đề tài xe hai bánh tự cân bằng

Thông qua quá trình thực hiện đồ án, em đã được tạo điều kiện để tổng hợp và ônlạikiếnthứctôiđãhọc,vàthuthậpvàbổsungkiếnthứcmớimàemvẫncònthiếu,đồngthờirènluyệnk hảnăngtínhtoánvà giải quyếtvấnđề.

Trongthờigianthựchiệnđồán,emđãnhậnđượcrấtnhiềuhướngdẫnvàsựgiúpđỡtậntình từ Giáo viên hướng dẫn em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành đến các thầycô.Kiếnthứcvàkinhnghiệmmàcácthầycôđãtruyềnđạtchoemlànềntảngvàlàchìakhóa để em hoàn thành đồ án này Mặc dù em đã cố gắng hết sức nhưng do kiến thứcvà kinh nghiệm hạn chế, đồ án của nhóm em khó tránh khỏi thiếu sót, em hy vọng sẽnhận được hướng dẫn từ thầy cô để em có thể củng cố và nâng cao kiến thức của mìnhhơn.

Cuối cùng, em xin chúc thầy cô luôn thành công và nhiều sức khỏe để có thể tiếptụcsự nghiệptruyềnđạtkiếnthứccủamìnhchothếhệtiếptheo.

Emxinchânthành cảm ơn.

1.1 Đặtvấn đề

Theo tình hình thế giới hiện nay, việc di chuyển không còn là một vấn đề

khókhăn Có rất nhiều phương tiện di chuyển khác nhau như: máy bay, tàu hỏa, ô tô, xemáy… Nhưng các phương tiện di chuyển đó rất cồng kềnh nên không thể làm phươngtiện di chuyển trong các công ty nhà máy, không được sử dụng rộng rãi đối với

Xe hai bánh tự cân bằng Segway được sản xuất bởi công ty Segway Inc, ở bang NewHampshire, Mỹ Chiếc xe ra mắt lần đầu trước công chúng vào ngày 03 tháng 12 năm2001 Hiện nay loại xe này được bán rộng rãi trên toàn thế giới Ở nước phát

triển xeSegway trở nên thông dụng và gần gũi với mọi người Xe được phát triển từ dự án xelăn tự leo cầu thang iBOT của Dean Kamen Đặc điểm nổi bật của Segway là khả năngcân bằng nhờ hệ thống máy tính, động cơ và con quay hồi chuyển đặt bên trong xe, nógiúp cho xe dù chỉ có một trục chuyển động với hai bánh nhưng luôn ở trạng thái cânbằng Tất cả thông tin về trạng thái nghiêng truyền đến hai bảng mạch điều khiển baogồm một bó vi xử lý Segway có tổng cộng 10 bảng mạch vi xử lý với năng lực gấp 3lầnPCđiểnhình

Giao diện hiển thị chế độ hoạt động : Segway có màn hình LCD cung cấp thôngtin về năng lƣợng, thông báo chế độ hoạt động và tình trạng lỗ nếu xe gặp sự cố.Giáthành:6000USD

XescooterđượcTrevorBlackwell chếtạora dựatheoSegwaycủa Mỹ.Xescootertựcân bằng này đƣợc chế tạo từ động cơ xe lăn và pin dùng cho mô hình Những bộphận và module của xe có giá thành rẻ hơn một nửa so với xe Segway Xe không cầnphầnmềm

thựcthicaocấphayphứctạp.PhiênbảnđầutiênđượcviếtbằngPython

1.2 Mụctiêu

Mục tiêu của đề tài là xây dựng mô hình robot 2 bánh tự cân bằng dựa trên nềntảnglý thuyết mô hìnhconlắc ngược Trongthời gian làm đề tài, những mục

Đốivớixebabánhhaybốnbánh,viêcgiữthăngbằngvàổnđịnhcủachúnglànhờvào trọng tâm của chúng nằm trong bề mặt chân đế do các bánh xe tạo ra Đối vớixe hai bánh có cấu trúc như xe đạp, việc thăng bằng khi không di chuyển là hoàntoàn không thể, vì việc thăng bằng của xe đạp dựa trên tính chất con quay hồichuyểnởhaibánhxekhiđangquay.Cònđốivớixehaibánhtựcânbằnglàloạixehai bánh có trục hai bánh xe trùng nhau, để tự cân bằng thì trọng tâm của xe (baogồm cả người lái) cần được giữ ngay giữa các bánh xe Điều này giống như ta giữmột câygậythẳngđứngcânbằngtrong lòngbàntay Thựcra,việcxácđịnhtrọng

tâm của xe hai bánh tự cân bằng là rất khó khăn, có khi không xác định được, vìtrọngtâmxephụthuộcnhiềuyếutốđượcđặtlênxe.Vìvậyviệcgiữchotrọngtâmcủa xe luôn thăng bằng là rất khó khăn và không có động cơ nào có đủ khả năngquay với tốc độ cao để giữ thăng bằng cho trọng tâm xe khi chúng có độ lệch quálớn.Vềmặtkỹthuật,gócgiữachiềutrọnglựcvàsànxehaibánhtựcânbằnglàcóthể xác định được, thay vì cách xác định trọng tâm của xe thì thay vào đó có thểgiữ cho tay lái thẳng đứng và luôn vuông góc với sàn xe cũng có thể giữ xe thăngbằng.

Nguyênlý di chuyểncủaxe

Xe hai bánh tự cân bằng hoạt động theo nguyên lý sau: Khi thanh điều khiển đượcđẩynghiêngvềphíatrướctrọngtâmxesẽbịlệchkhỏivịtrícânbằng,lúcnàybánhxe yêu cầu phải chạy về phía trước để cân bằng lại trọng tâm của xe nhằm giữ xethăng bằng Khi thanh điều khiển nghiêng về phía sau thì trọng tâm xe bị lệch vềphíasau,lúcnàybánhxephảiquayvềphíasauđểgiữthăngbằnglạitrọngtâmcủaxe Khi muốn dừng xe hoặc di chuyển chậm lại thì chỉ cần di chuyển thanh điềukhiển ngược hướng di chuyển Qua đó có

bánhtựcânbằngrấtdễdàngchỉphụthuộcvàohướngdichuyểncủathanhđiềukhiển

bánhhaybốnbánh.Tuynhiên,nếukhiđilêndốchoặcxuốngdốcthìtrọngtâmcủaxe luôn luôn nằm trong khu vực của bánh xe (bộ phận đỡ toàn bộ khối lượng củaxe) nên xe sẽ không bị trượt hay lật xe Khi di chuyển lên dốc thì xe bị nghiêng vềtrước trọng tâm đuợc dồn về bánh xe do đó xe không bị lật hay mất

Chương2.C ƠSỞLÝ THUYẾT

 rad Góctrung bìnhcủabánhtráivàphải

l,r rad Góccủabánhtráivà phải

 rad Gócnghiêngcủaphần thânrobot

Ta sử dụng phương pháp Euler-Lagrange để xây dựng mô hình động học Giả sử tạithời điểm t = 0, robot di chuyển theo chiều dương trục x, ta có góc tịnh tiến trung bìnhcủahai bánhxe vàgócxoay của robot đượcxác địnhnhư sau:

Tọađộtâmđốixứng giữahaiđộngcơ tronghệquichiếu:

Phương trình động năng của chuyển động tịnh

tiến:Phươngtrình động năngcủachuyểnđộng quay:

2.2 GiảithuậtđiềukhiểnbộđiềukhiểnPID

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PID (Proportional Integral Derivative) là một cơchế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điềukhiển công nghiệp Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị “sai số” là hiệu số giữagiá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảmtối

đasaisốbằngcáchđiềuchỉnhgiátrịđiềukhiểnđầuvào.Cácthông

sốPIDsửdụngtrongtínhtoán phảiđiềuchỉnhtheotính chất,đặcthùcủahệthống.

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt: các giá trị tỉlệ, tích phân, đạo hàm, viết tắt là P, I, D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiệntại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi

 Kp: độ lợi khâu tỉ lệ, giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai sốcàng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn Giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quátrìnhmấtổnđịnhvàdaođộng

 KI: độ lợi khâu tích phân, có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thểlàmgiảmtốcđộđápứngcủahệ.

 KD: độ lợi khâu vi phân, giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làmchậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tínhiệutrongphépviphânsaisố.

Chương3.GIỚITHIỆUCÁCLINHKIỆNCHÍNH3.1 ArduinoNanoCH340

Arduino Nano là một bảng vi điều khiển thân thiện, nhỏ gọn, đầy đủ ArduinoNano nặng khoảng 7g với kích thước từ 1,8cm - 4,5cm Arduino Nano có chức năngtương tự như Arduino Duemilanove nhưng khác nhau về dạng mạch Nano được tíchhợp vi điều khiển ATmega328P, giống như Arduino UNO Sự khác biệt chính giữachúnglàbảngUNOcódạngPDIP(PlasticDual-In-linePackage)với30châncònNanocósẵntrongTQFP(plasticquadflatpack)với32chân.TrongkhiU NOcó6cổngADCthì Nano có 8 cổng ADC Bảng Nano không có giắc nguồn DC như các bo mạch Arduinokhác, mà thay vào đó có cổng mini-USB Cổng này được sử dụng cho cả việc lập trìnhvà bộ giám sát nối tiếp Tính năng hấp dẫn của arduino Nano là nó sẽ chọn công xuấtlớnnhấtvớihiệuđiệnthếcủanó.

BoadAdruinonanoCH340

- Dòngtải độngcơ:2A (A4988)hoặc2.5A(DRV8825)

- Được thiết kế với các chân cắm mở rộng, có thể kết nối với các module khác nhưmodulecôngtắchànhtrình

- HỗtrợkếtnốiI2Ctương thích vớicácmoduleLCDkhác

- TươngthíchvớiArduinoNano R3

- Phầnmềmhồtrợ:GRBL(hướngdẫnsửdụngvàcàiđặtphầnmềm xemthêmtạiđây)

- Thườngđượcsử dụngđểđiềukhiểncácloạimáycncmini,máykhắclasermini vv

3.3 MạchđiềukhiểnđộngcơbướcA4988

Có5chếđộ:Full bước,1/2bước,1/4bước,1/8bước,1/16 bước

Điểu chỉnh dòng ra bằng triết áp, nằm bên trên Current Limit = VREF × 2.5Tựđộngngắtđiệnkhiquánhiệt.

3.4 Cảmbiếngócnghiêng6050

Cảm biến MPU6050 là một trong những cảm biến IMU (Inertial

MeasurementUnit) – thiết bị kết hợp từ hai bộ cảm biến Accelerometer (cảm biến gia tốc) và cảmbiến Gyroscope (cảm biến con quay hồi chuyển) Ngày nay, IMU là một trong nhữngcảm biến được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử Chúng có thể được tìm thấytrong các smartphone, điều khiển cầm tay, các thiết bị điện tử đeo trên người… Cảmbiến IMU giúp chúng ta xác định được trạng thái của một vật được gắn liền với

MPU6050 là cảm biến 6 bậc tự do (6 DOF) hay cảm biến IMU 6 trục mà đầu racảm biến cho ta 6 giá trị Ba giá trị từ cảm biến gia tốc, ba giá trị từ cảm biến vận

tốc.MPU6050 được chế tạo dựa trên MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) – côngnghệvicơ

điệntử.Cảhaibộcảmbiếngiatốc

gócvàvậntốcgócđượctíchhợptrongmộtconchipsửdụngphươngthứcI2Cđểgiaotiếpvớicáct hiết bịkhác.

Cảm biến gia tốc hoạt động dựa trên nguồn gốc của hiệu ứng áp điện xảy rakhi áp vào vật liệu áp điện một trường điện thì nó biến đổi hình dạng, và ngược lại khiung lực cơ học tác động vào nó thì nó tạo ra điện tích trên bề mặt xác định.Tưởngtượng chúng ta có một viên bi nhỏ trong một khối lập phương mà 4 mặt được làmbằng các tinh thể áp điện Bất cứ khi nào chúng ta nghiêng khối hộp, viên bi sẽ dịchchuyển theo hướng ta nghiêng nhờ vào trọng lực Khi viên bi va chạm với mặt nào thìmặtđósẽsảnsinhrađiệntíchtạora nhữngdòngđiệnnhỏ.Cótổngcộng3cặp màcácmặt của “chiếc hộp”, mỗi cặp tương ứng với một trục trong không gian 3 chiều Dựavào các dòng điện sinh ra bởi các mặt của tinh thể áp điện, chúng ta có thể

Càiđặtgiátrịthanh ghilà0x07,suyratốcđộlấy mẫulà1Khz.

 Thanh ghi Configuration: Cấu hình khung đồng bộ lấy mẫu và bộ lọc ungthấpchocảmbiến.Mặcđịnhgiátrịlà0x00.

 Thanh ghi Gyroscope Configuration: Cấu hình tầm đo vận tốc góc, ở đâychọngiátrị0x00 với tầmđo từ-250tới250độ/s.

 Thanh ghi Accelerometer Configuration: Cấu hình tầm đo gia tốc góc, ở đâychọngiátrị0x00 với tầm đo từ -2gtới2g.

 Thanh ghi Power Management: chọn nguồn clock cho MPU, mặc định nguồnclocklàdaođộng thạch anh nội 8 MHz.

 CácthanhghiAccdữliệu:lưugiátrị giatốcgóccủa3trụcx,y,z.

 Cácthanhghigyro dữliệu:lưugiátrị vậntốcgóccủa3trục.

Giá trị thu được ở đây là giá trị chưa hiệu chỉnh, có nghĩa là mức zero của MPU chưađúng là giá trị 0 mà là một giá trị khác không Do đó ta cần phải hiệu chỉnh cảm biến.Cáchhiệuchỉnh:

 Hiệu chỉnh Acc: Đặt cảm biến nằm ngang trên một mặt phẳng Trong đó trụcx và y nằm trong mặt phẳng song song với mặt nằm ngang, trục z theophươngtrọnglực.

Khi đó theo lý thuyết thì chỉ trục z có giá trị 1g còn giá trị trên trục x và y bằng

0.Nhưng trong thực tế giá trị trên trục x và y khác 0, còn giá trị z khác 1g Ta đọc giá trịAcc 50 lần rồi lấy trung bình Khi đó giá trị trung bình trên x và y là mức zero, còn

 Hiệu chỉnh Gyro: Đặt cảm biến nằm yên, khi đó giá trị đọc được trên 3 trụcđều bằng 0 Nhưng thực tế giá trị đọc được khác 0, khi đó giá trị đọc được đóchínhlà mức zero của các gyro trêncác trục.

- Dòng: 1.2 -1,4A tùy lô Lưu ý động cơ mạnh hay không phụ thuộc vào dòng vàmoment(momenttỷlệ thuậnđộlớncủacuộn đồngtứcchiều caocủađộngcơ).

Chương4.THICÔNGHỆTHỐNG4.1 Yêucầuhệthống

Để xe 2 bánh có thể tự cân bằng yêu cầu chúng ta phải điều khiển động cơchốnglạisự ngãcủa xe

Đầu tiên cảm biến góc nghiêng MPU 6050 sẽ đọc giá trị góc nghiêng khi xe mấtcân bằng, Arduino nhận được giá trị góc nghiêng từ MPU 6050 sau đó sẽ giải thuậtPIDgiúpxecânbằng

Mạch bluetooth nhận tín hiệu từ thiết bị điều khiển sau đó truyền tín hiệu vàoArduinođểArduinoxửlýtínhiệuvàđiềukhiểnxetheoýmuốn

Khốilượngkhoảng: 2 Kg

4.3 Kếtnối phầncứng

Sơđồchânkếtnối củamạchđiềukhiểnđộng cơbướcA4988

Các chân MS1, MS2, MS3 sử dụng để điều khiển độ vi bước trên mạch A4988 cácmứcđiệnáptrênmỗichântươngứngvớibảngsau

ChânENABLEđiềukhiểntắtmởmạch A4988(0Vmạchhoạtđộng,5Vmạchtắt)

SơđồkếtnốiMPU6050vớiboardmạchcncshieldV4

Sơđồkếtnốimạchbluetoooth vớiboardmạchcncshieldV4

Môhìnhthựctế

Chương6.KẾTLUẬNVÀHƯỚNGPHÁTTRIỂN6.1 Kếtluận

Mô hình robot 2 bánh tự cân bằng là một đề tài không mới nhưng đặt ra nhiềuthách thức trong nghiên cứu và chế tạo Để có thể thiết kế một mô hình robot 2 bánh tựcân bằng hoàn chỉnh, linh hoạt hơn và làm cơ sở để chế tạo xe 2 bánh tự cân bằng chởđược người thì cần phải tính toán thật chính xác về kết cấu cơ khí, cũng như phải cóđược các thông số thật chính xác về động cơ, cảm biến và 1 bộ điều khiển có thể thíchnghiđượcnhư

Nguyễn PhùngQuang; “MatlabvàSimulink”;NXBkhoahọcvàkỹthuật.

Dương Hoài Nghĩa; “Điều khiển hệ thống đa biến”; Nhà xuất bản Đại học

Chươngtrìnhđiềukhiển