thiết kế mô hình và bộ điều khiển cân bằng cho robot hai bánh thay đổi chiều cao

Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2024 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Sinh viên thực hiện đề tài: Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa Tên đề tài: Thiết kế mô hình

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Ngày nay, với sự phát triển thần tốc về khoa học công nghệ, cùng với sự hỗ trợ của nhiều thiết bị hiện đại đã giúp cho robot đáp ứng được các yêu cầu về hiệu suất cũng như chính xác, làm tăng năng suất lao động và hạn chế tối đa rủi ro cho con người,… Tuy nhiên các loại robot công nghiệp tồn tại khá nhiều hạn chế như kích thước đồ sộ, tính linh hoạt kém, thiếu đi sự cơ động cần thiết,…Vì vậy, để thỏa lấp các khiếm khuyết trên, định nghĩa về robot di động được ra đời

Robot di động đã và đang là một trong những mảng nghiên cứu được quan tâm rộng rãi và đầy tiềm năng Nhờ các đặc điểm đặc trưng, robot di dộng đóng góp một phần không hề nhỏ cho con người ở nhiều lĩnh vực Các ứng dụng của robot di động rất đa dạng, bao gồm như vận chuyển [1], quân sự [2], cấp cứu [3],… Trên bầu trời, các hệ thống máy bay không người lái đã cho thấy được sự vượ trội về mặt cơ động nhưng lại gặp thách thức về nguồn cấp để duy trì hệ thống và số lượng tải trọng có thể mang Dưới mặt đất, robot di động có thể chia thành hai nhánh chính: Robot di chuyển bằng bánh [4] và robot di chuyển bằng cấu trúc chân [5] Ưu điểm của robot di chuyển bằng bánh là khả năng linh hoạt và thay đổi hướng trơn tru Tuy nhiên khi làm việc trong các môi trường không lí tưởng, địa hình không bằng phẳng và gồ ghề thì robot di động bằng bánh tỏ ra kém hiệu quả, đặc biệt trong trường hợp có chướng ngại vật lớn hơn bán kính bánh xe Trái lại với đó, robot di chuyển bằng cấu trúc chân lại có thể di chuyển trong đa dạng địa hình, có thể thay đổi chiều cao để phù hợp với tác vụ làm việc tuy nhiên các loại robot này vốn có cấu trúc rất phức tạp và khó thiết kế, đồng thời cũng đòi hỏi nguồn nhiên liệu lớn để hoạt động Để có thể giải quyết được vấn đề hạn chế của cả hai loại robot trên, hệ robot lai giữa chân và bánh xe được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm Robot hai bánh có cấu trúc chân là sự kết hợp giữa robot hai bánh cân bằng và và cơ cấu chân linh hoạt Mỗi chân có thể mở rộng và thu hẹp một cách độc lập, cho phép chiều cao được thay đổi để có thể phù hợp với các tác vụ, hoặc tránh va chạm với các chướng ngại vật,…

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Vào năm 2019, nhóm nghiên cứu tại đại học Zürich ( Thụy Sĩ) đã công bố đề tài "LQR-assisted whole-body control of a wheeled bipedal robot with kinematic

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN loops" về việc nghiên cứu và phát triển bộ điều khiển LQR cho việc giữ cân bằng theo quỹ đạo cho trước kết hợp với bộ điều khiển toàn thân phân cấp (WBC) [6] Năm 2022, nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc đã áp dụng thành công bộ điều khiển IMBC dựa trên nền tảng bộ điều khiển fuzzy để giữ cân bằng và thay đổi chiều cao cho hệ robot hai chân có bánh vào đề tài "Implementation and Control of a Wheeled Bipedal Robot Using a Fuzzy Logic Approach" [7] Về cấu hình của robot hai bánh có khớp chân, hiện nay trên thế giới đã và đang phát triển rất nhiều dạng cấu hình robot hai bánh-chân thay đổi có thể kể đến là Robot Handle thuộc Boston Dynamic phát triển với khả năng di chuyển linh hoạt, thực hiện các động tác khó như nhảy, squat và mang tải nặng trong đề tài "A Survey of Wheeled-Legged Robots" [8] Tốc độ di chuyển của robot Handle có thể lên tới 14.5km/h và có khả năng giữ thăng bằng rất tốt Tiếp đến Robot Ascento được phát triển bởi ETH Zurich trong đề tài “Design Optimization of a Four-Bar Leg Linkage for a Legged-Wheeled Balancing Robot” có cấu hình chân là loại liên kết bốn thanh, cải thiện sức mạnh hệ thống và giảm khối lượng thông qua thiết kế tối ưu có thể điều hướng nhanh chóng trên các bề mặt bằng phẳng và vượt qua các chướng ngại vật bằng cách thay đổi độ cao [9].Tiếp đến, đề tài “a hose-less hydraulic wheel-legged robot” đưa ra một mẫu robot chân bánh thủy lực WLR và WLRII do nhóm nghiên cứu HIT phát triển đã cho thấy độ hiệu quả của hệ thống thủy lực trong việc thay đổi độ cao của robot [5] Robot WLR có thể ngồi xổm, di chuyển trên các địa hình phức tạp và mang tải nặng Tiếp theo, nhóm nghiên cứu tại Đại học Zhejiang đã đưa ra đề tài “A Bipedal Wheel-Legged Robot with High- frequency Force Control by Qausi-Direct Drive: Design and Experiments” nói về việc nghiên cứu và phát triển một cấu trúc mới của robot hai bánh-chân [10] Mỗi chân của robot sẽ được thiết kế theo dạng bốn thanh dẫn giống robot Ascento, mỗi chân có thể co vào và giãn ra bằng liên kết dây xoắn giúp cho cơ cấu đòn bẩy biến từ chuyển động tịnh tiến sang chuyển động quay tại các khớp, đồng thời sử dụng thêm lò xo để chịu trọng lực tác dụng lên các khớp chân Các công trình nghiên cứu trên đã và đang phát triển các cấu trúc của robot 2 chân - bánh cũng như phát triển thêm các giải thuật điều khiển bền vững sao cho robot có thể di chuyển trên các địa hình phức tạp cũng như thay đổi được độ cao của robot trong nhiều trường hợp hơn nữa

Hình 1-1Hình 1-2 Mô hình robot hai bánh có chiều cao thay đổi trên thế giới; a) Ascento (2019); b) Diablo (2022); c) Handle (2017); d) SK80 (2021); e) Ascento (2023) f) Ollie

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Việt Nam có rất nhiều các nghiên cứu về robot hai bánh cân bằng sử dụng các bộ điều khiển tối ưu, bộ điều khiển bền vững có thể kể đến là: Năm 2005, Mai Tấn Đạt thuộc trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã làm đề tài “Xe hai bánh tự cân bằng di chuyển trên địa hình bằng phẳng” do KS Võ Tường Quân hướng dẫn [11], đề tài đã thành công trong việc tiếp cận từ mô hình con lắc ngược đến mô hình thật của xe, thiết kế mô hình thực tế, board mạch điện và lập trình vi điều khiển, thiết lập module lọc Kalman cho cảm biến đo góc Năm 2010, nhóm tác giả thuộc trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã thực hiện thành công việc mô phỏng và thử nghiệm bộ điều khiển PID Backstepping cho hệ xe hai bánh cân bằng với khả năng cân bằng và ổn định trước tác động bên ngoài [12] Năm 2012, tác giả Trương Ngọc Sơn thuộc trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã đăng bài báo “Điều khiển ổn định cho robot hai bánh cân bằng” [13], đề tài trình bày phương pháp tính toán động lực học của robot hai bánh cân bằng, thiết kế bộ điều khiển LQR và bộ điều khiển trượt, áp dụng thành công ở mô phỏng và thực nghiệm Năm 2015, tác giả Gia Thị Định và Nguyễn Duy Cương tại Đại Học Thái Nguyên đã trình bày kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển thích nghi bền vững cho xe hai bánh cân bằng [14], đề tài chỉ dừng ở mức mô phỏng dưới sự tác động của nhiễu và

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN các tham số không biết trước Năm 2016, PGS.TS Nguyễn Minh Tâm thuộc trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã đăng bài báo trên Tạp chí Khoa học về đề tài “Mô hình hóa và điều khiển tối ưu cho hệ xe hai bánh cân bằng” [15], bài báo trình bày giải pháp tính toán mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQR trên mô phỏng và cả thực nghiệm Năm 2018, tác giả Mai Thế Anh tại Viện

Kỹ thuật Điện Mosscow đã đưa ra phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ cho việc giữ cân bằng hệ thống [16], tuy nhiên vẫn chưa đề cập tới vấn đề sai số mô hình hoặc nhiễu loạn trong quá trình hoạt động Nối tiếp các đề tài, năm 2019 nhóm tác giả thuộc trường Đại học Hàng Hải đã sử dụng bộ điều khiển phi tuyến để điều khiển xe hai bánh cân bằng trong địa hình mặt phẳng nghiêng [17], tuy nhiên chỉ dừng ở lại việc đưa ra giải pháp thiết kế và mô phỏng Năm 2020, tác giả Hoàng Anh Vũ và tác giả Đào Tăng Tín thuộc trường Đại học Quốc tế Hồng Bàng đã đăng bài báo “Bộ điều khiển PID online auto-tuning sử dụng mạng nơ ron cho hệ xe hai bánh tự cân bằng” trên Tạp chí Khoa học [18], đưa ra giải thuật tự chỉnh định các thông số PID dựa trên mạng thần kinh cho xe hai bánh cân bằng Cùng với năm 2020, tác giả Võ Anh Khoa đã trình bày đề tài “Trajectory Tracking Pid-Sliding Mode Control for Two-Wheeled Self-Balancing Robot” trên hội nghị Quốc tế “Intelligent Computing in Engineering” [19], bài báo trình bày giải thuật bám theo quỹ đạo sử dụng bộ điều khiển trượt PID kết hợp, bài báo đã chứng mình được tính hiệu quả của giải thuật khi mà hệ thống di chuyển theo quỹ đạo hình số 8 mà vẫn giữa được thăng bằng khi di chuyển Cho đến tận năm 2023, nhóm sinh viên gồm Nguyễn Minh Hoàng và Nguyễn Hữu Lộc thuộc trường Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của tiến sĩ Trần Đức Thiện đã đưa ra đề tài “ A Fuzzy LQR PID Control for a Two-Legged Wheel Robot with Uncertainties and Variant Height” trên tạp chí Robotics and Control (JRC) 2023 [20], đề tài đã áp dụng thành công bộ điều khiển fuzzy - LQR – PID cho hệ xe hai bánh cân bằng có khớp chân để thay đổi độ cao, đề tài đã chứng minh được sự hiệu quả trong việc áp dụng bộ fuzzy – LQR để căn chỉnh các hệ số K nhằm đáp ứng được việc giữ thăng bằng ứng với từng tư thế trong khi chiều cao thay đổi, bộ PID được dùng để điều khiển động cơ hông nhằm đáp ứng cho việc nâng hạ các khớp chân ổn định Hiện tại xe hai bánh cân bằng đã trở thành một trong những đề tài đồ án được rất nhiều sinh viên lựa chọn để nghiên cứu và phát triển, cho thấy sự phổ biến và sức ảnh hưởng đáng kinh ngạc của xe hai bánh cân bằng Tuy nhiên, ta có thể thấy các công trình nghiên cứu trong nước đến hiện nay vẫn còn dừng lại ở việc thiết kế bộ điều khiển cho loại xe hai bánh cân bằng di chuyển trên địa hình bằng phẳng, tính tới thời điểm hiện tại chỉ có nhóm sinh viên gồm Nguyễn Minh Hoàng và Nguyễn Hữu Lộc thuộc trường Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN dưới sự hướng dẫn của tiến sĩ Trần Đức Thiện đã thiết kế và thi công mô hình và bộ điều khiển cân bằng thành công cho hệ xe hai bánh có khớp chân có thể thay đổi chiều cao tuy nhiên chỉ dừng lại ở việc thay đổi chiều cao chậm rãi theo thời gian, còn lại chưa có nhóm nghiên cứu cũng như công ty nào đã thiết kế, chế tạo và điều khiển cho hệ robot trên, các đề tài trong nước vẫn chưa thể giải quyết được những vấn đề cần giải quyết như việc di chuyển trên địa hình không bằng phẳng hay thay đổi được độ cao ngay lập tức cho robot để đi qua các vật cản lớn hơn bán kính bánh xe của robot thay vì thay đổi chiều cao một cách chậm rãi gây tốn thêm thời gian Cho nên, việc mở ra những hướng nghiên cứu mới là vô cùng quan trọng nhằm thúc đẩy và đóng góp công sức cho nền kỹ thuật và khoa học của nước nhà Chính vì thế đây là động lực để nhóm thực hiện đề tài “Thiết kế mô hình và bộ điều khiển cân bằng cho robot hai bánh thay đổi chiều cao”.

Mục tiêu đề tài

Mục tiêu của đề tài được đặt ra như sau:

- Phân tích, tính toán động học, động lực học của robot hai bánh cân bằng thay đổi chiều cao

- Thiết kế và thi công mô hình robot hai bánh cân bằng thay đổi chiều cao

- Thiết kế bộ điều khiển toàn phương tuyến tính (LQR) cho robot

- Thiết kế giao diện điều khiển và thu thập dữ liệu cho robot.

Giới hạn đề tài

- Mô hình robot thực nghiệm do nhóm sinh viên tự thiết kế và thi công nên chưa có cơ sở hay công cụ nào đánh giá mức độ bền vững và sai số mô hình của hệ thống

- Phần cứng của robot sử dụng các thiết bị điện không chuyên dụng nên khả năng đáp ứng còn tồn tại nhiều hạn chế

- Robot chỉ có khả năng giữ thăng bằng và thay đổi chiều cao tại chỗ, không xét đến yếu tố di chuyển và mang tải

- Chiều cao thay đổi của robot là từ 230mm đến 260mm

- Việc lựa chọn các thông số cho bộ điều khiển dựa trên sự đánh giá khách quan và phương pháp thử sai Do đó hệ thống có thể chưa đạt được chất lượng tối ưu nhất.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài này kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm

Nghiên cứu lý thuyết: Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu tổng quan về robot di động hai bánh, bao gồm các giải thuật giữ cân bằng, các giải thuật nâng cao cho hệ thống, cách truyền nhận dữ liệu và các yếu tố ảnh hưởng Đồng thời, đề tài cũng tìm hiểu về cách thiết kế giao diện người dùng sao cho phù hợp nhất, cũng như nghiên cứu và khám phá các loại cảm biến gia tốc và từ trường

Nghiên cứu thực nghiệm: Sau khi đã thành công trong việc mô phỏng hệ thống, nhóm sẽ tiến hành thi công mô hình và xây dựng môi trường hoạt động cho robot Tiếp theo, nhóm sẽ thu thập dữ liệu thông qua giao tiếp không dây và quan sát các dữ liệu trả về qua giao diện người dùng, từ đó điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển để phù hợp với các trường hợp khác nhau Chất lượng của bộ điều khiển sẽ được đánh giá bằng cách đặt ra các tình huống khác nhau và thực nghiệm trực tiếp trên robot.Nội dung đề tài bao gồm 6 chương Bố cục các chương được mô tả như sau:

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 1 trình bày về tổng quan của đề tài thực hiện bao gồm phần đặt vấn đề, mục tiêu, giới hạn của đề tài và các phương pháp nghiên cứu.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan robot di động

2.1.1 Khái niệm robot di động

Robot di động là robot có khả năng di chuyển trong môi trường làm việc mà không bị cố định tại một vị trí bất kì như các loại cánh tay robot (Hình 2-1) Robot di động có thể di chuyển tự động nghĩa là chúng có khả năng tự điều hướng trong một môi trường không xác định mà không cần các thiết bị điều khiển (Hình 2-2) Ngoài ra, robot di động cũng có thể dựa vào các thiết bị điều khiển để di chuyển điều khiển theo người vận hành trong một môi trường xác định [21]

Hình 2-1 Cánh tay robot KUKA

Hình 2-2 Robot di động OMRON

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.2 Khái niệm robot di động hai bánh

Mô hình robot di động hai bánh là một chiếc xe hai bánh có trục đặt dọc với nhau (khác với xe đạp thông thường) Trên mô hình sử dụng các cảm biến để đo góc nghiêng của thân xe, vận tốc quay của hai bánh và vận tốc di chuyển của xe so với mặt đất, góc quay của toàn bộ xe Để cho xe có thể cân bằng, trọng tâm của xe cần được giữ sao cho nằm ngay giữa các bánh xe [22] Ta có thể xác định góc giữa mặt phẳng di chuyển với bánh xe và chiều trọng lực Do vậy, thay vì tìm cách xác định trọng tâm nằm của xe, ta có thể xác định được góc nghiêng của xe Nếu góc nghiêng của xe hướng về phía trước, ta có thể cho xe chạy về phía trước để giữ cân bằng cho xe và ngược lại (Hình 2-3)

Hình 2-3 Mô tả nguyên lý giữ cân bằng của robot di động hai bánh

Động học robot di động hai bánh

Động học robot đề cập các vấn đề về cấu hình của robot trong một không gian làm việc, là mối quan hệ giữa các tham số hình học của robot và các ràng buộc áp dụng lên quỹ đạo di chuyển của robot Các phương trình động học này luôn luôn phụ thuộc vào cấu trúc hình học của robot Việc nghiên cứu động học chính là điều kiện tiên quyết để nghiên cứu các bài toán liên quan tới động lực học của robot di động Việc phát triển các cấu trúc động học mới và chuyên dụng vẫn là một chủ đề thu hút rất nhiều nghiên cứu sinh và sự quan tâm của mọi người để hướng đến việc chế tạo robot có thể thực hiện nhiều công việc đòi hỏi mức độ chính xác cao và phức tạp trong đời sống

Nhiệm vụ bài toán động học thuận của robot: xác định vị trí và hướng di chuyển của robot dựa trên các thông tin về vận tốc và hướng di chuyển của bánh xe hoặc của chân robot di động

Xét trong robot di động, các biến q ,q , ,q 1 2 n là các biến tổng quát trong không gian khớp, x ,x , ,x 1 2 n là các biến tổng quát trong không gian làm việc Từ đó ta định nghĩa các véc-tơ:

Bài toán động học thuận là bài toán tìm p khi đã biết trước các biến q Đối với công thức tổng quát p m và q n Ta có mối liên hệ bởi hàm phi tuyến theo công thức dưới đây:

Trong robot di động, sự thay đổi các chuyển động của robot trong không gian làm việc được điều chỉnh thông qua chuyển động của các biến khớp, được biểu thị bằng qq1 q2 qn  Do đó ta phải tìm được mối quan hệ vi phân giữa q và p Điều này được gọi là động học thuận vi phân và được biểu thị: d pJ q d (2.3)

2 2 n n dq dx dq dx d d dq dx q , p

J mxn được gọi là ma trận Jacobian, là ma trận biểu thị mối quan hệ giữa vận tốc của các biến trong không gian khớp và vận tốc của các biến trong không gian làm việc

Nhiệm vụ bài toán động học nghịch của robot: để tính toán các thông số của các cơ cấu di động của robot, bao gồm tốc độ và hướng của các bánh xe hoặc chân của robot, dựa trên thông tin về vị trí và hướng di chuyển của robot Phương pháp này tính toán các thông số này bằng cách giải quyết một bài toán học phức tạp, trong đó các thông số đầu vào bao gồm vị trí và hướng di chuyển của robot, và các thông số đầu ra bao gồm tốc độ và hướng của các bánh xe hoặc chân của robot

Một hệ thống hay robot có số cơ cấu chấp hành nhỏ hơn số bậc tự do thì sẽ có ràng buộc nonholonomic Ví dụ như drone, cũng có cơ cấu chấp hành nhỏ hơn số bậc tự do nên cũng sẽ bị ràng buộc trong không gian làm việc của nó Một ví dụ về ràng buộc nonhonolomic là bánh xe lăn (wheel rolling) Giả sử một bánh xe đạp ở trên một địa điểm nhất định (trên mặt đất) Ban đầu van bánh xe ở một vị trí nhất định trên bánh xe Nếu bánh xe đạp di chuyển xung quanh và quay về chính xác vị trí ban đầu, thì van nó sẽ không ở vị trí trước đó nữa mà nằm ở vị trí khác Vị trí mới đó phụ thuộc vào quãng đường đi được Nếu như bánh xe là honolomic, thì cái van phải luôn nằm ở đúng trên vị trí ban đầu mặc dù bánh xe có lăn đường đi như thế nào đi nữa, vì vậy hệ thống này được gọi là nonholonomic Hoặc đối với máy bay khi đang bay không thể ngay lập tức dừng lại trên không hay chuyển động lùi tức thời, nếu có thêm cơ cấu chấp hành thì máy bay sẽ có thể cố định ở trên không hoặc chuyển động lùi; một cái dĩa, đồng xu lăn nhưng không bị trượt ra ngoài (Trượt ra ngoài chính là ràng buộc nonholonomic) Một ràng buộc nonholonomic là ràng buộc mà hướng di chuyển của xe phải khả thi và di chuyển được

Ràng buộc Holonomic sẽ ràng buộc về cấu trúc và vị trí, còn ràng buộc nonhonolomic sẽ ràng buộc về vận tốc (velocity constraint) nên ràng buộc nonholonomic sẽ liên quan đến các biểu thức đạo hàm và được sử dụng nhiều hơn trong nghiên cứu robot [23].

Lý thuyết bộ điều khiển LQR

LQR là bộ điều khiển tối ưu tuyến tính toàn phương được áp dụng cho các bài toán về hệ phi tuyến Để áp dụng được thì ta cần phải mô hình hóa hệ thống và tuyến tính hóa nó quanh điểm làm việc

Ta có hệ thống sau khi tuyến tính: x u x x y

Bài toán đặt ra để tìm u(t) điều khiển sao cho thỏa mản chỉ tiêu tối thiếu chỉ tiêu chất lượng hàm chỉ tiêu chất lượng:

Trong đó: Q là ma trận xác định bán dương và R là ma trận xác định dương Tín hiệu điều khiển tối ưu: u(t) K x(t) (2.8)

Trong đó: P(t) là ma trận xác định dương của phương trình Ricatti:

Giá trị cực tiểu của chỉ tiêu chất lượng:

Lý thuyết cảm biến gia tốc từ trường

Gia tốc kế là cảm biến đo gia tốc của vật thể chuyển động dọc theo trục tham chiếu Thông tin về tốc độ và chuyển vị có thể thu được bằng cách tận dụng dữ liệu gia tốc phụ thuộc vào thời gian Một số gia tốc kế cũng có thể được sử dụng để xác định chuyển động quay khi chúng phản ứng với trọng lực

Gia tốc kế là một loại thiết bị phụ thuộc vào hệ thống cơ điện vi mô (Micro Electro Mechanical System) được hình thành bởi một mạch có khối lượng địa chấn silicon thay đổi vị trí của nó theo hướng được chỉ định Trọng lực, chuyển động hoặc hành động nghiêng của Trái đất có thể gây ra lực gia tốc Những gia tốc như vậy trên ba trục (x,y,z) được đo bằng lực g (m s/ 2 )

(Hình 2-4) cho thấy cấu trúc bên trong đơn giản hóa của một gia tốc kế dựa trên hệ thống cơ điện vi mô Gia tốc kế dựa trên hệ thống cơ điện vi mô có thể bao gồm các tụ điện vi sai Như đã thấy trong hình, cấu trúc bên trong bao gồm ba thành phần cơ bản Thành phần đầu tiên được gọi là điện cực cố định và nó đứng yên Thành phần thứ hai gọi là điện cực chuyển động, có thể di chuyển dễ dàng sang bên phải và bên trái Điện cực chuyển động được kết nối với các điểm neo ở cả bốn phía Các điểm neo hạn chế chuyển động của điện cực chuyển động theo hướng lên và xuống Điện cực chuyển động di chuyển ngược với hướng chuyển động của thiết bị Việc thực hiện chuyển động làm cho điện dung giữa điện cực cố định và điện cực chuyển động tăng hoặc giảm Do đó, bằng cách đo điện dung giữa các điện cực cố định và chuyển động, có thể xác định được hướng chuyển động và độ lớn của gia tốc Sự chênh lệch điện dung này được cảm nhận và tăng lên để thu được tín hiệu tương tự dưới dạng volt có liên quan đến gia tốc [24]

Hình 2-4 Cấu trúc bên trong đơn giản của gia tốc kế

Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo hoặc duy trì sự định hướng, sử dụng lực hấp dẫn của Trái đất và nguyên lý động lượng góc Chính xác thì con quay hồi chuyển là một bánh xe hoặc đĩa quay trong đó trục được phép quay theo bất kỳ hướng nào Cấu trúc của nó bao gồm một tấm quay mở gọi là rotor, được gắn vào một trục quay ở tâm của một bánh xe lớn hơn và ngày càng ổn định hơn Khi trục quay quay, rotor đứng yên để thể hiện lực hấp dẫn trung tâm (Hình 2-5) mô tả hướng các trục độ nhạy và cực quay của thiết bị gia tốc kế 3 trục, thiết bị con quay hồi chuyển 3 trục

Tương tự như gia tốc kế, con quay hồi chuyển đo tốc độ quay theo (rad/s) và tạo ra các giá trị 3 chiều dọc theo ba trục của mạch điện Để đo tốc độ góc, con quay hồi chuyển dựa trên hệ thống cơ điện vi mô sử dụng hiệu ứng Coriolis Lực Coriolis được phát hiện bởi một phần tử phát hiện điện dung trong đó sự thay đổi độ rung của khối lượng thử gây ra sự thay đổi điện dung, sau đó được phần cứng bên trong chuyển thành tín hiệu tương tự [24]

Hình 2-5 Định hướng của trục độ nhạy và cực tính của phép quay

Lý thuyết giao thức UART

2.5.1 Khái niệm giao thức UART

Universal Asynchronous Receiver-Transmitter (UART) là một giao thức truyền nhận dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ giữa các vi xử lý với nhau UART truyền dữ liệu không đồng bộ, nghĩa là không có tín hiệu để đồng bộ hóa đầu ra của các bit từ UART truyền đến việc lấy mẫu các bit bởi UART nhận

Một số thông số cơ bản trong truyền nhận UART là tốc độ Baudrate (khoảng thời gian để truyền số bit trong 1 giây), data (dữ liệu cần truyền hoặc nhận), start bit, stop bit (bit bắt đầu và kết thúc) UART truyền nhận thông qua 2 dây Tx và Rx, trong đó Tx là truyền và Rx là nhận Để giao tiếp UART với nhau ta cần nối chân Rx của MCU này với chân Tx của MCU kia và nối GND chung với nhau như (Hình 2 1)

Hình 2 2 Cách thức hoạt động của giao tiếp UART Cách thức hoạt động được minh họa trong (Hình 2 2) Giao tiếp UART là giao tiếp nối tiếp được chuyển đổi từ giao tiếp song song Vi điều khiển 1 sẽ thực hiện truyền dữ liệu qua bus dữ liệu, truyền các bit từ LSB đến MSB Tiếp đó hệ thống sẽ thực hiện thêm 1 bit start, 1 bit stop và 1-bit kiểm tra (Parity) và đưa vô UART 1 Sau đó, UART 1 thực hiện truyền cho UART 2 nối tiếp qua chân TX UART 2 tiếp nhận sau đó sẽ loại bỏ các bit thừa và giữ lại data truyền về cho vi điều khiển

Hình 2 3 Gói dữ liệu trong UART Gói dữ liệu trong UART được trình bày trong (Hình 2 3) bao gồm:

- Start Bit: Bit bắt đầu dữ liệu, thường khi bắt đầu UART kéo đường dữ liệu xuống mức thấp

- Stop Bit: Thường là 1 hoặc 2-bit được đặt ở cuối gói dữ liệu, thường khi kết thúc UART sẽ giữ đường dữ liệu mức cao

- Parity Bit: Bit kiểm tra dữ liệu truyền xem chính xác hay không

- Data bit: 8-9 bit, đây là các bit dữ liệu.

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG

Tổng quan về mô hình robot hai bánh cân bằng thay đổi chiều cao độc lập

Mô hình robot hai bánh cân bằng thay đổi chiều cao độc lập được thiết kế bằng phần mềm Solidworks phiên bản 2022 Để dễ dàng tiếp cận và nắm bắt được tổng quan mô hình, nhóm đã đưa ra các góc nhìn từ các hướng khác nhau về robot

Hình 3-1 Mô hình 3D robot hai bánh cân bằng thay đổi chiều cao độc lập: a) Góc nhìn tổng quát b) Góc nhìn từ phía trước c) Góc nhìn từ phía trên d) Góc nhìn từ cạnh bên

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG

Mô hình robot hai bánh cân bằng thay đổi chiều cao độc lập là mô hình yêu cầu nhiều về các thiết kế cơ khí và việc sử dụng các linh kiện phù hợp, nếu ta đáp ứng được các yêu cầu đó thì việc điều khiển sẽ trở nên dễ dàng hơn Từ đó nhóm đã đưa ra các yêu cầu thiết kế cho mô hình như sau:

- Các chi tiết chân robot phải được tính toán kĩ lưỡng nhằm đảm bảo rằng phần thân robot khi nâng hạ chiều cao luôn song song với mặt đất nhằm tối ưu hóa việc nâng hạ chiều cao (Hình 3-2)

- Nguồn cung cấp phải phù hợp và đủ cho toàn bộ hệ thống hoạt động

- Cảm biến đọc tín hiệu phải chuẩn xác và hạn chế nhiễu

Hình 3-2 Phần thân robot khi thay đổi chiều cao

Phần thân robot sẽ là nơi đặt toàn bộ các vi điều khiển, cảm biến, mạch điều khiển, mạch giảm áp và động cơ hông Bên cạnh đó phần thân là nơi kết nối các khớp chân giúp tạo thành một khối liên kết hoàn chỉnh trong việc nâng hạ chiều cao và giữ cân bằng cho robot Có thể nói đây là trung tâm của toàn bộ robot nên yêu cầu thiết kế đặt ra cho chi tiết này cần phải chính xác và chắc chắn, từ đó nhóm đưa ra vật liệu sử dụng là nhựa PLA, bản vẽ chi tiết 2D cho phần thân robot được trình bày ở (Hình 3-3)

Hình 3-3 Bản vẽ chi tiết phần thân robot

Phần chân phụ của robot dùng để liên kết phần thân robot và phần chân chính robot tạo nên tư thế của robot khi thay đổi chiều cao và là điểm đặt lực cho động cơ hông khi thay đổi chiều cao, chịu một phần trọng lực cho phần thân robot, phần thiết kế của nhóm sẽ sử dụng vật liệu bằng mica Ở phần thiết kế này, nhóm dựa vào yêu cầu thiết kế đã trình bày ở phần (3.1.1) để thiết kế sao cho đáp ứng được yêu cầu mô hình Bản vẽ chi tiết 2D được trình bày ở (Hình 3-4)

Hình 3-4 Bản vẽ chi tiết phần chân phụ robot

Phần chân hông của robot dùng để liên kết phần thân robot và phần chân chính robot, sự liên kết này tạo nên cơ cấu thay đổi độ cao của robot Ở đây, chi tiết này cần độ cứng và bền vững trong suốt quá trình hoạt động của robot Chính vì vậy nhóm sử dụng vật liệu mica để có thể đáp ứng được các yêu cầu trên Bản vẽ 2D chi tiết được trình bày ở (Hình 3-5)

Hình 3-5 Bản vẽ chi tiết phần chân hông robot

Phần chân chính của robot dùng để liên kết chân hông, chân phụ và phần động cơ bánh xe, chịu lực cho toàn bộ phần phía trên nên nên phần chân chính cần đảm bảo yếu tố chắc chắn và linh hoạt trong việc thay đổi chiều cao và giữ cân bằng Vì vậy chi tiết này sẽ được sử dụng vật liệu nhôm nhằm đảm bảo độ chắc chắn và bền vững Bản vẽ chi tiết 2D được trình bày ở (Hình 3-6)

Hình 3-6 Bản vẽ chi tiết phần chân chính robot

TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO ROBOT

Tính toán động học cho robot

4.1.1 Tính toán động học robot hai bánh

4.1.1.1 Bài toán động học thuận robot

Hình 4-1 Cấu trúc hình học robot hai bánh cân bằng

Bảng 4-1 Thông số mô hình

Kí hiệu Giá trị Ý nghĩa m 0.01 [kg] Khối lượng bánh xe

M [kg] Khối lượng thân xe

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO ROBOT

L [m] Khoảng cách từ trọng tâm Robot đến trục bánh xe f w 0.1 Hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt phẳng di chuyển f m 0.1 Hệ số ma sát giữa Robot và động cơ DC

Jm 0.001 [kg.m ] 2 Momen quán tính của động cơ DC

Rm 8.884 [Ω] Điện trở động cơ DC

K b 0.22244 [V/rad] Hệ số EMF của động cơ DC

K t 0.30896 [N.m/A] Momen xoắn của động cơ DC

N 30 Tỉ số giảm tốc g 9.81 [m/s ] 2 Gia tốc trọng trường

 l,r [rad] Góc của bánh trái và bánh phải

 [rad] Góc tiến của robot

 [rad] Góc pitch của robot

 [rad] Góc yaw của robot

3 [kg.m ] 2 Momen quán tính của robot theo Pitch

 [kg.m 2 ] Momen quán tính của robot theo Yaw

2 Momen quán tính của bánh xe

Jm 0.001 [kg.m 2 ] Momen quán tính của động cơ

L m [H] Điện cảm phần ứng động cơ i l,r [A] Dòng điện động cơ bánh trái và bánh phải v l,r 12 [V] Điện áp động cơ bánh trái và bánh phải

Ta sử dụng phương pháp Euler-Lagrange để xây dựng mô hình động học Giả sử tại thời điểm t = 0, robot di chuyển theo chiều dương trục x, ta có góc tịnh tiến trung bình của hai bánh xe và góc xoay của robot được xác định như sau:

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO ROBOT l r r l

Ta cộng (4.2) và (4.3) thì thu được vận tốc trung bình của robot:

Từ (Hình 4-1), ta suy ra được tọa độ trung bình của robot trong hệ qui chiếu:

Tọa độ bánh trái trong hệ qui chiếu:

Tọa độ bánh phải trong hệ qui chiếu: r r r

Tọa độ trọng tâm trong hệ qui chiếu:

B M x x + Lsinψcosφ y = y + Lsinψsinφ z z + Lcosψ

Từ (4.5) và (4.6) ta suy ra được: x = Rθcos(φ) M (4.9)

Ta viết lại (4.9) và (4.10) dưới dạng:

Trong đó: R là bán kính bánh xe; ,  l r là góc quay của bánh trái và bánh phải; l , r

  là vận tốc quay của bánh trái và bánh phải; W là chiều rộng của robot; x m ,y z m , m là vị trí trung bình giữa vị trí bánh trái và bánh phải; x y z x y z l , l , , l r , r , r là tọa độ của bánh trái và bánh phải

Dựa vào (4.5) ta có được vận tốc trung bình của robot: m m m v = x cosφ+ y sinφ (4.12)

Thay (4.12) vào (4.2) và (4.3) ta thu được: m m r x cosφ+ y sinφ+ φ θ = 2

Ta viết lại (4.13) và (4.14) dưới dạng:

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO ROBOT m r m l cosφ sinφ x θ 1 2

Vì robot là hệ vi sai nên ở đây tồn tại một ràng buộc không chắc chắn: m m

4.1.2 Động học phần chân robot Để robot có thể thay đổi độ cao theo thời gian, nhóm đã tìm hiểu và tính toán được độ dài các khớp sao cho tối ưu hóa khả năng thay đổi độ cao của robot Mục đích của việc phân tích động học phần chân robot nhằm giúp ta biết được mối liên hệ giữa chiều cao h R của robot và góc mở của động cơ hông  B của robot khi thay đổi chiều cao

Dựa vào (Hình 4-2) và (Bảng 4-2) ta có được các thông số hình học cần thiết cho việc phân tích động học phần chân robot Tổng chiều cao có thể thay đổi của robot từ 229mm đến 261mm thông qua chuỗi động học bốn thanh dẫn – Four bar linkage

Hình 4-2 Cấu trúc hình học phần chân robot Bảng 4-2 Thông số hình học phần chân robot

Thông số Giá trị Ý nghĩa

L1 0.061 [m] Chiều dài giữa trục bánh xe và khớp chân

L2 0.12013 [m] Chiều dài giữa trục bánh xe và khớp hông

L3 0.055 [m] Chiều dài giữa khớp hông và khớp phụ

L4 0.1134 [m] Chiều dài của khớp hông

L5 0.08255 [m] Chiều dài giữa động cơ hông và thân robot

L6 0.07139 [m] Chiều dài của khớp phụ

L7 0.079 [m] Chiều dài giữa khớp chân với khớp hông hR [0.229 - 0.261] [m] Chiều cao của robot

B [0 0 – 20 0 ] Góc mở động cơ hông

R [51.55 0 - 91.16 0 ] Góc mở giữa khớp hông và khớp chân

4.1.2.1 Động học thuận phần chân robot

Mục đích của việc phân tích động học thuận phần chân robot là ta sẽ tìm ra chiều cao h R của robot dựa vào góc mở động cơ servo  B Từ (Hình 4-2), ta có thể tính toán động học thuận phần chân robot dựa theo các bước:

Bước 1: Tính toán chiều dài đoạn nối L B

Dựa vào cấu trúc hình học của phần chân robot, ta áp dụng định lí cosin tìm được độ dài đoạn nối L B :

Bước 2: Tính toán góc mở giữa khớp hông và khớp chân  R

Vì điểm nối giữa khớp chân và khớp hông được bo vào 150 0 nhằm tối ưu khả năng giữ cân bằng cũng như thay đổi chiều cao cho robot nên ta có:

Bước 3: Tính toán chiều dài đoạn nối L R

Ta áp dụng định lí cosin để tìm ra độ dài đoạn L : R

Bước 4: Tính toán chiều cao thay đổi của robot

4.1.2.2 Động học nghịch phần chân robot

Mục đích của việc phân tích động học nghịch phần chân robot là ta sẽ tìm ra góc mở động cơ servo  B dựa vào chiều cao h R của robot Từ (Hình 4-2), ta có thể tính toán động học nghịch dựa theo các bước:

Bước 1: Tính toán chiều dài đoạn nối L R

Dựa vào cấu trúc hình học của phần chân robot, ta áp dụng định lí cosin để tìm ra độ dài đoạn L R :

Bước 2: Tính toán góc mở giữa khớp hông và khớp chân  R

Ta áp dụng định lí cosin để tìm ra góc mở  R :

Bước 3: Tính toán chiều dài đoạn nối L B

Ta áp dụng định lí cosin tìm được độ dài đoạn nối L B :

Bước 4: Tính toán góc mở động cơ servo  B

Ta áp dụng định lí cosin để tìm ra góc mở động cơ servo  B :

Tính toán động lực học cho robot

Vấn đề lớn nhất cho việc tính toán động lực học của robot hai bánh cân bằng có chiều cao thay đổi là khi chiều cao của robot thay đổi, động lực học của robot cũng bị thay đổi theo vì trọng tâm đã thay đổi Để có thể đơn giản trong việc thiết kế cũng như tính toán động lực học, ở đây nhóm chỉ xét tới động lực học tại các chiều cao cố định: chiều cao thấp nhất của robot và chiều cao cao nhất của robot (Hình 4-3) mô tả về cấu trúc hình học của robot khi thay đổi chiều cao

Hình 4-3 Mô tả động lực học robot khi thay đổi chiều cao Nhóm sẽ tiến hành tính toán động lực học theo các bước như sau:

Bước 1: Tìm năng lượng động năng và thế năng của hệ thống

Phương trình động năng chuyển động tịnh tiến của hệ thống được mô tả như sau:

Phương trình động năng chuyển động xoay của hệ thống được mô tả như sau:

Trong đó động năng phần ứng của động cơ bánh trái và bánh phải:

Với x , y ,z b b b là đạo hàm vị trí của phần trọng tâm robot theo thời gian, r r r x , y ,z là đạo hàm vị trí của bánh phải theo thời gian, x , y ,z l l l là đạo hàm vị trí của bánh trái theo thời gian

Ta cộng (4.25) và (4.26) thu được tổng động năng của hệ:

Thế năng của của hệ gồm thế năng của bánh trái, bánh phải và phần trọng tâm robot: mg l mg r Mg b

Trong đó: z ,z ,z l r b lần lượt là tọa độ theo trục z của bánh trái và bánh phải và vị trí phần trọng tâm của robot theo trục z

Bước 2: Tìm phương trình Largrange của hệ thống:

Phương trình Largrange được biểu diễn như sau:

Ta áp dụng Euler-Largrange vào (4.30): θ d L L τ = dt θ θ

Bước 3: Ta đưa ra phương trình động lực học tổng quát cho hệ robot xe hai bánh, từ đó ta phân tích các thành phần ma trận quán tính Μ(θ)θ, ma trận Coriolis/centrifugal C(θ,θ)θ, vector trọng trường G(θ)

Ta đưa phương trình động lực học của robot xe hai bánh về dạng tổng quát:

Trong đó: Μ(θ)  3x3 là ma trận quán tính, C(θ,θ)  3x 3 là ma trận

Coriolis/centrifugal, G(θ)  3x1 là vector trọng trường τ  3x1  τ θ τ ψ τ φ  T là mô-men đầu vào của hệ thống

Bước 4: Xác định ma trận quán tính M(θ)

Trong đó: M ,M ,M ,M ,M ,M ,M ,M ,M 11 12 13 21 22 23 31 32 33 được trình bày ở phần phụ lục

Bước 5: Xác định ma trận Coriolis/centrifugal C(θ,θ)

Trong đó: C ,C ,C ,C ,C ,C ,C ,C ,C 11 12 13 21 22 23 31 32 33 được trình bày ở phần phụ lục

Bước 6: Xác định vector trọng trường G(θ)

Trong đó: Trong đó: G ,G ,G 11 21 31 được trình bày ở phần phụ lục

Bước 7: Xác định ma trận Jacobian J

Ta có thành phần J F T e theo nguyên lí công ảo trong:

Xét lực F e tác dụng lên các điểm trên hệ tọa độ trọng tâm đối xứng của robot với điều kiện như sau:

Trong đó L w là vị trí trọng tâm của hệ thống có thể thay đổi từ tư thế thấp đến tư thế cao

Hệ tọa độ trọng tâm được viết lại như sau: ext w ext w ext w

Rθcosφ+ L sinψcosφ x y Rθsinφ+ L sinψsinφ z R + L cosψ

Ta đạo hàm riêng (4.41) thu được: w w w w w

Rcosφ L cosψcosφ -L sinψsinφ Rsinφ L sinφcosψ L sinψcosφ

Ta chuyển vị (4.42) thu được:

L cosψcosφ L sinφcosψ -L sinψ -L sinψsinφ L sinψcosφ 0

Vậy J F T e có dạng như sau: x y

L (F cosφcosψ + F sinφcosψ - F sinψ)

Bước 8: Chuyển đổi mô-men đầu vào sang điện áp

Xét tới phương trình động lực học động cơ DC ta có:

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO ROBOT θ l r w ψ l r

Trong đó α,β là hệ số được định nghĩa để làm gọn phương trình: t m α = nK

Thiết kế bộ điều khiển LQR

Bộ điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator) là một phương pháp điều khiển tối ưu trong lý thuyết điều khiển hiện đại, được sử dụng rộng rãi để thiết kế các hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái Mục tiêu của LQR là thiết kế một bộ điều khiển sao cho hệ thống trở nên ổn định và đạt được hiệu suất tối ưu theo một tiêu chí đã được xác định trước Ưu điểm của bộ điều khiển này là cấu trúc đơn giản, dễ dàng triển khai lý thuyết và thực nghiệm, phù hợp với các hệ thống yêu cầu làm việc quanh điểm cân bằng Chính vì vậy nên nhóm quyết định lựa chọn bộ điều khiển này để áp dụng vào hệ thống Cấu trúc của bộ điều khiển được mô tả ở (Hình 4-4)

Hình 4-4 Sơ đồ khối bộ điều khiển LQR Nhóm thiết kế bộ điều khiển LQR dựa trên các bước như sau:

Bước 1: Đặt các biến trạng thái cho hệ thống

Ta đặt các biến trạng thái:

Tuyến tính hóa hệ thống quanh điểm cân bằng x0 0 0 0 0 0 0 T về các dạng biến trạng thái như sau: x x u y x u

Bước 2: Xác định các ma trận

Ma trận A 6x6 được mô tả bởi (4.51):

Ta đưa (4.49) vào (4.51) và thu được ma trận A 6x6 có dạng:

Trong đó các biến rút gọn có dạng như sau: w

Ma trận B 2x6 được mô tả bởi:

Ta đưa (4.49) vào (4.60) và thu được ma trận B 2x6 có dạng:

Trong đó các biến rút gọn có dạng như sau:

Bước 3: Xác định các ma trận trọng số Q và R

Chỉ tiêu chất lượng dạng toàn phương có dạng:

Với hai ma trận trọng số Q 6x6 và R  2x 2 có dạng:

Trong đó: Q là ma trận xác định bán dương và R là ma trận xác định dương

Bước 4: Tìm nghiệm của phương trình Riccati

Tín hiệu điều khiển tối ưu: u(t) K x(t) (4.68)

Trong đó: P(t) là ma trận xác định dương của phương trình Ricatti:

Giá trị cực tiểu của chỉ tiêu chất lượng:

Bước 5: Tìm tín hiệu điều khiển tối ưu cho hệ thống

Nhóm tiến hành tìm tín hiệu điều khiển cho chiều cao robot ở hai tư thế thấp nhất và cao nhất sao cho thỏa mãn chỉ tiêu chất lượng của hàm chỉ tiêu (4.65)

Trường hợp chiều cao robot ở tư thế thấp nhất H#0mm Nhóm tìm được bốn ma trận A B Q R L , L , L , L cho trường hợp này:

Trường hợp chiều cao robot ở tư thế cao nhất H&0mm Nhóm tìm được bốn ma trận A H ,B H ,Q H ,R H cho trường hợp này:

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Chương trình điều khiển

Hệ thống điều khiển bao gồm hai vi điều khiển là ATMEGA2560 và ATMEGA328 ATMEGA2560 có nhiệm vụ xử lí và xuất tín hiệu điều khiển hai động cơ bánh xe, đọc tín hiệu từ cảm biến gia tốc từ trường, đọc và chuyển đổi xung encoder, tính toán điện áp cần thiết để điều khiển các động cơ theo tín hiệu đặt sau đó sẽ giao tiếp UART với mô-đun zigbee để có thể truyền dữ liệu sang Master ATMEGA328 có nhiệm vụ giao tiếp UART với ATMEGA2560 để điều khiển hai động cơ hông nhằm thay đổi chiều cao cho robot Chương trình điều khiển được viết trên phần mềm Arduino IDE

Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Thiết lập các thông số

Cờ ngắt = 0 Đọc và xử lí dữ liệu encoder

Có tín hiệu từ master Đọc và xử lí dữ liệu từ master

Kiểm tra và xuất ra thông số cho chương trình chạy

1 2 Đọc giá trị cảm biến

Tính toán giá trị u điều khiển cho hai động cơ bánh xe

Xuất ra giá trị PWM để điều khiển 2 động cơ bánh xe

Gửi dữ liệu lên master Điều kiện dừng 3

Hình 5-1 Lưu đồ giải thuật chính của hệ thống

Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Tiêu đề	Thiết kế mô hình và bộ điều khiển cân bằng cho robot hai bánh thay đổi chiều cao
Tác giả	Trần Nhật Tín
Người hướng dẫn	TS. Trần Đức Thiện
Trường học	Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	99
Dung lượng	9,27 MB