tài, nhóm hiểu cách điều khiển hệ thống ổn định điều khiển LQR, nguyên lý cách sử dụng cảm biến góc nghiêng cách lập trình cho board Arduino Mặc dù nhóm thực đề tài cố gắng hoàn thiện đồ án, trình soạn thảo kiến thức cịn hạn chế nên cịn nhiều thiếu sót Nhóm thực đề tài mong nhận đóng góp ý kiến q thầy bạn sinh viên Sau nhóm thực xin gửi lời chúc đến tồn Thầy (Cơ) Bộ mơn Tự động hóa Thầy (Cơ) khác Khoa Điện – Điện tử, nhóm em xin phép gửi lời chúc trân thành đến Thầy giáo ThS Võ Khánh Thoại ln theo dõi giúp đỡ nhóm thời gian hồn thành đồ án tốt nghiệp, chúc Thầy mạnh khỏe tiếp tục đào tạo sinh viên giỏi đóng góp cho đất nước Chúc anh (chị), bạn sinh viên sức khỏe, học tập thật tốt để không phụ công lao Thầy (Cơ) giảng dạy Nhóm thực xin chân thành cảm ơn! CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đồ án hồn thành tìm tịi, nghiên cứu nhóm bao gồm kiến thức, số liệu tính tốn mơ hình thực nghiệm hệ xe hai bánh tự cân sử dụng điều khiển LQR Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Thuyết minh cảm ơn thơng tin trích dẫn Thuyết minh rõ nguồn gốc Sinh viên thực Sinh viên thực Lê Văn Phan Lê Công Thiện DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các cơng trình nghiên cứu 1.2.1 Các mơ hình Robot hai bánh tự cân 1.2.2 Các nghiên cứu nước 1.3 Mục tiêu 1.4 Giới hạn 1.5 Quy trình nghiên cứu Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nguyên lý xe hai bánh tự cân 2.2 Bộ điều khiển LQR 2.2.1 LQR liên tục 2.2.2 LQR rời rạc 2.2.3 Bài toán LQR rời rạc thời gian vô hạn 10 2.2.4 Các lời giải toàn LQR thời gian vô hạn matlab 10 2.3 Bộ lọc Kalman 11 2.4 Bộ điều khiển PID 14 2.5 Phân tích, lựa chọn phương pháp điều khiển 17 2.6 Giao tiếp I2C 18 2.6.1 Giới thiệu giao tiếp I2C 18 2.6.2 Giao tiếp I2C hoạt động nào? 21 2.6.3 Các chế độ hoạt động I2C 22 Chương 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 25 3.1 Tính tốn lựa chọn linh kiện 25 3.2 Xây dựng mơ hình tốn học cho hệ xe 36 3.3 Phân tích điều khiển hệ xe hai bánh tự cân 41 3.4 Xây dựng điều khiển cho hệ xe cân 42 3.5 Thiết kế, mô điều khiển 44 Chương 4: GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN 54 4.1 Lưu đồ giải thuật 54 DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG 4.2 Kết mô hình thực tế 56 4.3 Hoạt động mơ hình 57 KẾT LUẬN 58 DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Robot JOE Hình 1.2: Xe hai bánh Dustcart gom rác tự động Hình 1.3 Xe điện Segway Hình 2.1: Nguyên lý xe hai bánh tự cân Hình 2.3: Quá trình lên xuống Hình 2.4: Tổng quan điều khiển LQR .7 Hình 2.5: Sơ đồ điều khiển LQR liên tục .8 Hình 2.6: Thuật tốn lọc Kalman 14 Hình 2.7: Bộ điều khiển PID 15 Hình 2.8: Địa thiết bị I2C 19 Hình 2.9: Cấu trúc truyền liệu I2C 19 Hình 2.10: Truyền nhận liệu Master/Slave 21 Hình 2.11: Bit liệu SDA Master gửi liệu từ Slave 22 Hình 2.12: Bit liệu SDA Master nhận liệu từ Slave 22 Hình 2.13: Một Master nhiều Slave 23 Hình 2.14: Nhiều Master nhiều Slave 24 Hình 3.1: Sơ đồ khối 25 Hình 3.2: Sơ đồ dây cho hệ xe hai bánh tự cân 26 Hình 3.3: Arduino Mega 2560 27 Hình 3.4: Cảm biến gia tốc góc MPU-6050 28 Hình 3.5: Sơ đồ mạch module cảm biến MPU-6050 30 Hình 3.6: Sơ đồ kết nối Arduino MPU-6050 31 Hình 3.7: Động Encoder JGA25 32 Hình 3.8: Sơ đồ mạch điện nguyên lý chung cho cầu H 33 Hình 3.9: Điều khiển cầu thuận 34 Hình 3.10 Điều khiển cầu nghịch .34 Hình 3.11: Module cầu H L298N .35 Hình 3.12: Mơ tả thơng số hệ xe hai bánh tự cân 36 Hình 3.13 : Sơ đồ phân tích điều khiển hệ xe 41 Hình 3.14: Sơ đồ điều khiển LQR cho hệ xe bánh tự cân 43 Hình 3.15: Mơ hình hóa hệ xe hai bánh tự cân 44 DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG Hình 3.16: Sơ đồ khối mô hệ xe hai bánh tự cân 45 Hình 3.17: Ngõ góc theta theo thời gian lấy mẫu 52 Hình 3.18: Ngõ góc Psi theo thời gian lấy mẫu .52 Hình 3.19: Ngõ góc Phi theo thời gian lấy mẫu .52 Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật hệ xe hai bánh tự cân 54 Hình 4.3: Mơ hình sản phầm hoàn thiện 56 Hình 4.4: Giá trị góc nghiêng psi q trình chạy mơ hình 57 Hình 4.5: Giá trị góc tới theta q trình chạy mơ hình 57 DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 3.1: Bảng thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 27 Bảng 3.2: Thông số cảm biến MPU-6050 30 Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật động 32 Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật L298N 35 Bảng 3.5: Ký hiệu ý nghĩa đại lượng 36 DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG Điều khiển tự động xe hai bánh tự cân  Đồ thị biểu diễn kết mơ hệ thống: Hình 3.17: Ngõ góc theta theo thời gian lấy mẫu Hình 3.18: Ngõ góc Psi theo thời gian lấy mẫu Hình 3.19: Ngõ góc Phi theo thời gian lấy mẫu Hình 3.20: Tín hiệu điện áp cấp cho bánh trái bánh phải(volt) Sinh viên thực hiện: Lê Văn Phan – Lê Công Thiện Người hướng dẫn: ThS.Võ Khánh Thoại DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG 52 DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG Điều khiển tự động xe hai bánh tự cân Nhận xét: Kết mô từ ngõ cho thấy đáp ứng chúng ổn định, sau khoảng thời gian từ 10 – 30s thông số trở thời điểm xe cân bằng, tức đáp ứng Đối với tín hiệu điện áp sau hệ hoạt động điểm cân điện áp ngắt, tín hiệu góc nghiêng góc tới bị tác động rời khỏi vị trí cân Ta nhận thấy với thông số ma trận hồi tiếp K tính tốn hệ thống ổn định Tuy nhiên, ta hồn tồn chỉnh đỉnh thành phần ma trận Q ma trận R tương ứng để ổn định thành phần tùy chọn thành phần teta, phi, psi, teta_dot, psi_dot, phi_dot điện áp cấp cho thành phần động Nếu ta muốn giá trị góc tới  nhanh chóng ổn định hơn, dao động hơn, ta tăng tương đối Q1 so với thành phần khác Nếu ta muốn góc nghiêng  nhanh chóng ổn định, dao động ta tăng tương đối Q3 so với thành phần khác Điều khiển LQR cho đáp ứng tốt so với điều khiển khác Mặt khác, LQR điều khiển tùy ý ngõ vào tùy theo hệ thống Đối với LQR điều khiển xác nên việc điều khiển cho hệ xe hoạt động vị trí cân trở nên cải thiện nhiều Sinh viên thực hiện: Lê Văn Phan – Lê Công Thiện Người hướng dẫn: ThS.Võ Khánh Thoại DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG 53 DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG Điều khiển tự động xe hai bánh tự cân Chương 4: GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Lưu đồ giải thuật Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật hệ xe hai bánh tự cân Sinh viên thực hiện: Lê Văn Phan – Lê Công Thiện Người hướng dẫn: ThS.Võ Khánh Thoại DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG 54 DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG Điều khiển tự động xe hai bánh tự cân Khai báo biến: Định nghĩa kiểu liệu đặt tên cho biến sử dụng trình lập trình Lưu ý khai báo cần xác định rõ ràng kiểu liệu biến, loại biến dấu biến, điều giúp tối ưu hóa q trình biên dịch mã, tránh tình trạng khai báo thừa ảnh hưởng đến tốc độ xử lý Đọc tín hiệu từ cảm biến góc nghiêng MPU trả giá trị độ (degree) ta cần có phương pháp chuyển giá trị sang đơn vị Radian: (kalAngleY - offset)*pi/180 Trong đó:  kalAngleY giá trị góc đọc từ cảm biến offset hệ số đặt cảm biến, gía trị có sai số khiến cho xe khơng thể cân bằng, ta lấy góc đọc trừ sai số có giá trị điều khiển cho góc nghiêng Đọc encoder động JGA25 trả vịng 11 xung:  Góc tới = (𝑋𝑢𝑛𝑔𝑅 +𝑋𝑢𝑛𝑔𝐿 )∗360 2∗11  Chuyển qua Radian: góc sử dụng để điều khiển robot tới lui Theta = góc tới*(pi/180)  Góc xoay = 360𝑅 11𝑊 (𝑋𝑢𝑛𝑔𝑅 − 𝑋𝑢𝑛𝑔𝐿 ) Với Xung_L Xung_R số xung encoder hai đông trái phải Chuyển qua radian: Góc Phi sử dụng điều khiển robot xoay trái xoay phải:  Phi = gócxoay * (pi/180) Các đại lượng đưa vào điều khiển LQR Khi xe nghiêng động đảo chiều điều khiển để robot không bị đổ Tín hiệu xung PWM arduino nhận từ 0-255 ghi có bit Sinh viên thực hiện: Lê Văn Phan – Lê Công Thiện Người hướng dẫn: ThS.Võ Khánh Thoại DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG 55 DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG Điều khiển tự động xe hai bánh tự cân 4.2 Kết mơ hình thực tế Hình 4.3: Mơ hình sản phầm hoàn thiện Sinh viên thực hiện: Lê Văn Phan – Lê Công Thiện Người hướng dẫn: ThS.Võ Khánh Thoại DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG 56 DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG Điều khiển tự động xe hai bánh tự cân 4.3 Hoạt động mơ hình Hình 4.4: Giá trị góc nghiêng psi q trình chạy mơ hình Hình 4.5: Giá trị góc tới theta q trình chạy mơ hình Nhận xét: Từ đồ thị thể giá trị góc điều khiển ta thấy mơ hình có đạt giá trị đáp ứng vị trí cân bằng, nhiên cịn chưa thực tối ưu, thời gian làm việc hệ điểm cân chưa tốt Sinh viên thực hiện: Lê Văn Phan – Lê Công Thiện Người hướng dẫn: ThS Võ Khánh Thoại DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG 57 DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG Điều khiển tự động xe hai bánh tự cân KẾT LUẬN Qua thời gian nghiên cứu thực đề tài, nhóm có nhìn tổng qt lĩnh vực điều khiển hệ thống phi tuyến Đặc biệt đồ án nghiên cứu giới thiệu số ứng dụng hữu ích sử dụng công nghệ giới, để chứng minh cho độc giả thấy công nghê hay, cần tiếp tục nghiên cứu ứng dụng nhiều Và hứa hẹn làm thay đổi mở kỷ nguyên cho công nghệ 4.0 Từ yêu cầu đề tài, nhóm thực nghiên cứu vấn đề sau:  Thiết kế khung Robot phù hợp việc cân bằng, khả di chuyển Robot  Thiết lập mơ hình tốn hàm trạng thái cho mơ hình  Xây dựng chương trình mơ hoạt động MatLAB-Simulink  Giao tiếp Arduino MPU 6050  Đọc giá trị góc tốt nhất, hạn chế nhiễu sử dụng lọc Kalman  Robot tự cân Ngồi vấn đề đạt được, nhóm có vấn đề cần cải thiện hướng phát triển cho đề tài tương lai:  Phát triển thêm hệ thống xử lý ảnh để giám sát theo dõi theo đường Robot  Phát triển thêm hệ thống điều khiển Robot di chuyển thông qua module IOT  Điều khiển thích nghi để hệ thống xe thực nghiệm cho người đứng lên với cân nặng khác thay đổi trình hoạt động xe  Nhận dạng thông số hệ thống phương pháp nhận dạng để áp dụng giải thuật LQR  Ứng dụng giải thuật điều khiển thông minh dùng mạng neuron,… điều khiển hệ thống  Nâng cấp giải thuật điều khiển để áp dụng cho hệ xe bánh tự cân bằng…  Hướng phát triển tới mà học viên dự kiến áp dụng phương pháp thích nghi, tự dị tìm thơng số điều khiển phù hợp thơng qua q trình điều khiển online  Ngoài ra, hướng phát triển khác dùng phương pháp nhận dạng để xác định thơng số mơ hình động Từ đó, tính tốn giá trị LQR phù hợp để điều khiển xe chạy tới, lui, quẹo trái, quẹo phải thực tế Sinh viên thực hiện: Lê Văn Phan – Lê Công Thiện Người hướng dẫn: ThS Võ Khánh Thoại DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG 58 DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG Điều khiển tự động xe hai bánh tự cân Mặc dù cố gắng việc nghiên cứu thực đồ án, thời gian hiểu biết nhóm cịn hạn chế nên đồ án dừng lại mức ứng dụng đơn giản, mà chưa kịp thực triển khai ứng dụng thực tế việc cần thêm nhiều kiến thức hiểu biết lĩnh vực công nghệ khác Đồng thời, đồ án chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, nên nhóm chúng em mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy Sinh viên thực hiện: Lê Văn Phan – Lê Công Thiện Người hướng dẫn: ThS Võ Khánh Thoại DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG 59 DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG Điều khiển tự động xe hai bánh tự cân TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng (2005) Lý thuyết điều khiển nâng cao trang 236 – 242 [2] Huỳnh Thái Hoàng (2014) Bài giảng Lý thuyết điều khiển nâng cao, chương trang 90 - 115 Điều khiển tối ưu tồn phương tuyến tính LQR [3] Trần Anh Tứ (2014) Luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu, thiết kế, thử nghiệm xe hai bánh tự cân bằng” [4] Nguyễn Văn Đông Hải, Hướng dẫn điều khiển LQR cho hệ xe hai bánh tự cân “https://www.youtube.com/watch?v=eeaqPCHMAXg&t=2426s” [5] Đào Văn Hiệp (2004) Giáo trình Kỹ thuật Robot trang 47-52 [6] Nguyễn Thị Hồng Phương (2011) Bài toán điều khiển phương trình Riccati [7] Nguyễn Trường Thịnh (2014) Giáo trình Kỹ thuật Robot trang 216-221 DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG Điều khiển tự động xe hai bánh tự cân PHỤ LỤC #include // Cung cấp thư viện I2C #include "Kalman.h" // Thư viện lọc Kalman #define ToRad PI/180 // định nghĩa chuyển đổi giá trị độ sang Radian #define ToDeg 180/PI // định nghĩa chuyển đổi giá trị Radian sang Độ Kalman kalman ; // Khởi tạo Kalman dùng để gọi lệnh thư viện Kalman uint32_t timerloop, timerold; // Tạo thời gian lặp để lấy mẫu // Chân điều khiển cho Motor // #define LED 13 #define leftpwm 10 // Điều khiển PWM cho động #define leftdir_t // Điều khiển chiều #define leftdir_n 12 #define rightpwm 11 // Điều khiển PWM cho động #define rightdir_t // Điều khiển chiều #define rightdir_n volatile long leftencoder; // Đọc lưu giá trị encoder trái ( volatile kiểu khai báo dành cho giá trị biến thay đổi cách không xác định.) volatile long rightencoder; // Đọc lưu giá trị encoder phải #define leftencoder_a // đọc trạng thái kênh A, LOW or HIGH #define leftencoder_b // đọc trạng thái kênh B, LOW or HIGH #define rightencoder_a 19 #define rightencoder_b // liệu MPU6050 // float mpudata; // Biến xác định góc thời float AcX, AcZ; // giá trị Gyroscope theo trục X Z float Gyro; // giá trị vận tốc góc quay tính theo trục Y uint32_t timer; // cập nhật tính tốn thời gian lấy mẫu, đọc thời gian lấy mẫu liệu từ MPU, thời gian cho lọc Kalmal tính góc psi uint8_t i2cData[14]; // Lưu giá trị đọc từ cảm biến MPU // Dữ liệu LQR // long PWML, PWMR; // Giá trị xung PWM cho cầu H float k1, k2, k3, k4, k5, k6; // thông số ma trận K bool falldown; // Chạy = true; Dừng = false, định nghĩa để điều khiển ĐC float theta, psi, phi; // Góc float thetadot, psidot, phidot; // Giá trị vận tốc góc tương ứng float thetaold, psiold, phiold; // Giá trị trước góc float leftvolt; // Điện áp Motor trái LQR float rightvolt; // Điện áp Motor phải LQR float addtheta; // lưu lại giá trị đặt để động di chuyển bám theo float addphi; // lưu lại giá trị đặt để động di chuyển bám theo int ForwardBack; // -> Tới; -1 -> Lùi; -> Ngừng cân int LeftRight; DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG Điều khiển tự động xe hai bánh tự cân void setup() { // Set up ngỏ vào cho hệ xe // pinMode(leftpwm, OUTPUT); pinMode(leftdir_t, OUTPUT); pinMode(leftdir_n, OUTPUT); pinMode(rightpwm, OUTPUT); pinMode(rightdir_t, OUTPUT); pinMode(rightdir_n, OUTPUT); // Ngỏ vào encoder // mặc định nhận giá trị HIGH pinMode(leftencoder_a, INPUT_PULLUP); pinMode(rightencoder_a, INPUT_PULLUP); pinMode(leftencoder_b, INPUT); pinMode(rightencoder_b, INPUT); // Khởi tạo chuẩn giao tiếp bandte Arduino máy tính Serial.begin(115200); // Dữ liệu MPU6050 // Wire.begin(); // Khởi tạo thư viện cho MPU hoạt động // Write to all four registers at the same time while (i2cWrite(0x19, i2cData, 4, false)); while (i2cWrite(0x6B, 0x01, true)); while (i2cRead(0x75, i2cData, 1)); if (i2cData[0] != 0x68) { Serial.print(F("Error reading sensor")); while(true); } delay(100); // Chờ cảm biến ổn định while (i2cRead(0x3B, i2cData, 6)); AcX = (int16_t)((i2cData[0] digitalWrite(leftdir_t, HIGH); digitalWrite(leftdir_n, LOW); analogWrite(leftpwm, lpwm); } else { digitalWrite(leftdir_t, LOW); digitalWrite(leftdir_n, HIGH); analogWrite(leftpwm, lpwm); } } DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG DIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANGDIEU.KHIEN.tu.DONG.XE.HAI.BANH.tu.can.BANG