Đồ án môn học đề tài balance robot

Nó hoạt động bằng cách sử dụng các cảm biến và bộ điều khiển để xácđịnh trọng tâm của robot và điều chỉnh độ nghiêng của nó để giữ thăng bằng.Khả năng giữ cân bằng của balance robot là k

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA: ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁNMÔN HỌC ĐỀ TÀI: BALANCE ROBOT GV hướng dẫn: Th.S Nguyễn Trung Hiếu Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 6 Lớp: 20145CL5 Khoa đào tạo chất lượng cao Môn: Hệ thống điều khiển tự động ô tô TPHCM, THÁNG 3 NĂM 2023 2 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ tên sinh viên: Lý Nhật Thắng MSSV: 20145616 Phan Quốc Đạt : 20145482 Lê Tuấn Kiệt : 20145081 Bùi Duy Khánh : 20145082 Lê Thành Vinh : 20145657 Khóa: 2020 Lớp: 20145CL5 I TÊN ĐỀ TÀI: BALANCE ROBOT II.NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: III.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 24/2/2023 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: dd/mm/2023 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Trung Hiếu 3 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Tp HCM, ngày … tháng … năm 2023 Giảng viên hướng dẫn ThS Nguyễn Trung Hiếu 4 MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BALANCE ROBOT 5 1.1 Giới thiệu về Balance Robot: 5 1.2 Các ứng dụng phổ biến của Balance Robot và các hãng sản Balance Robot: 5 1.3 Tiềm năng và phát triền của Balance Robot trong tương lai .6 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BALANCE ROBOT 6 2.1 Lý do chọn đề tài: .6 2.2 Mục tiêu của quá trình nghiên cứu: .7 2.3 Phương pháp nghiên cứu: 7 2.4 Cơ sở lý thuyết của thuật toán PID: .8 2.5 Giới hạn đề tài: Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ MÔ PHỎNG 9 3.1 Mô hình hóa hệ thống: .9 3.2 Mô phỏng và thiết kế: 10 3.2.a Mô phỏng 10 3.2.b Qúa trình thiết kế: 13 Tài liệu tham khảo: 17 5 PROPOSAL CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BALANCE ROBOT 1.1 Giới thiệu về Balance Robot: Balance robot là một loại robot có khả năng giữ thăng bằng một cách tự động Nó hoạt động bằng cách sử dụng các cảm biến và bộ điều khiển để xác định trọng tâm của robot và điều chỉnh độ nghiêng của nó để giữ thăng bằng Khả năng giữ cân bằng của balance robot là kết quả của các nguyên lý vật lý cơ bản như động lực học và quán tính Với những cải tiến trong công nghệ điều khiển và cảm biến Balance Robot đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển với nhiều ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau 1.2 Các ứng dụng phổ biến của Balance Robot và các hãng sản Balance Robot:  Giáo dục: Balance robot có thể được sử dụng để giúp giảng viên giảng dạy các khái niệm về động lực học và điều khiển tự động  Giải trí: Một số hãng sản xuất đã cho ra đời những chiếc balance robot giải trí, được sử dụng làm đồ chơi cho trẻ em hoặc dụng cụ thể thao cho các tín đồ điện tử  Công nghiệp: Các ứng dụng của balance robot trong công nghiệp bao gồm giúp hỗ trợ quá trình lắp ráp và vận chuyển sản phẩm, giúp cải thiện quá trình kiểm tra chất lượng và giúp giảm thiểu tai nạn lao động  Y tế: Balance robot có thể được sử dụng trong lâm sàng để giúp người già hoặc người khuyết tật di chuyển dễ dàng và an toàn hơn  Các hãng sản xuất Balance Robot:  Segway: Segway là hãng sản xuất balance robot lớn nhất thế giới Các sản phẩm balance robot của Segway đều có thiết kế đặc biệt với bánh xe trước và sau đều có kích thước lớn, giúp tăng tính ổn định và giữ cân bằng tốt hơn Các sản phẩm của Segway thường được sử dụng trong ứng dụng vận chuyển và giao thông, giúp người sử dụng di chuyển dễ dàng và tiện lợi hơn  Ninebot: Ninebot là một hãng sản xuất balance robot có trụ sở tại Trung Quốc Các sản phẩm của Ninebot thường có thiết kế nhỏ gọn và dễ dàng mang theo, phù hợp với ứng dụng giải trí và thể thao Sản phẩm nổi bật của Ninebot là miniPRO, một loại balance robot có thiết kế hiện đại và tính năng đa dạng  Xiaomi: Xiaomi là một hãng sản xuất balance robot khá mới mẻ nhưng nhanh chóng trở thành một đối thủ đáng gờm của Segway và Ninebot Các sản phẩm của Xiaomi thường có giá thành rẻ hơn so với các đối thủ và được thiết kế đơn giản và dễ sử dụng, phù hợp với người dùng cá nhân 6 Một số ví dụ về balance robot nổi tiếng là Segway PT, Honda U3-X Hình 1.2: các Balance Robot của các hãng nổi tiếng 1.3 Tiềm năng và phát triền của Balance Robot trong tương lai Balance robot là một lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ và có tiềm năng lớn trong tương lai, có thể ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y tế, vận chuyển, giáo dục, quân sự và giải trí Các công nghệ mới như AI, IoT có thể được tích hợp vào balance robot để cải thiện tính năng và khả năng sử dụng của chúng Tuy nhiên, balance robot cũng đối mặt với nhiều thách thức và hạn chế, như chi phí cao và độ phức tạp trong thiết kế và vận hành Tuy vậy, tiềm năng và triển vọng của balance robot trong tương lai vẫn rất lớn CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BALANCE ROBOT 2.1 Lý do chọn đề tài: Balance robot là một chủ đề hấp dẫn cho những người quan tâm đến robot và công nghệ Việc nghiên cứu về robot cân bằng vẫn còn rất mới và có thể đưa ra nhiều khía cạnh mới để khám phá và phát triển  Nghiên cứu về robot cân bằng có thể đem lại nhiều lợi ích như:  Phát triển kỹ năng và kiến thức: Nghiên cứu về robot cân bằng đòi hỏi nhiều kỹ năng và kiến thức khác nhau, bao gồm cơ học, điện tử, lập trình và điều khiển Việc nghiên cứu về robot cân bằng có thể giúp bạn phát triển các kỹ năng này 7  Cải thiện hiểu biết về robot và công nghệ: Nghiên cứu về robot cân bằng giúp bạn hiểu rõ hơn về cơ chế và nguyên lý hoạt động của robot  Tạo ra các ứng dụng thực tế: Robot cân bằng có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm công nghiệp, y tế và giải trí Việc nghiên cứu về robot cân bằng có thể giúp bạn tạo ra các ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực này 2.2 Mục tiêu của quá trình nghiên cứu:  Mục tiêu cơ bản cần nghiên cứu về robot cân bằng  Nguyên lý hoạt động của robot cân bằng: Robot cân bằng hoạt động như thế nào? Tại sao nó có thể tự động duy trì thăng bằng trên hai bánh xe?  Thiết kế và chế tạo robot cân bằng: Các bước thiết kế và chế tạo robot cân bằng gồm những gì? Cần xác định những bộ phận cần thiết, các thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn an toàn để chế tạo robot cân bằng  Thuật toán điều khiển robot cân bằng: Thuật toán điều khiển robot cân bằng được sử dụng để giúp robot duy trì thăng bằng trên hai bánh xe Tìm hiểu và xác định các thuật toán điều khiển phù hợp để sử dụng cho robot cân bằng của mình  Thực nghiệm của balance robot: kiểm tra và đánh giá khả năng và độ linh hoạt của robot trong việc duy trì cân bằng qua các địa hình khác nhau và điều chỉnh trạng thái cân bằng của nó  Mục tiêu mô phỏng của balance robot cũng bao gồm việc tối ưu hóa thiết kế của robot để đạt được sự cân bằng tốt nhất và đảm bảo rằng robot có thể hoạt động trên mọi địa hình và trong các điều kiện khác nhau  Mục tiêu tạo ra một robot có khả năng tự cân bằng và di chuyển một cách linh hoạt trên các bề mặt phẳng, đặc biệt là trên các bề mặt không đồng nhất 2.3 Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp mô phỏng balance robot là quá trình sử dụng các công cụ mô phỏng để tạo ra một môi trường giả lập để kiểm tra và đánh giá các thuật toán điều khiển và kiểm soát của robot Các phương pháp cơ bản để mô phỏng robot như sau:  Lựa chọn công cụ mô phỏng: Có nhiều công cụ mô phỏng phổ biến được sử dụng cho balance robot, như MATLAB/Simulink, V-REP, ROS, Gazebo  Xây dựng mô hình cho robot: Việc xây dựng mô hình giúp định nghĩa các thành phần, tính năng và tác động của robot Các công cụ mô phỏng thường cung cấp các thư viện và khối để xây dựng mô hình cho robot 8  Xác định thông số cho mô hình: Các thông số cho mô hình cần được xác định để có thể giả lập chính xác chuyển động của robot Các thông số này bao gồm các thông số vật lý của robot (khối lượng, độ xoắn, tốc độ ) và các thông số điện tử (điện trở, điện dung )  Lựa chọn và triển khai thuật toán kiểm soát: Các thuật toán kiểm soát của robot cần được triển khai trong môi trường giả lập để kiểm tra và đánh giá tính hiệu quả của chúng Có nhiều thuật toán kiểm soát khác nhau cho balance robot như PID, LQR, MPC  Thực hiện các thử nghiệm và đánh giá: Sau khi triển khai thuật toán kiểm soát, cần thực hiện các thử nghiệm và đánh giá để xác định tính hiệu quả và độ tin cậy của thuật toán Phương pháp mô phỏng balance robot giúp đơn giản hóa quá trình phát triển các thuật toán kiểm soát, tăng tính chính xác và giảm thiểu các rủi ro trong quá trình thực nghiêm 2.4 Cơ sở lý thuyết của thuật toán PID: PID (Proportional-Integral-Derivative) là một loại điều khiển phản hồi truyền thống được sử dụng trong hệ thống điều khiển tự động Thuật toán được sử dụng để duy trì một giá trị đầu ra cụ thể của một hệ thống trong một khoảng thời gian PID là một phương pháp điều khiển phản hồi, nghĩa là nó sử dụng hệ thống phản hồi để điều khiển lại nó + Proportional (P) : Thành phần này điều chỉnh đầu ra của hệ thống tỷ lệ với sai lệch giữa giá trị đầu vào mong đợi và giá trị thực tế hiện tại Thành phần này đảm bảo rằng đầu ra của hệ thống đáp ứng nhanh chóng với bất kỳ thay đổi nào trong giá trị đầu vào + Integral (I) : Thành phần này điều chỉnh đầu ra của hệ thống dựa trên tổng các sai lệch trong khoảng thời gian từ lúc hệ thống bắt đầu hoạt động đến thời điểm hiện tại Thành phần này giúp giảm thiểu sai lệch ổn định của hệ thống + Derivative (D): Thành phần này điều chỉnh đầu ra của hệ thống dựa trên tốc độ thay đổi của giá trị đầu vào Thành phần này giúp giảm thiểu dao động của hệ thống và cải thiện thời gian phản ứng Các thành phần P, I, D được kết hợp với nhau để tạo thành một hệ thống điều khiển phản hồi tự động Các hệ số P,I và D phải được điều chỉnh sao cho hệ thống đáp ứng tốt yêu cầu của giá trị đầu vào 2.5 Giới hạn đề tài:  Trong khuôn khổ của đề tài này, mô hình robot 2 bánh tự cân bằng di chuyển được trên địa hình khác nhau  Phương pháp điều khiển: chỉ sử dụng phương pháp điều khiển PID với thông số cố định, chưa ứng dụng phương pháp mạng neuron thích nghi, 9 phương pháp mạng toàn phương tuyến tính (LQR) CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ MÔ PHỎNG 3.1 Mô hình hóa hệ thống: hình 3.1 Bảng 3.1: Kí hiệu Đơn vị Ý nghĩa W Cm (12-17cm) Chiều rộng của Robot H Cm (20-25cm) Chiều cao của Robot D Cm(10-15cm) Chiều ngang của Robot R Cm (1.5-3cm) Bán kính bánh xe �� Rad Góc của bánh phải �� Rad Góc của bánh trái Đối tượng thực tế m.� 2 3.α"(t) + m.g � 2 sin (�(�))=u(t) m.� 2 3 �2 +m.g �2 α(s) (�2 + 1) = U(s) G(s) = �2+1 �� 2 3�3+�.� �2.� Mô phỏng (Simscape) Laplace TF 10 Phương trình vi phân mô tả chuyển động của Balance Robot: m.� 2 3.α"(t) + m.g � 2 sin (�(�))=u(t)  α(t) là góc nghiêng của robot so với đường ngang tại thời điểm t  m� 2 3là moment quán tính của robot, trong đó m là khối lượng của robot và l là chiều cao của robot  g là gia tốc của trọng trường  u(t) là điện áp được cung cấp cho động cơ của robot Chuyển phương trình vi phân thành hàm truyền: Sử dụng biển đổi Laplace: L[m.� 2 3 α''(t)] + L[mg � 2 sin(α(t))] = L[u(t)] L[α''(t)] = �2�(s) - s.α(0) - α'(0) = U(s) ( L[u(t)] = U(s)) L[sin(α(t))] = α(s) / (�2+ 1) Ta có phương trình: m.� 2 3 �2 +m.g �2 α(s) (�2 + 1) = U(s) => Hàm truyền của phương trình vi phân là: G(s) = α(s) U(s) = �2+1 �� 2 3�3+�.� �2.� 3.2 Mô phỏng và thiết kế: 3.2.a Mô phỏng Công cụ sử dụng Matlab Simulink (Simscape Multibody) Hình 3.2.a.1: Giao diện Simscape Multibody 11 Hình 3.2.a.2: Library Simscape Multibody Hình 3.2.a.3: Chạy mô phỏng khung xe trên Matlab 12 Hình 3.2.a.4: Mô phỏng khung xe trên simscape Hình 3.2.a.5: Thu gọn khối trên simscape  Thuật toán bộ điều khiển PID: Các bước cần để tìm hiểu về bộ điều khiển PID:  Xác định các thông số đầu vào: xác định các thông số đầu vào cho hệ thống cần điều khiển, bao gồm giá trị mong muốn, giá trị đo được  Tính toán giá trị lỗi: Tính toán giá trị lỗi bằng cách lấy giá trị mong muốn trừ đi giá trị đo được  Tính toán các thông số Kp, Ki và Kd: Từ giá trị lỗi, tính toán các thông số Kp, Ki và Kd, tương ứng với hệ số tỷ lệ, hệ số tích phân và hệ số vi phân Các thông số này sẽ được sử dụng để tính toán giá trị đầu ra  Tính toán giá trị đầu ra: Sử dụng các thông số Kp, Ki và Kd và giá trị lỗi để tính toán giá trị đầu ra Giá trị đầu ra này sẽ được sử dụng để điều chỉnh hệ thống  Áp dụng giá trị đầu ra vào hệ thống: Áp dụng giá trị đầu ra vào hệ thống để điều chỉnh hệ thống 13 3.2.b Quá trình thiết kế: 1 Xác định các thông số của Balance Robot: • Trọng tâm của Robot • Điểm nối giữa bánh xe và robot • Moment quán tính của robot • Tốc độ và góc đặt trước 2 Xác định các biến điều khiển • Điều khiển tốc độ của bánh xe trái và phải • Góc nghiêng của robot 3 Xác định giá trị đặt trước và đầu vào • Giá trị đặt trước của góc nghiêng robot là 0 độ • Đầu vào là góc nghiêng thực tế được đo bởi cảm biến 4 Thiết lập bộ điều khiển PID: • Sử dụng công thức tính toán PID để tính toán giá trị đầu ra của bộ điều khiển, bao gồm hệ số Kp, Ki và Kd và sai số.Giá trị đầu ra của bộ điều khiển là tín hiệu điều khiển được gửi đến động cơ để điều khiển tốc độ của bánh xe trái và bánh xe phải y(t)= Kp.e(t) + Ki � � ��� + Kd � �� �(�) [1] 5 Điều chỉnh và tinh chỉnh bộ điều khiển PID: • Điều chỉnh các giá trị Kp,Ki,Kd để đạt được hiệu suất tốt nhất và ổn định • Tinh chỉnh bộ điều khiển PID bằng cách thí nghiệm và đánh giá hiệu suất Danh sách linh kiện dự kiến cần mua: Linh kiện Số lượng Arduino Uno 1 MPU-6050 1 L298 1 14 DC motor 2 Bánh xe 2 PCB đục lỗ 2 Trụ đồng 8 Dây Bus 1 10 Mica 1 Dây– jack nguồn 1 Nguồn 5V,12V 5V(1),12V(1) Arduino uno L298 15 MPU6050 DC motor Các linh kiện cần thiết 16 Bảng phân chia công việc: Nhiệm vụ đã hoàn thành Nhiệm vụ chưa hoàn thành Stt Nội dung công việc Người thực hiện Thời gian Tuần 1 Tuần 2 Tuần 3 Tuần 4 Tuần 5 Tuần 6 Tuần 7 Tuần 8 1 Khảo sát và phân tích đề tài Cả nhóm 1 tuần X 2 Xây dụng đề cương đề tài Cả nhóm 2 tuần X X 3 Mô hình hóa hệ thống Khánh, Vinh 3 tuần X X 4 Mô phỏng hệ thống Thắng, Đat 4 tuần X X 5 Thiết kế bộ điều khiển và lắp ráp Đạt, Kiệt 5 tuần X 6 Thực nghiệm Cả nhóm 3 tuần 7 Viết báo cáo Khánh, Thắng 6 tuần X X X 17 Tài liệu tham khảo: [1] www.mesidas.com/pid/ [2] www.youtube.com/watch?v=KDHvodlLWrE [3] [B]Modern_Control_Systems 12th_Edition (CHAPTER 9) - RICHARD C.DORP, ROBERT H.BISHOP [4] www.youtube.com/watch?v=QtmVFlZi5T8&t=157s [5] www.arduinokit.vn/mach-arduino-uno-la-gi/ https://mesidas.com/pid/ https://www.youtube.com/watch?v=KDHvodlLWrE https://www.youtube.com/watch?v=QtmVFlZi5T8&t=157s http://www.arduinokit.vn/mach-arduino-uno-la-gi/ CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BALANCE ROBOT 1.1.Giới thiệu về Balance Robot: 1.2.Các ứng dụng phổ biến của Balance Robot và các hãn 1.3 Tiềm năng và phát triền của Balance Robot tron CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BALANCE ROBOT 2.1 Lý do chọn đề tài: 2.2 Mục tiêu của quá trình nghiên cứu: 2.3 Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp mô phỏng balance robot là quá trình sử CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ MÔ PHỎNG 3.1 Mô hình hóa hệ thống: 3.2 Mô phỏng và thiết kế: 3.2.a Mô phỏng 3.2.b Quá trình thiết kế: Tài liệu tham khảo: