Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Thiết kế hệ thống tự cân bằng ba trục để phát triển các ứng dụng chi phí thấp và độ tin cậy cao

Đối với cum từ 3-DOF được sử dung ở đây, được hiéu là hệ thống tự cân bằng 3 trục điều khiển Steward Platform và đó cũng là nguồn gốc của tên gọinày.. MO DAUHệ thống cân bằng đã xuất hiệ

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THONG TIN

KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH

BÙI HUY HOÀNG

PHẠM TRUNG HÒA

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

PHAT TRIEN CAC UNG DUNG CHI PHI THÁP VÀ DO

TIN CAY CAO

DESIGN A MODEL 3-DOF STEWARD AUTO-BALANCING

SYSTEM FOR LOW-COST AND HIGH RELIABLE EMBEDDED

KY SU NGANH KY THUAT MAY TINH

TP HO CHi MINH, 2022

DAI HỌC QUOC GIA TP HO CHÍ MINH

TRUONG DAI HOC CONG NGHE THONG TIN

KHOA KY THUAT MAY TINH

BÙI HUY HOANG - 18520773

PHẠM TRUNG HÒA - 18520765

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

THIẾT KE HỆ THONG TỰ CAN BANG 3 TRỤC DE

PHÁT TRIEN CAC UNG DUNG CHI PHI THÁP VÀ ĐỘ

TIN CAY CAO

DESIGN A MODEL 3-DOF STEWARD AUTO-BALANCING

SYSTEM FOR LOW-COST AND HIGH RELIABLE EMBEDDED

KY SƯ NGANH KY THUAT MAY TÍNH

GIANG VIEN HUONG DAN

TS Doan Duy

TP HO CHi MINH - 2022

THÔNG TIN HỘI ĐÒNG CHÁM KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

Hội đồng cham khóa luận tốt nghiệp, thành lập theo Quyết định số 528/QD-DHCNTT

ngày 19 tháng 7 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Đại học Công nghệ Thông tin.

LOI CAM ON

Đầu tiên, chúng em muốn cảm ơn các quý thay, cô và các giảng viên đã va dangday tai trường Dai học Công nghệ thông tin — Đại học Quốc gia Thành phố Hồ

Chí Minh đã góp công xây dựng trường chúng ta ngày hôm nay.

Trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường, chúng em đã nhận được sự chỉ

bảo tận tình, những kiến thức, kinh nghiệm quý báu của các thầy, cô, từ đó đã

giúp em có được kiến thức chuyên môn, sâu rộng như ngày hôm nay Ngoài ra,

còn được trang bị kỹ năng mềm trong quá trình học tập và làm việc tại trường

Chúng em cũng xin cảm ơn các thầy cô của khoa Kỹ thuật Máy tính đã giúp đỡ

trong việc hỗ trợ chúng em mượn trang thiết bị để hoàn thành khóa luận.

Chúng em cũng xin cảm ơn thầy Đoàn Duy đã luôn hỗ trợ và giúp đỡ tận tình

cho nhóm em trong quá trình học tập tại trường cũng như hướng dẫn chúng em

làm khóa luận cho đến tận bây giờ

Thành phó Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2022

Sinh viên thực hiện

Bùi Huy Hoàng Phạm Trung Hòa

2.2 Mục tiêu đề tầi ¿5 +5: t2 x921212212121211212111121111111111211121 11x rrye 7

CHƯƠNG 3 TÍNH MỚI VÀ SÁNG TẠO -c c c2 2222222222222 eree 8

3.1 Phân tích hiện trang - - - - - - 2111832111111 3 911111 1191111 ven 8

3.1.1 Tình hình nghiên cứu quốc tẾ -¿ ¿5 + ++2++£++x+zxezxezxzxzrezxees 8

3.2 Phân tích các công nghỆ - - - << 1119931199111 1n kh kg 10

3.2.1 Đề xuất mô hình hệ thống -. - + ¿E522 E+EE+E£EE+E££E+EEZEeEEzEerkzxerszei 103.2.2 Kỹ thuật kết hợp cảm biến - - 2 S2 ESE‡ESEEEEEEEEEEEEEEEErrkrrersrei 123.2.3 Phương pháp điều khién hệ thống cân bằng - - 2+ 2+szcszs2 14

3.2.4 Phương pháp điều khiển PITD - ¿2E SE+E+E£EE£E£EeErErEerererrses 143.3 Tính mới và sáng tạo của đề tài -. ¿+ + St k2EEEEE121 51112111 xe 15CHUONG 4 TÓM TAT KET QUA NGHIÊN CỨU c cc<<: 16

4.1 Đặc ta kỹ thuat oc ceccccccssccsecsessessesscsessessessessssucsessessesessessssesseseesuseneaeeees 16

4.2 Thiết kế hệ thong cceccccccccscsscssessessesssssssssssesessesssssssscsesessssssaeseesecssessaueaeeees 16

4.3 Bộ điều khiển mô Hin ceccecccccccsssssssssessessessessesessecsessessestssessesssessseaeeees 18

4.3.1 Vi điều khién ESP32 NodeMCU 2- 25225225 2xe£xe£vzzxzrerei 18' ro 00) 8 -:Ö-Œ+-.3 19

4.3.3 Động cơ giảm tốc JGY 370 -¿-¿- + +2 EE2EEE211111121211 11x xe, 20

4.3.4 Màn hình LCD2004 và I2C kết nối LCD ¿2 +e s2 +E+e£z£zE+zsz 21

4.3.4.a Cơ sở lý thUYẾT ¿cà 1 1E 121512112111111111110111 011111011 re 30

“E6 NjÔvh sào 0i dcaaaaiaiiidtt 32

“Si áo 00a LBmD 36

4.3.6 Mô phỏng hoạt động hệ thống 2 252252 2x2x+£zzzzzxezei 374.4 Kết quả nghiên CỨU ¿- 2 ¿++Sx+S+2E£2EE2EE2E£EEEEEEEEEEEEEEEEerkerkrrrrrrrvee 38

CHUONG 5 HIEU QUA, PHƯƠNG THỨC CHUYEN GIAO KET QUA

NGHIÊN CUU VA KHẢ NANG ÁP DUNG cc.cccccecceeccecececeeuceeeeens 45TAI LIEU THAM KHAO .0c.cccccecceccccecccccceccectceeecceceeeceusttteceeneeess 46

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Hình mình họa [[lÏ cee cee cà cà cen cà se Sky kề xi xe sec các cá SẼ

Hình 2: Ung dụng hệ thống trên xe hơi ces csc Sàn cà ses ves cess cesses es sec seed

Hình 3: Thiết bị mô phỏng bay của tiến sĩ Steward [27J cess vse vee c+c

Hình 4: Tổng quan vẻ hệ thong điêu khiển vòng kín cee eve eee vee dO

Hình 5: Minh họa hệ thống góc nghiêng Pitch, Roll, Yaw [19J Ï2Hình 6: Mô hình hệ thong thực tế dựa trên lý thuyẾT ccc cee ves «5 z+c<ccceccccse+ 17Hình 7: Board mạch điều khiển E.SP32 cesses cse cee cee se sus se se se 18Hình 8: Mach cầu H L298N cà tester HH se ee HH he coneer eee sec TÔ

Hình 9: Động cơ giảm tốc JŒY370 - ces ce ces ces sẽ sec se sê se xe sec eee ene 20

Hình 11: I2C kết nối LCD cà cào cà ee con cà tee co sẽ nee th se eee cae se ve se sex 2ÏHình 12: Cấu tạo cơ bản của cảm biến gia tốc sử dung công nghệ MEMS [17] va

CO NOC [ ÏẾ]L cee cen 22 ses uee cee HE SH ses sua cee see ky eee kh eee ces kết suy cee sens D4

Hình 13: Cau tao cơ ban của con quay hồi chuyển sử dung công nghệ MEMS [20]

Và CƠ họC [21] cee cen c2 cee Cà cee see uee see seuee use ses ky suy kết ky si các 2)

Hình 14: Nhiéu dau ra của cảm biến gia tốc và hiện tượng Drift và Gyroscope

Hình 15: Quá trình "Predict" và "Update" của bộ loc Kalman [23] 28

Hình 16: Kết quả kiểm tra mức độ Drift giữa hai bộ lọc - -5: eves 29Hình 17: So sánh tốc độ phản hồi giữa hai bô lọc 29Hình 18: Kết quả kiểm tra của hai bộ lọc trong môi trường có nhiễu 30Hình 19: Mô phỏng trực diện dé tài cà cà ces cee se se sọ es se se Ï

Hình 20: Tổng quan mô hình hệ thống coe ces ces csvee see sẽ sẽ cà ses vase eeees32

Hình 21: Mô hình của 1 trục (I-DOF) cence cen cee kh kinh nhe 33

Hình 22: Vòng lặp kín của hệ thong PID ce cằ25 ses sec sees sec sessedHình 23: Tốc độ phản hồi thực tế của mô hình do trên trục Pitch 39Hình 24: Tốc độ phản hôi thực tế của mô hình do trên trục Roll - 39Hình 25: Biểu đồ phan ứng của hệ thong trên trục Roll, Pitch 40

Hình 26: Kết quả mô phỏng của hệ thống - c5 ce ves ees sec sec vee se +40

Hình 27: Kết quả mô phỏng giải thuật PID ccc c2 es SE sue seve ses ee se 4]Hình 28: Kết qua thử nghiệm thực tế giải thuật PID trên động cơ - 41Hình 29: Cách bố trí động €Ơ cee cee cà cee cà cess ses esse vee tre caves sec eee42Hình 30: Mô hình từ góc nhìn hình chiếu đứng - 42Hình 31: Tổng quan mô hình thử nghiệm trong thực tẾ - - 43

DANH MỤC BANG

Bảng 1: So sánh ưu và nhược điêm cua hai loại cảm biến

Bảng 2: Thông số Denavit-HartenDPUFTg cee cee cee cài cài cà tee cee tee kh ky si

DANH MỤC TỪ VIET TAT

ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyên đồi tín hiệu

tương tự sang tín hiệu số

ARM Advance RISC Machine Cấu trúc vi xử lý kiêu RISC

CAN Controller Area Network Chuan giao tiếp giữa vi điều

khiến và ngoại vi không cần

host computer

CNC Computer Numerical Control Hệ thống máy gia công cơ

khí điều khiển băng máy

tính

CPLD Complex Programable Logic Device Vi mach kha lập trình được

xây dựng trên nền EEPROM

CPU Central Processor Uint Bộ xử ly trung tam

DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyên đôi tin hiệu số

sang tín hiệu tương tự

DMA Direct Memory Access Dong dién mét chiéu

FSMC Flexible Static Memory Controller Bộ điêu khiến giao tiếp bộ

RC Inter — Intergrated Circuit Chuan giao tiép noi tiép 2

day gitta vi diéu khién va

ngoai VI

IC Intergrated circuit Vi mach tich hop

IDE Intergrated Development Environment Môi trường phat trién / lập

trình tích hợp

IEEE Institute of Electrical and Electronics Viện Kỹ sư Điện va Điện tử

EngineersIMU Inertial Measurement Unit Cảm biến góc quay

Matlab Matrix Laboratory Phần mềm cung cấp môi

trường tính toán số và lập

trình

MCU Micro Controller Unit Vi điều khiên

PC Personal Computer Máy tính cá nhân

PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiến vi tích phân tỷ

lệ - Bộ điều khiển PIDPWM Pulse Width Moduration Điều chế độ rộng xung

SPI Serial Peripheral Interface Giao tiếp ngoại vi nối tiếp

(SPD

SRAM Static Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

UART Universal Asynchronous Receiver — Chuan truyén thông nối tiếp

Transmitter bat đồng bộ

USB Universal Serial Bus Chuẩn kết nối nỗi tiếp có

dây trong máy tính

DANH MỤC ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG

Ký hiệu Tiếng Anh Đại lượng

m Meter Chiều dài

cm Centimeter Chiều dài

mm Millimeter Chiều dài

kg Kilogram Khối lượngm/s Meter/second Vận tốc

deg Degree Góc

rad Radian Góc

N Newton Luc

TOM TAT KHÓA LUẬN

Hiện nay, khái niệm 3-DOF xuất hiện để miêu tả cho các loại robot song

song có ba chân Đối với cum từ 3-DOF được sử dung ở đây, được hiéu là hệ thống

tự cân bằng 3 trục điều khiển Steward Platform và đó cũng là nguồn gốc của tên gọinày Kế thừa từ nghiên cứu trước, chúng ta biết được Việt Nam mới tập trung vàovấn đề nghiên cứu 3-DOF từ năm 2002 cho đến nay, số lượng công trình nghiên

cứu và tìm hiểu về 3-DOF ở Việt Nam không nhiều, các kết quả thu được phan lớn

tập trung ở mảng mô phỏng, cánh tay song song có định, hướng đến tối ưu hóa thiết

kế và giải thuật điều khiển mô hình So với các sản phẩm 3-DOF đã thương mại hóatrên thị trường thì các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam chưa thật sự nồi bật Dé tìm

hiểu về khả năng chế tạo, bài toán tiếp tục đặt ra để tìm kiếm những mô hình phi

thủy khí có đáp ứng tốt hơn, tập trung vào điều khién động cơ bằng hệ thống nhúngkết hop giữa ARM và CPLD Bộ điều khién được thiết kế dé điều khiển song song

3 động cơ kết hợp PID vị trí Ngoài xây dựng thành công mô hình tự cân bằng DOF, nhóm cũng hướng tới hạn chế những sai số cơ học trong quá trình lắp ráp,

3-điều khiển

Nhận định được tính cấp thiết của van dé, chúng tôi mau chóng triển khai vànghiên cứu về hệ thống cân bang 3 trục

MO DAU

Hệ thống cân bằng đã xuất hiện từ cuối những năm giao thoa giữa ngành

công nghiệp 3.0 và 4.0, lúc bấy giờ hệ thống trên đã áp dụng tích hợp vào ô tô, máy

bay hay các thiết bị công trình nhà ở nhằm tăng tính 6n định và an toàn Song chiphí áp dụng và thực hiện là rất lớn cũng như độ ôn định, tin cậy còn nhiều thiếu sót

Thiết kế hệ thống cân bằng đã sớm được kỹ sư Steward D giới thiệu lần đầu

tiên vào năm 1965 với nền tang 6 — DOF (Degree of freedom) được điều khiển bang

sự kết hợp của 6 động cơ dé mô phỏng buông lái máy bay Tuy nhiên, nền tảng nàykhông thé chi trả được trong hau hết các ứng dụng vi chi phí của nền tảng chuyênđộng hầu như không phụ thuộc vào số lượng bộ truyền động Năm 1966, dựa vào

mô hình Yang et al đã đề xuất một mô hình thay thé mới cho các ứng dụng chi phíthấp Mô hình 3-DOF, chỉ yêu cầu 3 bộ truyền động so với 6 bộ truyền động trong

mô hình 6-DOF, cho thấy hiệu suất cao và giảm chi phi đáng ké

Vào năm 2018, Kittipong Yaovaja đã sử dung Steward Platform dé thực hiệncân băng bóng bằng cách sử dụng hình anh và PID dé điều khiển Do quá trình xử

lý hình ảnh gặp phải một số trở ngại về môi trường nên độ chính xác và phản hồi

không cao.

Sau những năm phát triển vượt bậc về ngành công nghiệp tự động hóa, các

hệ thống cân bằng dần trở nên cải thiện về độ chính xác với các kỹ thuật mới được

tích hợp, các thiết bị cân bằng hai bánh được triển khai dành cho người máy cũng

như hỗ trợ người khuyết tật đều đã sử dụng PID dé điều khiển động co, machine

learning, xử lý ảnh đã góp phan cải thiện độ tin cậy Song các hệ thống cân bang

trên yêu cầu các phần mềm phức tap dé triển khai, điều này không phù hợp với mục

tiêu ban đầu của chúng tôi là thực hiện một hệ thống với độ tin cậy cao, đồng thờichi phí thấp

Nắm bắt được những ưu tình thế trên, chúng em mong muốn được xâydựng một mô hình mang tính xu hướng thời đại mới, dựa trên nền tảng tự độnghóa, có chi phí thấp và độ tin cậy, ứng dụng cao Và dé tài của chúng tôi, một

thiết bi cân bằng tự động 3 trục được đưa vào tầm ngắm nghiên cứu, phát triển.

Đối phó với những vấn đề nêu trên Chúng tôi đề xuất mô hình Steward Balancing với việc sử dụng bộ lọc nhiễu Kalman dé xử lý đầu ra của MPU, ứngdung Inverse Kinematics tính toán góc va PID nâng cao dé điều khiến động cơ

Auto-Mô hình trên không chỉ phù hợp trong lĩnh vực công nghiệp mà hoàn toàn có

thé đáp ứng rộng rãi hon trong xây dựng, và các thiết bị không đòi hỏi chi phícao như ghế an toàn cho người lái xe và hành khách, xe day trong bệnh viện vàđặc biệt là giải quyết bài toán rung lắc ở trẻ nhỏ được chúng tôi trình bày bên

trên.

Song song với đó cũng có một số thử thách Hệ thống cân bằng cần tính

chính xác chỉ số của mỗi góc quay so với động cơ giữa mặt phăng phía trên vàmặt phăng đáy Đồng thời phải xử lý nhiễu đầu vào từ cảm biến dé cho phépđộng cơ hoạt động trơn tru va có góc quay chính xác Ngoài ra cấu trúc của hệthống sử dụng tương đối nhiều về các kết cau cơ khí, đòi hỏi phải dung napthêm về hàn, tiện, CNC,

Các phân tiép theo của khóa luận sẽ được tô chức như sau:

e Chương | trình bày về tông quan đề tài

e Chương 2 trình bày tính cấp thiết của đề tài cũng như mục tiêu mà đề tài này

CHƯƠNG 1 THÔNG TIN CHUNG

Hệ thống cân băng 3 trục (3DOF — Degree of freedom) là hệ thống tự động theo

trục, trong đó được thiết kế theo 3 trục chính, mỗi trục kết nối với một động cơ,được xử lý điều khiến riêng biệt, đồng thời liên kết với một mặt phang phía trên

nhằm đảm bảo cho bề mặt phẳng luôn chuyên động ngược lại các tác động nhằm

triệt tiêu dao động.

Với mong muốn xây dựng một hệ thống tự động cân bằng với độ tin cậycao và chi phí thấp Phù hợp với những công trình không đòi hỏi quá cao về mặt chiphí mà trước đây chỉ xuất hiện trên những hệ thống lớn với giá trị đắt đỏ Góp phầnlàm tăng tính đa dạng, đại trà của thiết bị liên quan đến yếu tố cân bang tự động vềsau Hoàn toàn có thể ứng dụng tốt trong các thiết bị tầm trung, đưa hệ thống tiếp

cận với lĩnh vực dân dụng hóa, gia đình hóa như xe hỗ trợ người khuyết tật, ghếchống rung lắc dành cho trẻ

Trong tương lai, hệ thống sẽ được triển khai thực tế để có được các hiệu

chuẩn cho bộ lọc nhiễu và định lượng động hoc “Kinematics” Đặc biệt, việc triển

khai thực tế là cần thiết dé xác minh tác động của tải trọng và chuyền động của đốitượng lên hệ thống cân bằng Hơn nữa, từ việc triển khai thực tế, chúng ta có thé

nhận được đữ liệu để tự động hiệu chuẩn với các kỹ thuật phức tạp như máy học dé

hướng tới các ứng dụng cao cap hơn.

CHƯƠNG 2 MỤC TIÊU

2.1 Lý do chọn đề tài:

Trong thời đại phát triển về công nghệ mang tính 4.0 hiện nay, ngành côngnghiệp tự động hóa, robot hóa đang trở nên gần gũi, phổ biến hơn bao giờ hết trongcuộc sống hằng ngày nói chung và khoa học nói riêng Các loại mô hình cửa tựđộng trong nhà, hệ thống bơm nước hay các hệ thống lắp ráp ô tô tự động đang dần

hiện hữu trong cuộc sống đời thường.

Nam bắt được những ưu tình thé trên, chúng tôi mong muốn được xây dựng một

mô hình mang tinh xu hướng thời đại mới, dựa trên nền tảng tự động hóa, có chi phíthấp và độ tin cậy, ứng dụng cao Và đề tài của chúng tôi, một thiết bị cân bằng tự

động 3 trục được đưa vào tầm ngắm nghiên cứu, phát triển

Đi sâu hơn về công trình nghiên cứu Trên những dòng ô tô hiện đại ngày nayđều trang bi rất nhiều công nghệ, cân băng điện tử, kiểm soát lực kéo, 6n định thânXe

Những công nghệ trên đều là những công nghệ mang tính cấp thiết như 1 trang

bị không thê tách rời trên mỗi dòng xe ô tô hiện đại ngày nay vì những tính năng an

toàn mà nó đem lại, giúp chiếc xe ôn định trên đường dài, mang đến trải nghiệm tốtnhất cho người dùng

Tuy nhiên việc những dòng xe tầm trung, giá thành rẻ mà có sự trải nghiệmcông nghệ êm ái đến từ người vận hành nó, tính đến thời điểm hiện tại hầu hết vẫnchưa hiện hữu Do nhu cầu chi phí và cạnh tranh giá rẻ, nhà sản xuất đã cắt bớtnhững tính năng ưu việt liên quan đến sự trải nghiệm từ người dùng Vì lẽ trên mà

chúng tôi muốn hướng đến, phát triển 1 hệ thống cân bang , mang tính trải nghiệm

tốt nhất cho người dùng trên những dòng xe cấp thấp, rút ngăn khoảng cách cảmnhận vận hành từ người dùng trên những dòng xe hạng sang so với xe tam trung mavẫn mang lại cảm giác êm ái qua những cung đường xấu, g6 ghè nhưng ngược lại

chi phí và giá thành vừa phải.

Nhận định được sự tính cấp thiết của vấn đề, chúng tôi mau chóng triển khai và

nghiên cứu về hệ thống cân bằng 3 trục Nhưng trước tiên để tối ưu hoá tạo mô hìnhcân băng phù hợp trên xe ô tô, việc cần có được là xây dựng một mô hình sơ khai

về hệ thống 3 trục nêu trên theo hình minh hoạ I1 [1]

Hệ thống cân bằng 3 trục (3DOF- Degree of freedom) là hệ thống tự động theotrục, trong đó được thiết kế theo 3 trục chính, mỗi trục kết nối với 1 động cơ, được

xử lý điều khiến riêng biệt, đồng thời liên kết với một mặt phăng phía trên nhằmđảm bảo cho bề mặt phẳng luôn chuyển động ngược lại các tác động nhằm triệt tiêu

đao động.

2.2 Mục tiêu đề tài

Cung cấp mô hình thiết kế tự động cân bằng 3 trục với độ chính xác cao, khảnăng đáp ứng nhanh cho các ứng dụng chi phí thấp Có khả năng hoạt động ôn định,hiệu quả, phục vụ cho giải quyết bài toán cân bằng tự động

Với mong muốn xây dựng một hệ thống tự động cân bằng với độ tin cậy cao vàchi phí thấp Phù hợp với những công trình không đòi hỏi quá cao về mặt chi phí màtrước đây chỉ xuất hiện trên những hệ thong lớn với giá trị đắt đỏ Góp phan làmtăng tính đa dạng, đại trà của thiết bị liên quan đến yếu tố cân băng tự động về sau

Hoàn toàn có thê ứng dụng tốt trong các thiết bị tầm trung, đưa hệ thống tiếp cận

với lĩnh vực dân dụng hóa, gia đình hóa như xe hỗ trợ người khuyết tật, ghế chốngrung lắc dành cho trẻ

Trong tương lai, hệ thong sẽ được triển khai thực tế dé có được các hiệu chuẩncho bộ lọc nhiễu và định lượng động hoc “Kinematics” Đặc biệt, việc triển khai

thực tế là cần thiết dé xác minh tác động của tải trọng và chuyền động của đối tượng

lên hệ thống cân bang Hon nữa, từ việc triển khai thực tế, chúng ta có thé nhận

được dữ liệu để tự động hiệu chuẩn với các kỹ thuật phức tạp như máy học để

hướng tới các ứng dụng cao câp hơn.

CHƯƠNG 3 TÍNH MỚI VÀ SÁNG TẠO

3.1 Phân tích hiện trạng

3.1.1 Tình hình nghiên cứu quốc tế

Hệ thống cân bằng đã xuất hiện từ cuối những năm giao thoa giữa ngành côngnghiệp 3.0 và 4.0, lúc bấy giờ hệ thống trên đã áp dụng tích hợp vào ô tô, máy bayhay các thiết bị công trình nhà ở nhằm tăng tính ổn định và an toàn Song chi phí áp

dụng và thực hiện là rât lớn cũng như độ ồn định, tin cậy còn nhiêu thiêu sót.

Thiết kế hệ thống cân băng đã sớm được kỹ sư Steward D giới thiệu lần đầutiên vào năm 1965 với nền tảng 6 — DOF (Degree of freedom) được điều khiển bang

sự kết hợp của 6 động cơ dé mô phỏng buông lái máy bay [2] Năm 1996, dựa vào

mô hình [2] Yang et al đã đề xuất 1 mô hình thay thé mới cho các ứng dụng chi phíthấp [3]

Thiết kế hệ thống cân bằng đã sớm được kỹ sư Steward D giới thiệu lần đầutiên vào năm 1965 với nền tảng 6 — DOF (Degree of freedom) được điều khiển bang

sự kết hợp của 6 động cơ dé mô phỏng buông lái máy bay [2] Năm 1996, dựa vào

mô hình [2] Yang et al đã đề xuất 1 mô hình thay thé mới cho các ứng dụng chi phíthấp [3]

Trong nhiều năm, các nghiên cứu về mô hình động học của Steward xuất hiệnngày càng hoàn chỉnh, cả về sự đa dạng và chính xác Ngược lại với các cơ chế nốitiếp, phương trình động học thuận được tính thắng và dễ dàng hơn rất nhiều so với

động học ngược va các robot song song thì ngược lại Trên mục tiêu tạo ra mặt di

chuyền 6 bậc tự do, có nhiều cơ chế chân kết hợp dé đáp ứng yêu cầu nhưng rat ít

mô hình có khả năng tính toán động học lực song song, có thé ké đến nghiên cứu cochế 3 chân của Lee và Shah Trong đề cập này, chúng tôi muốn hướng đến một

dạng đặt biệt của Steward Platform, trong đó các cặp chân liền kề sẽ giao nhau ở

platform (giảm di 1 nửa số kết nối so với mô hình truyền thông) Điều này sẽ giảm

số cạnh của platform từ lục giác sang tam giác

Mô hình dạng trên cũng đưa phương trình động học của cơ chế 6 chân trở thànhđồng hình (isomorphic) với cơ chế 3 chân Từ đó dẫn đến khả năng giảm số phương

trình ảnh hưởng bởi 6 chân thành phương trình dạng đa thức cho tam giác.

Một dạng đặc biệt hơn nữa của cơ chế gộp chân trên được thể hiện ở Hình 3, các

tay quay đều giao nhau ở cả base và platform Cơ chế này được gọi là bát diện biến

dạng (deformable octahedron)

Thực ra, dù được điều khiến bởi 6 chân, các đỉnh của platform trong cả 2 hình

trên bi chi phối bởi 2 chân lân cận (tạo thành tam giác với đỉnh platform), nhưng

điều này cũng đồng nghĩa với việc đỉnh platform bị điều khiển bởi “chân nối” với

điểm giữa của base[6] — chân đường cao (Hình 3) Vì chiều dai các chân không cố

định nên chân đường cao hạ từ đỉnh platform cũng thay đổi theo (Hình 3) Từ đó, hệ

3 chân kết hợp với nhau tạo thành vi trí cho tắm platform

Hình 3: Thiết bị mô phỏng bay của tiến sĩ Steward [27]

3.2 Phân tích các công nghệ

3.2.1 Đề xuất mô hình hệ thống

Hệ thông cân băng được đê xuât có hai giai đoạn: xử lý dữ liệu cảm biên và điêu

khiển động cơ, như được mô tả trong Hình 4.

GIAI DOAN 1: XỬ LÝ DU LIEU TỪ CẢM BIEN

TRƯỜNG

GIAI DOAN 2: DIEU KHIEN ĐỘNG CƠ

INVERSE KINEMATICS

PID

MOTORI MOTOR2 MOTOR3

Hình 4: Tổng quan về hệ thong điều khiển vòng kín

Giai đoạn thứ nhất: Cảm biến được gắn vào phía bên trên của mặt phẳng đề thu

thập dữ liệu về tình hình cân bằng Sẵn sàng ước tính góc pitch va roll của mặtphẳng Cảm biến MPU-6050 [8], được tích hợp với 3 trục của máy đo gia tốc được

sử dụng thông qua giao thức I2C Một trong những thách thức của hệ thống này làảnh hưởng từ chuyên động quay của động cơ đến các cảm biến, cụ thể là khi động

cơ hoạt động tạo ra rung động như sự nhiễu loạn đối với các gia tốc kế Do đó, bộlọc Kalman được thiết kế để giảm nhiễu của cảm biến và sự trượt của con quay hồichuyên Dữ liệu được xử lý từ giai đoạn thứ nhất cho phép tăng độ chính xác và tốc

10

độ điều khiến ở giai đoạn thứ hai Kỹ thuật kết hop cảm biến sẽ được chúng tôi

trình bày chỉ tiết hơn trong phần nội dung đặc tả chỉ tiết

Ở giai đoạn thứ hai, Inverse Kinematics được triển khai dưới dạng điều khiểnchung cho động cơ Dữ liệu đầu vào của phương pháp này là giá trị được MPU ghinhận lại dưới dạng Opitch và Oyo của mặt phẳng phía bên trên theo công thức (1)

và (2), ngõ ra của nó chính là thông số góc quay của mỗi động cơ Các giá trị gócquay của động cơ chính là nền tảng tạo nên sự cân bang cho mặt phẳng

Bnich = Nit yitch — MPU pitch (1)

8,01 = iNit;o1 — MPU, o1 (2)

Trong đó MPUpitch va MPUroll là các gia tri ước tinh của cao độ và góc cuộn

từ giai đoạn thứ nhất, initroll và initpitch là giá trị góc góc cân bằng ban đầu củamặt phăng

Việc ứng dụng Inverse Kinematics chúng tôi đề cập ở phần 3 Bằng cách xácđịnh những tọa độ điểm cuối của mặt phăng phía trên, tính toán vị trí góc quay củamỗi motor, cụ thể ở đây là 3 để đưa ra giá trị setpoint cho PID

11

đó là: giá tri của đo lường của cảm biến rất dé bị ảnh hưởng bởi sự rung động gây ra

bởi động cơ, chúng ta có thé tính toán góc nghiêng theo công thức (3) và (4)

Cc

acCpiech = atan (————* (3)

(accy)? + (acc;)?

12

ACC, = asin ( ) (4)

acc,

Trong đó acc,, accy, acc, là giá trị do lường gia tốc tại các trục tương ứng

(x, y, z) đơn vị là (g) Và với cảm biến con quay hồi chuyên chúng ta cũng tính toánđược điều tương tự dựa vào công thức (5) và (6):

Trong đó gÿT0(pi:en),gTO0qøn; là giá trị đầu ra của con quay hồi chuyển đơn

vị là (độ/s) nhưng cũng giống như gia tốc kế con quay hồi chuyền cũng mang trong

mình I nhược điểm đó là giá trị của con quay không ôn định ké cả trong trường hợpđứng im và sẻ có xung hướng trượt | lượng nhất định theo thời gian (Drift)

Với mục đích tối ưu độ chính xác và giảm thiêu sự ảnh hưởng của rung động dođộng cơ tạo ra một số kỹ thuật kết hợp cảm biến đã được ra đời trong đó nổi bật vàđược ứng dụng nhiều nhất là bộ lọc Complementary và bộ lọc Kalman Bộ lọcComplementary là một bộ lọc đơn giản với sự kết hợp giữa giá trị của nghiêng tính

toán theo gia tốc và theo con quay hồi chuyên theo một hệ số a (theo công thức 5 và

6) giá trị đầu ra của bộ lọc đa số phụ thuộc chủ yếu vào kết quả đo lường của conquay hồi chuyên và thêm một lượng 1 — a dé bù trừ sai số do hiện tượng trượt của

con quay hôi chuyên gây nên.

roll = œ(gyr0;„¿¡¡) + (1 — @)acc,oy (7)

13

pitch = Œ(gYTOp¡tcn) +(1- Œ)đCCpitch (8)

Hệ số œ càng lớn độ phụ thuộc vào con quay hồi chuyền càng lớn mức độ ảnh

hưởng của sự rung động gây ra bởi động cơ cảng nhỏ nhưng kéo theo là mức độ

Drift lại tăng Do đó chúng ta phải lựa chọn hệ số a hợp lý dé cân bằng giữa các tiêu

chí độ nhiêu của gia toc, va mức độ Drift của con quay hôi chuyên.

Bộ lọc Kalman [9] là một bộ lọc nổi tiếng được ứng dụng rất nhiều vào trongnhững ứng dụng cần sự kết hợp giữa các loại cảm biến Và đựng ứng dụng dựa trên

lon), =lỗ 2] leslacn + yt lol +e an

3.2.3 Phương pháp điều khiến hệ thống cân bằng

Ở phần nội dung này, chúng tôi chỉ đề cập phương pháp sử dụng động học

ngược, nghiên cứu về lý thuyết hoạt động của Inverse Kinematics, cung cấp trừu

tượng về mô hình Stewart platform sẽ được chúng tôi trình bày chỉ tiết ở mục 4.3

3.2.4 Phương pháp điều khiển PID

Trong dé tài này, điều khiển PID là một phần quan trọng quyết định độ chínhxác trong điều khiển động cơ Trên thực tế, PID thường được áp dụng trong các hệ

thống điều khiển ô tô để điều chỉnh đầu ra động cơ, giới hạn dao động và triệt tiêu

hiện tượng vọt ló

14

3.3 Tính mới và sáng tạo của đề tài

Chúng tôi đề xuất mô hình Stewart Auto-Balancing với việc sử dụng bộ lọcnhiễu Kalman đề xử lý đầu ra của MPU, ứng dụng Inverse Kinematics tính toán góc

và PID nâng cao dé điều khién động co Mô hình trên không chỉ phù hợp trong lĩnh

vực công nghiệp mà hoàn toàn có thê đáp ứng rộng rãi hơn trong xây dựng, và cácthiết bị không đòi hỏi chi phi cao như như ghế an toàn cho người lái xe và hành

khách, xe đây trong bệnh viện Đặc biệt là giải quyết bài toán rung lắc ở trẻ nhỏ

được chúng tôi trình bày bên trên.

Nhóm đề tài đã giới thiệu với thiết kế hệ thống tự động cân bằng 3 DOF Stewart Platform với mục tiêu độ tin cậy cao và chi phí thấp Bằng cách áp dụngKalman filter dé giảm đáng ké sự nhiễu động của cảm biến, ngoài ra sự góp mặt củaKinematics đã góp phan tăng độ chính xác cho bộ điều khién PID Các kết quả môphỏng cho thấy sự hiệu quả về mặt giảm nhiễu ở phía trên, đồng thời Hình 4 cũngcung cấp dé liệu rất khả quan về kha năng phản hồi nhanh dưới 2 millisecond Vớimục tiêu chi phí thấp, hệ thống có thé ứng dụng trong những lĩnh vực nhúng vớiquy mô nhỏ như ghế an toàn, xe hỗ trợ người khuyết tật, hay thiết bị hạn chế sự dao

-động trên 6 tô được nhac đên trong mục giới thiệu dé tai

15

CHUONG 4 TOM TAT KET QUÁ NGHIÊN CỨU

4.1 Đặc tả kỹ thuật

Mô hình cân bằng mà nhóm triển khai dựa vào thiết kế của hệ thống mô phỏng

chuyền động 3-DOF [3], sử dụng nguồn trực tiếp 5V, 1A từ công microUSB dé cap

nguồn cho toàn bộ hệ thống

Hệ thống hoạt động ôn định với tai cân bằng nhỏ hơn 1KG, trong quá trình hệthống thực hiện tự động cân bang, thời gian từ khi hệ thống phát hiện trạng thái matcân bằng đến lúc hệ thống thiết lập lại trạng cân bằng nhỏ hơn 1s, phạm vi cân bằng

năm trong khoản + 90 độ với sai số +5 độ.

Hệ thống cảm biến (con quay hồi chuyển, gia tốc kế, từ trường) hoạt động ồnđịnh và chính xác trong môi trường thực tế có sự ảnh hưởng từ nhiễu điện từ sinh ra

do hoạt động điều khién đóng cắt động cơ và những rung động do động cơ gây ra

trong quá trình chạy.

Cách thuật toán tính toán góc nghiêng, cân bằng và điều khiển động cơ hoạt

động có hiệu quả trong môi trường thử nghiệm thực tế

4.2 Thiết kế hệ thống

Dé đạt được mục dich cân bằng hệ thống mà nhóm chia hệ thống ra làm 2bước chính, bước 1: thu thập và xử lý dữ liệu cảm biến, bước 2: là tính toán góc cân

băng va điêu khiên động cơ đên vi trí cân băng.

Quá trình cân bang được thực thực thi trình tự từ phan thu thập và xử lý dữliệu cảm biến cho đến phần tính toán góc cân bang va diéu khién động co dén vi tricân bang, dé mô hình giữ được trang thái cân bang theo tac động từ môi trường quátrình điều khiển theo vòng lập được áp dụng như Hình 4 sau khi đạt được trạng tháicân băng thì hệ thống tiếp tục lập lại toàn quá quy trình

Ở bước đầu tiên trong quá trình cân bằng, hệ thống cần thông tin từ các cảm

biến dé xác định được mô trường bên ngoài cụ thé là dữ liệu về góc nghiêng theo

16

các trục tất cả được gói gon xử lý ở bước 1, trong phan nay bao gồm việc thu thập

dữ liệu từ các cảm biến, dữ liệu thu thập được từ cảm biến gia tốc và con quay hồi

chuyên được chuyền qua khối “Sensor Fusion” ở khối này dữ liệu góc trả về từ cảm

biến gia tốc và con quay hồi chuyên được tính toán và kết hợp với nhau nhăm tăng

độ chính xác và giảm sự ảnh hưởng do nhiễu từ môi trường lúc này hệ thống đã xác

định được các dữ liệu góc nghiêng cần thiết cho các bước tiếp theo

Sau khi đã có được các dữ liệu góc nghiêng cần thiết từ bước 1, ở bước 2 các

thông tin đó sẻ được truyền vào khối Inverse dé tính toán các góc quay cần thiết

cung cấp cho thuật toán điều khiển động cơ PID, thuật toán sẽ dựa vào thông tin

trước đó và điều khién bộ 3 động cơ đến góc quay xác định từ trước và hoàn thành

quá trình cân bằng

1 1

4.3 Bộ điều khiển mô hình

4.3.1 Vi điều khiển ESP32 NodeMCU

Với chi phí giá thành rẻ là mục tiêu chính trên mô hình của minh Chúng tôi

sử dụng ESP32 dé phát triển NodeMCU ESP32 1a kit phát triển các ứng dung wifi

trên nền tảng chip ESP32 của Expressif, có tích hợp mach nạp qua cổng USB (ICCP2102 TTL) Kit này là một sản phẩm khá nổi tiếng trong các ứng dụng phát triểnsản phẩm IoT, vì nó cho phép lập trình như một MCU thực thụ với các ngoại vi như

SPI, I2C, UART, GPIO, Timer, Interrupt, DMA, ké ca PWM Đồng thời có khả

năng kết nối wifi với anten onboard, hỗ trợ 2.4Ghz theo chuẩn 802.11 b/g/n Lập

trình trên các ngôn ngữ: C/C++, Micropython, NodeMCU - Lua, đặc biệt có tương thích với Arduino IDE.

Đặc tả thông số kỹ thuật của ESP32:

Bộ vi xử lý LX6 32-bit lõi đơn hoặc lõi kép với xung nhịp lên đến 240MHz

520 KB SRAM, 448 KB ROM và 16KB SRAM RTC

Hỗ trợ kết nối Wi-Fi 802.11

Hỗ trợ cho cả thông số kỹ thuật Bluetooth v4.2 va BLE cô điền

34 GPIO có thê lập trình

18