TKMH MÔ PHỎNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN : xe 2 bánh tự cân bằng

TKMH MÔ PHỎNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN : xe 2 bánh tự cân bằng điều khiển bằng PID trên matlab( có bao gồm PID simulink)

BÔ GIAO DUC VA ĐAO TAO

TRƯỜNG ĐAI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI PHÂN HIỆU THANH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÔ MÔN CƠ KHÍ



TKMH MÔ PHỎNG THIẾT KẾ

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

ĐỀ TAI: XE 2 BANH TỰ CÂN BẰNG

GVHD : NGUYỄN HỮU HAO LỚP : CƠ ĐIỆN TỬ K61 MSSV: 615104C003

HỌ VA TÊN : HA THIÊN PHÚC

LỜI NHẬN XÉT CỦA GIAO VIÊN

MÔ HÌNH 4 : PHƯƠNG AN 35 THIẾT KẾ MÔN HỌC THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN

Các thông số tọa độ xác định vị trí của Robot bao gồm:

� tọa độ vị trí của tâm bánh xe theo phương ngang

�� tọa độ vị trí của trọng tâm thân robot theo phương ngang

�� tọa độ vị trí của trọng tâm thân robot theo phương thẳng đứng

� góc quay của bánh xe so với vị trí ban đầu

� góc nghiêng của thân robot so với phương thẳng đứng

Các thông số vật lý của Robot bao gồm:

�� khối lượng bánh xe

� bán kính bánh xe

� khoảng cách từ trục bánh xe đến trọng tâm thân robot

� momen quán tính của thân robot đối với trục đi qua trọng tâm

�� momen quán tính của bánh xe đối với trục quay (�� = ���2/2)

Yêu cầu:

1 Thành lập phương trình vi phân chuyển động của mô hình Robot với hai tọa độ suy rộng

là � và �

2 Tuyến tính hóa mô hình bằng việc xấp xỉ các đại lượng ����, ���� khi góc � là bé Viết

hệ phương trình vi phân chuyển động của hệ dưới dạng mô hình không gian trạng thái

3 Xem góc nghiêng �(�) của thân robot là đầu ra (Output), momen lực tác dụng �0(�) làđầu vào (Input) Tìm hàm truyền � � =�� �

0 � của hệ

4 Thiết kế bộ điều khiển phù hợp cho nhiệm vụ ổn định vị trí cân bằng của thân robot tại vịtrí thẳng đứng Mô phỏng trong trường hợp vị trí ban đầu của con lắc � ≠ 0 và khi có nhiễukích thích vào hệ thống

Gợi ý: Sinh viên có thể tham khảo tài liệu là các bài báo sau hoặc các tài liệu tương tự.

1 Juang Hau-Shiue and Kai-Yew Lum, Design and control of a two-wheel self-balancing robot using the arduino microcontroller board, 10th IEEE International Conference on

Control and Automation (ICCA) Hangzhou, China, June 12-14, 2013

2 Ye Ding, Joshua Gafford, Mie Kunio, Modeling, Simulation and Fabrication of a Balancing Robot, Journal of Advanced System Dynamics and Control, 2012.

PHẦN MỞ ĐẦU:

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Trong tương lai, xe tự lái và các hệ thống tự động có thể trở thành một phần không thểthiếu của cuộc sống hàng ngày Để hiểu sâu hơn về cơ sở lý thuyết và ứng dụng thực tế củacác hệ thống này, chúng ta không thể bỏ qua việc nghiên cứu về xe cân bằng 2 bánh

Đề tài này chủ yếu tập trung vào chuyển đổi từ hệ thống con lắc ngược, một mô hình điềukhiển kinh điển, sang mô hình xe cân bằng 2 bánh Sự linh hoạt và tính ứng dụng của xe cânbằng 2 bánh không chỉ làm phong phú thêm lĩnh vực nghiên cứu mà còn mở ra cánh cửacho nhiều ứng dụng thực tế, từ xe đạp điện đến xe tự lái

Xe cân bằng 2 bánh (self-balancing two-wheeled vehicles) đã trở thành một trong nhữngtiến bộ công nghệ đáng chú ý trong thời gian gần đây Với khả năng tự cân bằng và điềukhiển linh hoạt, xe cân bằng 2 bánh đã thu hút sự quan tâm của người dùng và nhà nghiêncứu trên toàn thế giới

Trong lĩnh vực này, sự kết hợp giữa công nghệ cảm biến thông minh, học máy và trí tuệnhân tạo đã tạo ra những giải pháp đột phá để xây dựng những chiếc xe có khả năng tự cânbằng và vận hành an toàn Việc phát triển công nghệ này không chỉ mang lại sự tiện íchtrong việc đi lại hàng ngày, mà còn mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vựccông nghiệp, giao thông và giải trí

Trên thị trường hiện nay, nhiều công ty công nghệ hàng đầu đã đưa ra những sản phẩm xecân bằng 2 bánh tiên tiến và thông minh Những chiếc xe này không chỉ có khả năng tự cânbằng mà còn tích hợp các tính năng thông minh như điều khiển bằng điện thoại di động, hệthống định vị và kết nối Internet of Things (IoT)

Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá sâu hơn về công nghệ xe cân bằng 2 bánh, từnguyên lý hoạt động cho đến ứng dụng thực tế Chúng ta sẽ tìm hiểu về các thành phần cấutạo, công nghệ cảm biến và thuật toán điều khiển quan trọng Ngoài ra, chúng ta cũng sẽkhám phá các lĩnh vực ứng dụng tiềm năng và tầm quan trọng của xe cân bằng 2 bánh trongcuộc sống hiện đại.… Thực hiện đề tài “Thiết kế mô hình con lắc ngược” là rất cần thiết chovấn đề giảng dạy và nghiên cứu tại trường Đại học GTVT Phân hiệu tại Tp.HCM thời điểmhiện tại Vì đây là một mô hình rất điển hình cần phải có ở bất kỳ một trường Đại học, Caođẳng nào theo hướng chuyên ngành kỹ thuật tại Việt Nam, nhất là ngành điều khiển tự độnghóa, điện công nghiệp, cơ điện tử… Việc xây dựng mô hình sẽ giúp ích cho công tác giảngdạy trực quan hơn, dễ dàng kiểm chứng với các giải thuật điều khiển trên lý thuyết, là cơ sởnghiên cứu khoa học cho cả giảng viên và sinh viên tại trường

2 Tổng quan nghiên cứu:

2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước:

Tình hình nghiên cứu xe cân bằng 2 bánh ở Việt Nam hiện tại đang phát triển khátích cực và thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vựccông nghệ và xe điện

Xe cân bằng 2 bánh, hay còn được gọi là xe điện tự cân bằng (electric self-balancing scooter)hoặc phổ biến hơn là "xe điện thông minh" (smart electric scooter), đã trở thành một

phương tiện vận chuyển cá nhân phổ biến và thuận tiện ở nhiều quốc gia trên thế giới Việcnghiên cứu và phát triển xe cân bằng 2 bánh ở Việt Nam tạo ra nhiều cơ hội kinh doanh vàmang lại lợi ích về môi trường

Có một số doanh nghiệp ở Việt Nam đã bắt đầu nghiên cứu và sản xuất xe cân bằng 2 bánh,cung cấp cho thị trường nội địa và xuất khẩu Ngoài ra, cũng có các nhóm nghiên cứu vàcác cá nhân đang tìm hiểu và phát triển công nghệ liên quan đến xe cân bằng 2 bánh, nhưcải tiến hệ thống cân bằng tự động, tăng tính an toàn và hiệu suất của xe

Hình 1: Mô hình và thực nghiệm xe cân bằng 2 bánh 2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước:

Tình hình nghiên cứu xe cân bằng 2 bánh ở nước ngoài hiện nay đang phát triển mạnh

mẽ và đầy tiềm năng Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trên toàn cầu đang đẩy mạnhnghiên cứu và phát triển công nghệ xe cân bằng 2 bánh để đáp ứng nhu cầu vận chuyển cánhân hiện đại và bền vững

Hình 2: xe lăn 2 bánh tự cân bằng, chạy nhiều địa hình

Các nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện hiệu năng và an toàn của xe, tích hợpchúng vào hệ thống giao thông công cộng, ứng dụng trong ngành công nghiệp và robot tựđộng hóa,Điều này tạo ra một sự phát triển đa chiều cho xe cân bằng hai bánh và đang thúcđẩy sự sáng tạo và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Các nhóm nghiên cứu trêntoàn cầu đang tập trung vào việc cải thiện hiệu suất, an toàn và tính năng của xe cân bằng 2bánh Công nghệ như trí tuệ nhân tạo, học máy, cảm biến thông minh và kết nối Internet ofThings (IoT) được ứng dụng để nâng cao khả năng tự cân bằng, tương tác và điều khiển củaxe

Hình 3: xe điện 2 bánhcó thể chở 5 người và tự duy trì thăng bằng

3 Mục tiêu:

Mục tiêu chung: Đảm bảo đối tƣợng là xe 02 bánh tự cân bằng và di chuyển trên mặtphẳng và

có các tính chất điều khiển như ta mong muốn

Mục tiêu cụ thể:

 Thiết kế mô hình xe 02 bánh tự cân bằng

 Sử dụng các giải thuật điều khiển khác nhau để điều khiển hệ thống

 Điều khiển cân bằng của hệ

4 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu:

4.1 Đối tượng, địa điểm và thời gian nghiên cứu:

Đề tài tập trung nghiên cứu chế tạo mô hình xe 02 bánh tự cân bằng và áp dụng các giảithuật điều khiển khác nhau để điều khiển cân bằng hệ thống

Thời gian nghiên cứu từ tháng 09 năm 2016 đến tháng 08 năm 2017 tại các phòng LabKhoa Kỹ thuật và Công nghệ 4.2 Quy mô nghiên cứu

Nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý hoạt động xe cân bằng

Nghiên cứu chế tạo mô hình xe cân bằng 2 bánh thực tế

Nghiên cứu lập trình điều khiển xe cân bằng 2 bánh

4.2 Phương pháp nghiên cứu:

Tìm hiểu, phân tích các đề tài, các công trình nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước

Tìm hiểu và xây dựng giải thuật điều khiển hệ thống

Tiến hành nghiên cứu chế tạo một mô hình xe cân bằng 2 bánh thực tế

Viết chương trình điều khiển hệ thống thực

PHẦN NÔI DUNG:

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ XE CÂN BẰNG 2 BANH

1 Giới thiệu mô hình hệ thống xe cân bằng 2 bánh:

-Mô hình xe cân bằng 2 bánh là một mô hình kinh điển và là một mô hình phức tạp

có độ phi tuyến cao trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa Để xây dựng và điều khiển xecân bằng 2 bánh đòi hỏi người điều khiển phải có nhiều kiến thức về cơ khí lẫn điều khiển

hệ thống Với mô hình này sẽ giúp người điều khiển kiểm chứng được nhiều cơ sở lý thuyết

và các thuật toán khác nhau trong điều khiển tự động

- Hệ thống xe cân bằng 2 bánh đang được nghiên cứu hiện nay gồm một số loại nhưsau:

ABS (Anti-lock Braking System): Hệ thống chống bó cứng phanh giúp ngăn chặnbánh xe bị khóa trong quá trình phanh, giúp giữ được sự kiểm soát và ổn định của xe

TCS (Traction Control System): Hệ thống kiểm soát độ ma sát giữa bánh xe và bềmặt đường, giảm nguy cơ trượt khi tăng tốc

ESP (Electronic Stability Program): Chương trình ổn định điện tử giúp duy trì sự ổnđịnh của xe bằng cách tự động kiểm soát phanh và động cơ để ngăn chặn sự trượt và lật

Ride-by-Wire Throttle Control: Hệ thống kiểm soát động cơ qua điện tử, giúp cảithiện độ phản ứng của động cơ và làm giảm nguy cơ mất kiểm soát

Gyroscope-Based Stability Control: Sử dụng cảm biến gyroscope để đo và duy trìcân bằng của xe, giúp ngăn chặn lật và giữ cho xe ổn định trên đường

Active Suspension Systems: Hệ thống treo có thể điều chỉnh độ cứng một cách tựđộng dựa trên điều kiện đường đi và tình trạng lái xe, giúp duy trì sự ổn định

In-Wheel Motor Technology: Công nghệ động cơ tích hợp trong bánh xe, giúp phânphối trọng lượng một cách hiệu quả và tăng cường khả năng kiểm soát của xe

Phanh ABS Hệ thống cân bằng điện tử(ESP).

Hệ thống kiểm soát lực kéo(TSC)

Nội dung đề tài chủ yếu tập trung nghiên cứu và xây dựng mô hình hệ thống xe 2bánh tự cân bằng bao gồm 3 thành phần chính sau:

Phần cơ khí: gồm 1 cây kim loại (thanh khung xe) quay quanh 1 trục thẳng đứng.

Thanh xe 2 bánh tự cân bằng được gắn gián tiếp vào một xe (xe con lắc) thông qua mộtencoder để đo góc Trên chiếc xe có 1 encoder khác để xác định vị trí chiếc xe đang dichuyển Do trong quá trình vận hành chiếc xe sẽ chạy tới lui với tốc độ cao để lấy mẫu nênphần cơ khí cần phải được tính toán thiết kế chính xác, chắc chắn nhằm tránh gây nhiễu và

hư hỏng trong quá trình vận hành

Điện tử: gồm cảm biến đo vị trí xe và góc quay, mạch khuếch đại công suất (cầu H)

và mạch điều khiển trung tâm Cảm biến được sử dụng trong đề tài là encoder quay có độphân giải cao Tín hiệu từ encoder sẽ được truyền về bộ điều khiển thông qua khối EQEP

Chương trình: chương trình điều khiển hệ xe 2 bánh tự cân bằng được viết trên

phần mềm Matlab/Simulink thông qua CCS (Code Composer Studio) Tốc độ điều khiển hệthống thực phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ xử lí và tần số lấy mẫu của bộ điều khiển trungtâm

PHẦN 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Bộ điều khiển PID

Một hệ thống làm việc tốt là một hệ thống hoạt động tối ưu theo một tiêu chuẩn đạt

ra nhất định (đạt cực trị) Trạng thái tối ưu có đạt được và duy trì hay không tùy thuộc vàovào yêu cầu chất lượng đặt ra, các tác động lên đối tượng và điều kiện làm việc của đốitượng Một trong những bộ điều khiển giúp đối tượng có thể hoạt động tối ưu theo ý muốncủa người sử dụng là bộ điều khiển PID

Ta có sơ đồ bộ điều khiển PID như sau:

Hinh 1: Sơ đồ bộ điều khiển PID

Để thiết kế bộ điều khiển PID ta phải thiết bộ điều khiển hồi tiếp âm để được giá trịsai số giữa ngõ ra với giá trị đặt sau đó đưa vào bộ điều khiển PID Từ bộ PID sẽ cấp điện

áp để điều khiển 2 động cơ sao cho hệ thống đạt vị trí cân bằng

2 Mô hình và các ký hiệu

Ta có mô hình xe hai bánh tự cân bằng như sau:

Mô hình xe hai bánh tự cân bằngMột số ký hiệu đặc trưng cho xe 2 bánh tự cân bằng:

i A Dòng điện phần ứng

HL,HRPL,PR Lực tác động giữa bánh xe và thân robot

l m Khoảng cách từ tâm bánh xe đến tâm trọng trường của thân xe

Phân tích lực tác động lên thân bánh xe

- Áp dụng định luật Newton tính được tổng lực tác động lên bánh xe theo phương ngang

- Hai phương trình (18) (19) là hệ phương trình phi tuyến của hệ thống Để tuyến tính hóa

mô hình trên ta cho �� = � + � với � là 1 góc nhỏ theo phương thẳng đứng lên trên Từ

- Bằng cách thay 2 phương trình trên vào lần lượt các phương trình (20) và (21) ta được

hệ không gian trạng thái như sau:

�

�

�

�+

02��(��+ ��2 − ���)

��2�02��(�� − ��)

Kết quả:

- Dựa vào nghiệm của hàm truyền và các cực, zero của hệ thống ta có thể kết luận hệthống không ổn định theo tiêu chuẩn Routh Hurwitz.

3 Khảo sát tính điều khiển được của hệ thống

- Dựa vào lí thuyết điều khiển tự động với 1 hệ tuyến tính có phương trình không giantrạng thái dạng như sau:

Bậc 4 của ma trận P bằng với số biến trạng thái của hệ thống

4 Khảo sát tính quan sát được của hệ thống

- Ta lựa chọn ma trận C = 1 0 0 0

Bậc 4 của ma trận L bằng với số biến trạng thái của hệ thống

- Nhận xét: Từ 2 kiểm chứng trên ta có thể kết luận hệ thống có thể điều khiển được và ta

có thể quan sát được cả 4 biến trạng thái của hệ thống Và thông qua việc ta đặt ma trận

C để có thể quan sát được 2 biến trạng thái là vị trí xe và góc nghiêng của xe thì nếu như

2 biến này ổn định thì có cả hệ thống sẽ ổn định

5 Xây dựng bộ điều khiển

6 Xây dựng mô hình Matlab Simulink

Toàn hệ thống với bộ điều khiển

Khối mô tả phương trình không gian trạng thái của hệ thống

Đáp ứng hệ thống trước khi có PID

Đáp ứng hệ thống khi chưa có kích thích bên ngoài - đã có PID

Đáp ứng của hệ thống sau khi có PID

PID vị trí

PID góc lắc

*Nhận xét: Qua quá trình sử dụng PID phù hợp với hệ thống nhóm đã điều khiển đạt được

xe 2 bánh tự cân bằng Hệ thống ổn định với thời gian trong khoảng 1.5s cũng như có độ vọt

lố chấp nhận được đối với bộ điều khiển vị trí và điều khiển được xe tự cân bằng với gócnghiêng bằng 0 độ