đề tài nghiên cứu và thiết kế hệ xe hai bánh tự cân bằng

LỜI CẢM ƠNChúng em chân thành cảm ơn, quý thầy cô trong khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung và quý thầy cô bộ môn Điều khiển tự động nói riêng, đã trang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Báo Cáo ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO

ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ

LỜI CẢM ƠN

Chúng em chân thành cảm ơn, quý thầy cô trong khoa Điện – Điện tử trườngĐại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung và quý thầy cô bộ môn Điều khiển tựđộng nói riêng, đã trang bị kiến thức và giúp đỡ chúng em, giải quyết những khó khăn,

hỗ trợ phương tiện thí nghiệm trong suốt quá trình tìm hiểu và nghiên cứu đề tài.Đặc biệt chúng em xin chân thành cảm ơn giảng viên hướng dẫn là NguyễnMinh Tâm đã tận tình giúp đỡ trong quá trình lựa chọn đề tài và hỗ trợ sinh viên trongquá trình thực hiện

Tuy nhiên do lần đầu tiên thực hiện đồ án với đề tài “Nghiên cứu và thiết kế hệ

xe hai bánh tự cân bằng” và làm quen với các giải thuật điều khiển mới, chuyên môncòn hạn chế, nên không tránh khỏi những sai sót Chúng em rất mong nhận được sựthông cảm, góp ý và hướng dẫn của quý thầy cô, các anh chị cùng các bạn

Xin chúc quý thầy cô nhiều sức khoẻ, thành công trong công việc, cuộc sống vàtiếp tục đào tạo các sinh viên giỏi góp phần đóng góp cho nhà trường, đất nước Chúccác anh chị, cùng các bạn trong khoá sức khoẻ, học tập thật tốt để chuẩn bị kiến thứcvững vàng trong tương lai

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2023

Nhóm Sinh viên thực hiện

1

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2023

Giáo viên hướng dẫn

Nguyễn Minh Tâm

2

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Đề tài “Nghiên cứu và thiết kế hệ xe hai bánh tự cân bằng” được nhóm thựchiện dựa trên lý thuyết mô hình con lắc ngược Qua so sánh và phân tích ưu nhượcđiểm của một số bộ điều khiển có thể sử dụng cho hệ xe hai bánh tự cân bằng, nhóm

đã quyết định sử dụng giải thuật điều khiển toàn phương tuyến tính LQR (LinearQuadratic Regulator) để điều khiển và tiến hành mô phỏng trên MATLAB Thông qua

đó để nghiên cứu giải thuật LQR và ứng dụng để điều khiển hệ xe hai bánh tự cânbằng

Trong đề tài nhóm thực hiện so sánh các trường hợp sử dụng bộ điều khiển toànphương tuyến tính LQR cho hệ thống đối với trường hợp có nhiễu hệ thống, nhiễu đolường từ cảm biến và trường hợp hệ không chịu tác động của nhiễu Nhóm sẽ kiểmnghiệm những điểm giống và khác nhau trong các trường hợp đồng thời ứng dụng bộlọc Kalman để quan sát, ước lượng trạng thái, lọc nhiễu cho hệ thống Qua đó, đưa ra

ưu nhược điểm và cách khắc phục để hệ thống điều khiển xe cân bằng đạt trạng thái ổnđịnh nhất có thể

Đồ án nãy cũng sẽ trình bày về thiết kế hệ thống Về phần cứng bao gồm lựachọn các thiết bị phù hợp cho hệ thống,… Về phần mềm bao gồm giải thuật điều khiển

và lưu đồ hệ thống: điều khiển toàn phương tuyến tính LQR cho động cơ, xử lý tínhiệu từ cảm biến,… đồng thời thiết kế giao diện giám sát hệ thống lập trình bằng ngônngữ C#

3

2.2 Một số phương pháp điều khiển có thể sử dụng cho hệ thống 11

2.2.1 Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ 112.2.2 Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ kết hợp với giải thuật di truyền 11

2.2.4 Bộ điều khiển tối ưu 13

2.3 Điều khiển toàn phương tuyến tính 14

2.3.2 Bài toán điều khiển toàn phương tuyến tính liên tục 152.3.3 Tuyến tính hoá hệ thống 162.3.4 Khảo sát tính điều khiển được và quan sát được của hệ thống 19

4

4.2 Xây dựng thuật toán điều khiển 40

4.2.1 Thuật toán chương trình chính 414.2.2 Thuật toán xử lý xung trả về từ encoder và tính toán giá trị góc tới, góc

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH ẢNH

Bảng 2.1 Kí hiệu và ý nghĩa các đại lượng 7Bảng 2.2 Thông số mô hình 21Bảng 3.1 Bảng kết nối chân của cảm biến MPU6050 31Bảng 3.2 Bảng kết nối chân của mạch cầu H L298N 33Bảng 3.3 Bảng kết nối chân của động cơ và encoder 35Bảng 3.4 Bảng đi dây phần nguồn 39Bảng 3.5 Bảng đi dây phần tín hiệu điều khiển 39

Hình 1.1 Xe dạng ba bánh khi di chuyển trên địa hình bằng phẳng 2Hình 1.2 Xe dạng ba bánh khi đi lên dốc 2Hình 1.3 Xe dạng ba bánh khi đi xuống dốc 2Hình 1.4 Xe hai bánh di chuyển trên các địa hình khác nhau theo hướng bảo toàn sự

Hình 2.1 Mô hình xe hai bánh tự cân bằng trên mặt phẳng 6Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của bộ điều khiển mờ 12Hình 2.3 Sơ đồ khối của bộ lọc Kalman 14Hình 2.4 Sơ đồ khối của bộ điều khiển toàn phương tuyến tính (LQR) 15Hình 2.5 Khối Two-wheeled Self Balancing Robot trong MATLAB Function 22Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 26Hình 3.2 Sơ đồ chân kết nối của Arduino Mega 2560 Rev3 29Hình 3.3 Cảm biến góc nghiêng GY-521 6DOF IMU MPU6050 31Hình 3.4 Sơ đồ nối dây cảm biến với Arduino Mega 2560 31Hình 3.5 Mạch cầu H điều khiển động cơ DC L298N (Dual Full Bridge Driver) 33Hình 3.6 Động cơ DC Servo GM25-370 DC Geared Motor 35Hình 3.7 Các thiết bị trong khối cấp nguồn 37Hình 3.8 Sơ đồ cấp nguồn cho hệ thống 37Hình 3.9 Các thành phần để xây dựng khung xe 38Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 41

7

Hình 4.2 Lưu đồ chương trình ngắt xử lý xung trả về từ encoder 42Hình 4.3 Lưu đồ tính toán giá trị góc tới và góc xoay 43Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán đọc và xử lý giá trị từ cảm biến góc nghiêng 45Hình 4.5 Lưu đồ thuật toán tính xung băm PWM mỗi bánh với giải thuật LQR 46Hình 4.6 Lưu đồ thuật toán điều khiển động cơ 47Hình 4.7 Giao diện giám sát hệ thống 49 Hình 5.8 Khảo sát góc nghiêng của xe trả về khi xe hoạt động 58

8

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng ViệtLQR Linear Quadratic Regulator Điều khiển toàn phương

tuyến tínhPID Proportional Integral

Derivative Điều khiển vi tích phân tỉ lệ

GA Genetic Algorithm Giải thuật di truyềnMIMO Multiple Input

Multiple Output Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu raRAM Ramdom Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiênROM Read Only Memory Bộ nhớ chỉ đọcEPROM Erasable Programmable

Read Only Memory

Bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình xoá đượcI/O Input/Ouput Đầu vào/ Đầu raPWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xungUART Universal Asynchronous

Receiver - Transmitter

Bộ truyền nhận nối tiếp bất đồng bộI2C Inter – Intergrated Circuit Giao thức giao tiếp nối tiếp

đồng bộIMU Inertial Measurement Unit Khối đo lường quán tínhSRAM Static Ramdom

Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnhICSP In Circuit Serial Programming Lập trình nối tiếp mạch điện tửSPI Serial Peripheral Interface Giao diện ngoại vi nối tiếpDMP Digital Motion Processor Bộ xử lý chuyển động sốADC Analog to Digital Converter Chuyển đổi tương tự sang sốDOF Degrees Of Freedom Bậc tự do

DC Direct Current Dòng điện một chiều

9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề

Trong ngành tự động hóa – điều khiển tự động nói chung và điều khiển học nóiriêng, mô hình con lắc ngược là một trong những đối tượng nghiên cứu điển hình vàđặc thù bởi đặc tính động không ổn định của mô hình nên việc điều khiển được đốitượng này trên thực tế đặt ra như một thử thách

Kết quả nghiên cứu mô hình con lắc ngược cơ bản, ví dụ như mô hình xe conlắc, con lắc ngược quay… có thể ứng dụng và kế thừa sang các mô hình tương tự khácnhưng có tính ứng dụng thực tiễn hơn, chẳng hạn như mô hình tên lửa, mô hình xe haibánh tự cân bằng,…

Như vậy, để cân đối giữa tính cơ bản với tính ứng dụng thực tiễn nhưng vẫnđảm bảo quy mô nghiên cứu nằm trong khả năng cho phép, xe hai bánh tự cân bằngđược chọn làm xuất phát điểm cho ý tưởng về đề tài nghiên cứu

Xe hai bánh tự cân bằng được xem như cầu nối kinh nghiệm giữa mô hình conlắc ngược với robot hai chân và robot giống người Đây là dạng xe có hai bánh đồngtrục, do đó khắc phục được những nhược điểm vốn có của các robot hai hoặc ba bánhkinh điển Các xe ba hoặc bốn bánh kinh điển, theo đó có cấu tạo gồm hai bánh dẫnđộng và môt hoặc hai bánh tự do (hay bất kì cái gì khác) để đỡ trọng lượng xe Thiết kế của xe ba hoặc bốn bánh có thể di chuyển tốt trên địa hình phẳngnhưng không thể di chuyển lên xuống trên địa hình lồi lõm hoặc mặt phẳng nghiêng.Khi di chuyển lên đồi, trọng lượng robot dồn vào đuôi xe làm mất khả năng bám vàtrượt ngã Khi di chuyển xuống đồi, trọng tâm thay đổi về phía trước làm xe bị lật úp

Xe dạng ba bánh xe di chuyển trên địa hình bằng phẳng trọng lượng được chiađều cho bánh lái và bánh dẫn nhỏ

1

Hình 1.1 Xe dạng ba bánh khi di chuyển trên địa hình bằng phẳng

Xe dạng ba bánh khi lên dốc, trọng lượng dồn vào bánh trước khiến lực ma sátgiúp xe bám trên mặt đường không được đảm bảo

Hình 1.2 Xe dạng ba bánh khi đi lên dốc

Xe dạng ba bánh khi xuống dốc, trọng lực dồn vào bánh sau khiến xe có thể bịlật úp

Hình 1.3 Xe dạng ba bánh khi đi xuống dốcNgược lại, các xe dạng hai bánh đồng trục lại thăng bằng rất linh động khi dichuyển trên địa hình phức tạp, mặc dù bản thân robot là một hệ thống không ổn định.Khi xe di chuyển trên địa hình dốc, nó tự động nghiêng ra trước và giữ cho trọnglượng dồn về hai bánh chính Tương tự, khi di chuyển xuống dốc, nó nghiêng ra sau và

2

giữ trọng tâm rơi vào bánh chính Vì vậy, không bao giờ có hiện tượng trọng tâm xerơi ngoài vùng đỡ bánh xe để có thể gây ra lật úp.

Hình 1.4 Xe hai bánh di chuyển trên các địa hình khác nhau theo hướng bảo toàn sự

thăng bằngĐối với những địa hình lồi lõm, ưu điểm về khả năng thăng bằng và di chuyểnlinh hoạt của xe hai bánh sẽ mang lại được ý nghĩa thực tiễn trong giới hạn ổn địnhhơn là đối với xe ba bánh truyền thống Qua đó, xe hai bánh tự cân bằng cũng nhậnđược sự quan tâm từ nhiều nhà nghiên cứu và các hãng sản xuất robot trên toàn thếgiới Nhiều ứng dụng của xe hai bánh tự cân bằng như về phương tiện di chuyển vàbảo vệ môi trường có xe điện hai bánh balancing scooter hay segway; về khả năng tựhành, phục vụ vận chuyển hàng hoá vật phẩm hay vận chuyển trong môi trường khắcnghiệt; về nghiên cứu vũ trụ có xe phục vụ do thám các địa hình không phẳng ngoàikhông gian,… và những ứng dụng thực tế khác

1.2 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu của đề tài là xây dựng mô hình xe hai bánh tự cân bằng dựa trên nềntảng lý thuyết mô hình con lắc ngược Khả năng di chuyển cân bằng trên hai bánh làmphương tiện di chuyển hiệu quả và linh động hơn, dễ dàng xoay xở trong các không

3

gian chật hẹp Trong thời gian làm đề tài, những mục tiêu của đề tài được đặt ra nhưsau:

- Tìm hiểu các mô hình xe hai bánh tự cân bằng và các nguyên lý cơ bản về cânbằng

- Ứng dụng các phương pháp đã học để xây dựng mô hình toán cho hệ xe haibánh tự cân bằng tổng quát

- Tìm hiểu và áp dụng Bộ lọc Kalman để lọc nhiễu cho cảm biến, xây dựng cácthuật toán bù trừ để có giá trị góc chính xác

- Xây dựng mô hình và mô phỏng trên MATLAB Simulink

- Xây dựng thuật toán điều khiển động cơ, giữ thăng bằng cho robot

- Thiết kế, thi công và lập trình điểu khiển cho mô hình xe hai bánh tự cânbằng

- Thiết kế giao diện để quan sát tín hiệu trả về từ cảm biến của xe

1.3 Giới hạn đề tài

Trong khuôn khổ đề tài này, chỉ xét và nghiên cứu:

- Mô hình xe hai bánh tự cân bằng sử dụng bộ điều khiển LQR để hệ thống cóchỉ tiêu chất lượng trong miền thời gian thoả yêu cầu chất lượng hệ thống (độ vọt lố,thời gian quá độ) Tuy nhiên việc lựa chọn bộ tham số LQR để hệ thống đạt được chấtlượng tối ưu nhất hay các kỹ thuật điều khiển khác nằm ngoài phạm vi đề tài

- Mô hình xe hai bánh tự cân bằng chỉ đứng cân bằng chưa thể di chuyển tiếnlùi, quay vòng hay lên xuống dốc được

- Mô hình xe kích thước nhỏ ,vùng hoạt động trong không gian hẹp không đặtlên được các vật thể để xét khả năng di chuyển cân bằng

- Mô hình xe thực hiện trong đề tài chỉ giao tiếp đọc tín hiệu trả về thông quatruyền thông kết nối USB trực tiếp với máy tính, chưa thể xét tới việc điều khiển vàtruyền nhận tín hiệu từ xa

4

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên những kiến thức thực tế, mô hình toán học của hệ xe hai bánh cânbằng đã được chỉ rõ Nhóm tiến hành sử dụng bộ điều khiển phù hợp giúp xe giữ thăngbằng theo những yêu cầu chất lượng được đặt ra

Xây dựng mô hình lý thuyết xe hai bánh tự cân bằng, mô phỏng trên MATLABSimulink và thực hiện tính toán các thông số cho bộ điều khiển LQR

Xây dựng mô hình thực gồm:

- Thiết kế cơ khí: khung sườn của mô hình

- Ứng dụng các mạch điện tử, mạch công suất (điều khiển bánh xe)

- Mạch cảm biến (góc, vận tốc, gia tốc) và phương pháp bù trừ giá trị cảm biến

để ước lượng lọc nhiễu

- Bộ điều khiển trung tâm

- Lập trình vi xử lý

1.5 Nội dung đề tài

Phần còn lại của đề tài có nội dung như sau:

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Ở chương 2, mô tả về mô hình toán học của hệ xe hai bánh tự cân bằngtrên địa hình phẳng Đồng thời nêu cơ sở lý thuyết, kiến thức nền tảng một bộ điềukhiển có thể sử dụng để điều khiển đối tượng

Chương 3 Thiết kế phần cứng

Trong chương này các giải pháp về phần cứng cho mô hình được xemxét và lựa chọn phù hợp với yêu cầu hệ thống được đề ra, tiến hành thi công và thựchiện hoá mô hình hệ xe hai bánh tự cân bằng

Trong chương này trình bày các kết quả thực hiện được thông qua môphỏng trên MATLAB Simulink và thực nghiệm trên phần mềm giám sát Đồng thờiđưa ra hạn chế còn gặp của đề tài và hướng phát triển nghiên cứu đề tài trong tươnglại.

6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Đặc tính động lực học

Xây dựng hệ phương trình trạng thái mô tả hệ thống xe hai bánh tự cân bằng

Hình 2.1 Mô hình xe hai bánh tự cân bằng trên mặt phẳng

Kí hiệu – [đơn vị] Ý nghĩa

Khối lượng bánh xeKhối lượng robotBán kính bánh xeChiều rộng robotChiều sâu robotChiều cao robotKhoảng cách từ trọng tâm robot đến trục

Vì yêu cầu đặt ra là động cơ gắn sẵn bộ mã hoá quay encoder và động cơ kéotải tầm 700g nên chúng tôi đã lựa chọn động cơ DC Servo GM25-370 DC GearedMotor loại 12VDC 250 vòng/phút với ưu điểm như sau:

- Động cơ tích hợp thêm Encoder hai kênh A,B

- Cấu tạo bằng kim loại cho độ bền và ổn định cao

- Hộp giảm tốc của động cơ có nhiều tỉ số truyền giúp dễ dàng lựa chọn giữalực kéo và tốc độ

- Động cơ được sử dụng nguyên liệu chất lượng cao với lõi dây đồng nguyênchất, lá thép 407, nam châm có độ từ tính mạnh,… cho sức mạnh và độ bền vượt trộivới các loại giá rẻ khác trên thị trường

+ Dòng không tải: 150mA

+ Dòng chịu đựng tối đa khi có tải: 750mA

+ Điện áp cấp cho Encoder hoạt động: 3.3 – 5 VDC

+ Cảm biến từ trường Hall, có 2 kênh AB lệch nhau

+ Đĩa Encoder trả 11 xung/ 1 kênh/ 1 vòng

33

+ Số xung Encoder mỗi kênh trên 1 vòng quay trục chính: 11 x 34 = 374 xung.

Hình 3.6 Động cơ DC Servo GM25-370 DC Geared Motor

Chân Kết nối và chức năng

M1 (đỏ) Dây cấp nguồn dương cho động cơ

GND (đen) Dây cấp nguồn âm cho động cơ

C1/A (vàng) Tín hiệu trả xung kênh A

C2/B (xanh lá) Tín hiệu trả xung kênh B

VCC (xanh dương) Dây cấp nguồn cho Encoder

M2 (trắng) Dây cấp nguồn âm cho động cơ

Bảng 3.3 Bảng kết nối chân của động cơ và encoder

3.3.5 Khối cấp nguồn

Cung cấp nguồn ổn định cho các khối giúp hệ thống hoạt động tốt Có thể cấpnguồn cho hệ thống bằng nhiều cách như pin, nguồn xung tổ ong hoặc adapter chuyểnđổi AC-DC,…

Lựa chọn khối cấp nguồn gồm:

- Nguồn gồm 3 pin Panasonic Lithium ion IRC18650

- Hộp đế pin 3 cell 18650

- Mạch giảm áp chuyển đổi DC – DC LM2596 3A

- Công tắc bập bênh 10x15 mm

- Jack DC đực có dây

Ưu điểm của khối cấp nguồn đã được chọn:

- Khi sử dụng pin kết hợp với mạch giảm áp sẽ giúp ổn định được một mứcđiện áp cố định cấp cho hệ thống, phòng trường hợp sụt áp khi pin cạn

- Sử dụng được linh động, gọn nhẹ hơn so với dùng nguồn tổ ong hay adapter

- Lắp đặt, đi dây dễ dàng, không bị vướng dây nguồn khi xe chạy

34

- Dễ dàng sử dụng, thay và sạc pin cho nguồn.

- Sử dụng công tắc giúp thuận tiện hơn trong việc đóng/tắt hệ thống

- Sử dụng giắc DC đực thuận tiện trong việc cấp nguồn cho vi điều khiển

- Một phần giúp tăng khối lượng của xe khiến xe dễ dàng cân bằng hơn

- Mạch hạ áp LM2596 có kích thước nhỏ gọn, có khả năng giảm áp từ 30VDCxuống 1.5VDC nhưng vẫn đạt được hiệu suất cao, dòng ra 3A đảm bảo dòng qua cáckhối của hệ thống

Thông số kỹ thuật:

- Ba pin Panasonic Lithium ion IRC18650:

+ Lõi pin Li-on MH1350

+ Điện áp cung cấp mỗi pin: 4.2 VDC (Ba pin thì tổng điện áp cung cấp là4.2×3 = 12.6VDC)

+ Dung lượng mỗi pin: 4200 mAh

- Mạch giảm áp LM2596 3A:

+ Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V

+ Điện áp đầu ra: có chiết áp điều chỉnh được trong khoảng 1.5V đến 30V.+ Tần số xung: 65 KHz

+ Dòng đáp ứng tối đa là 3A

+ Hiệu suất: 92%

+ Công suất: 15W

+ Kích thước: 45×20×14 mm (dài×rộng×cao)

35