Vì vậy, trong thời đại mà con người đang đề cao tính tự động hóatrong mọi thứ như ngày nay, việc thay thế xe cân bằng với 2 loại phương tiện này bằng xe cân bằng mà nhóm đang thiết kế có
TỔNG QUAN
Giới thiệu
Xe máy là một trong những phương tiện di chuyển phổ biến nhất ở Việt Nam. Hàng năm có rất nhiều vụ tai nạn xe máy do người lái xe gây ra, thường dẫn đến thương tích nặng và tử vong Theo Chính phủ, tai nạn giao thông liên quan đến xe máy có tỷ lệ cao nhất (60,96%) trên tất cả các loại phương tiện (Hình 1.1)
Trong khi đó, xe đạp là một phương tiện được cho là an toàn và ít gây tiếng ồn, ô nhiễm môi trường hơn nhưng mà tốc độ của nó không đạt được như xe máy, lại gây tốn sức cho con người Vì vậy, trong thời đại mà con người đang đề cao tính tự động hóa trong mọi thứ như ngày nay, việc thay thế xe cân bằng với 2 loại phương tiện này bằng xe cân bằng mà nhóm đang thiết kế có kết hợp khả năng phát hiện vật cản là một phương án tối ưu vì tính an toàn cũng như tốc độ đáp ứng được nhu cầu đi lại của con người ngày nay.
Ngoài ra, với tính năng tự cân bằng, xe có thể giúp cho những người tự khuyết tật có thể di chuyển mà không gặp nhiều trở ngại trong việc điều khiển.
Về hướng phát triển của đề tài, có thể làm thêm về khả năng di chuyển theo bản đồ cho trước dành cho những người khuyết tật là người mù để họ có thể tự di chuyển đến vị trí cần đến mà không gặp nhiều khó khăn.
Lý thuyết áp dụng cho xe cân bằng
1.2.1 Mô hình con lắc ngược
Nếu làm mô hình xe cân bằng lớn và có người điều khiển, ta có thể nghĩ đến mô hình xe cần bằng với con lắc ngược:
Mô hình con lắc ngược 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 hệ con lắc ngược tự cân bằng 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.
Có nhiều phương pháp dùng để tính động lực học, chẳng hạn: phương pháp Newton, phương pháp Lagrange, phương pháp theo năng lượng Nhưng trong đề tải này, phương pháp Newton được sử dụng với các ưu điểm của nó Thứ nhất, nó sử dụng các phương pháp tính cơ học thông thưởng Thứ hai, các công thức và hệ phương trình trong quá trình tính không quá phức tạp Thứ ba, kết quả tính động lực học của mô hình con lắc ngược được phổ biến hiện nay ở các tài liệu tham khảo được sử dụng để kiểm tra sự sai sót trong quá trình tính toán động lực học của mô hình xe hai bánh tự cân bằng.
Ta xem xét mô hình toán học của con lắc ngược với các tham số như sau:
M: Khối lượng xe (Kg) m: khối lượng con lắc (Kg) l: Chiều dài con lắc (m)
F: Lực tác động vào xe (N)
X: vị trí của xe (m) θ : Góc của con lắc so với phương thẳng đứng.
Việc mô tả các chuyển động của động lực học con lắc ngược dựa vào định luật của Newton về chuyển động Các hệ thống cơ khí có hai trục: chuyển động của xe con lắc ở trên trục X và chuyển động quay của thanh con lắc trên mặt phẳng XY Phân tích sơ đồ của hệ thống con lắc ngược ta có được sơ đồ lực tác động vào xe con lắc và thanh con lắc :
Tuy nhiên với đề tài nhóm đang làm là mô hình mini không người lái, nên ta không đi sâu vào mô hình con lắc ngược và các công thức của nó.
Về lý thuyết mà nhóm áp dụng vào xe:
Ta sử dụng thuật toán PID để điều khiển xe cân bằng
Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo được và giá trị mong muốn của xe Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản (mô hình toán học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất.[1] Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống.
Sử dụng cảm biến góc nghiêng để đo được góc nghiêng ( α ) của xe.
Giá trị góc từ các cảm biến góc nghiêng được chuyển đến bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) để điều khiển sai số giúp xe tìm lại được vị trí cân bằng.
Hệ thống điều khiển phản ứng nhanh chóng trong những chu kỳ lặp lại rất nhỏ để duy trì sự ổn định, ngăn chặn sự lệch lạc của xe.
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Phương án cơ khí
Robot được thiết kế gồm 2 tầng mỗi tầng là 1 lớp mica giúp có nhiều không gian để lắp mạch lắp pin hơn Khung xe có trọng tâm thấp thì khi chạy sẽ ổn định Lớp nhựa mica giúp cách ly điện, có thể đục khoét lỗ dễ dàng theo ý muốn để lắp thêm phụ kiện mở rộng.
Bảng tiêu chí chấm điểm cho vật liệu làm xe:
Tiêu chí Chấm điểm trên thang 3
5 – Cực kỳ phù hợp Giá cả Độ bền
Ưu điểm: Đa dạng loại gỗ, giá thành thấp, nhẹ (0.6-1.4g/cm 3 ), dễ gia công, độ bền khá cao, cách điện cách nhiệt, khả năng chịu lực tốt ( chịu lực dọc tốt ở dạng cột)
Nhược điểm: Dễ bị ảnh hưởng bởi ẩm và môi trường (dễ bị xong vênh dẫn đến sai lệch các kích thước), chịu tải và va đập kém.
Tiêu chí Chấm điểm trên thang 3
Ưu điểm: Nhẹ (1.16-1.19g/cm 3 ), trong suốt, dễ gia công, giá thành tốt, chống va đập tốt và có độ bền khá cao, cách điện cách nhiệt, độ bền hóa học khá tốt
Nhược điểm: Dễ trầy xước, không chống ăn mòn, không chắc chắn như nhôm, có thể bị biến dạng dưới tác động của nhiệt độ cao, khả năng chịu lực kém hơn gỗ và nhôm.
Tiêu chí Chấm điểm trên thang 3
Ưu điểm: Inox có độ dẻo rất lớn; độ cứng và độ bền vượt trội hơn nhiều kim loại khác (Nhưng nếu để đem làm xe cân bằng thì không phù hợp), vì vậy nó chịu được áp lực và tải trọng lớn mà không bị biến dạng; chịu sự ăn mòn rất tốt; dễ dàng cắt, uốn, hàn và làm các chi tiết cơ khí phức tạp; bề mặt sáng bóng và bền bỉ, mang đến tính thẩm mỹ cao; chịu được nhiệt độ cao.
Nhược điểm : Trọng lượng nặng (7,93 gam/cm3); giá thành cao; khả năng dẫn điện kém hơn so với đồng hoặc nhôm; mặc dù Inox có thể hàn được, nhưng quá trình hàn thường khó khăn hơn so với các loại kim loại khác, và đòi hỏi kỹ thuật làm việc chính xác để tránh tình trạng oxi hóa và biến tính cấu trúc; khả năng truyền nhiệt kém gây hạn chế trong các ứng dụng yêu cầu tản nhiệt hiệu quả.
Tiêu chí Chấm điểm trên thang 3
Ưu điểm: Chi phí thấp; khả năng tái chế cao; đa dạng về kích thước và độ dày; có khả năng chịu tải và chống biến dạng tốt nhưng trong ngữ cảnh xe cân bằng thì không phù hợp.
Nhược điểm: Trọng lượng nặng (7,85 g/cm³); độ bền thấp; Khó gia công thành các hình dạng khác nhau như nhôm (phải nung tole đến nhiệt độ cao); chống ăn mòn kém, dễ bị rỉ sét.
Tiêu chí Chấm điểm trên thang 3
Yêu cầu: di chuyển trên địa hình bằng phẳng, bám đường tốt.
Chọn bánh xe: bánh Xe TT Motor Plastic Wheel 65mm phù hợp với kích thước robot và tiết kiệm chi phí.
Phương án điện
2.2.1 Về vi điều khiển: a) Vi điều khiển Arduino uno R3:
Thông số cơ bản của vi điều khiển:
Vi điều khiển Atmega 328 (họ 8 bit) Điện áp hoạt động 5V – DC
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Dễ sử dụng, không cần học chuyên sâu về vi điều khiển để có thể lập trình
Cộng đồng lớn, dễ kiếm được các nguồn để học tập và trao đổi kiến thức
Không phù hợp cho các ứng dụng phức tạp
Không có hỗ trợ cho các ngôn ngữ lập trình chuyên sâu
Chấm điểm dựa trên các tiêu chí chung đưa ra để chọn vi điều khiển:
Tiêu chí Chấm điểm trên thang 3
Số lượng chân có đủ cho đồ án này 3
Tiêu thụ năng lượng 2 Độ phức tạp khi lập trình 3 Độ phức tạp khi đi dây 2
Tổng điểm 2.71 b) Vi điều khiển Pic16F877A
- Bộ vi điều khiển PIC16F877A là một trong những bộ vi điều khiển nổi tiếng nhất trong giới kỹ thuật điện tử Bộ vi điều khiển này có nhiều ưu điểm thuận tiện cho việc sử dụng, lập trình chương trình điều khiển cũng rất dễ dàng.
- Một trong các ưu điểm nổi bật là có thể ghi xóa nhiều lần, vì có công nghệ bộ nhớ Flash Nó có tất cả 40 chân trong đó có 33 chân là I/O PIC 16F877A được sử dụng nhiều trong các dự án có dùng vi điều khiển PIC.
Dễ sử dụng, không cần học chuyên sâu về vi điều khiển để có thể lập trình
Cộng đồng lớn, dễ kiếm được các nguồn để học tập và trao đổi kiến thức
Phong phú về thư viện và tài nguyên:
Không phù hợp cho các ứng dụng phức tạp
Không có hỗ trợ cho các ngôn ngữ lập trình chuyên sâu
Chấm điểm dựa trên các tiêu chí chung đưa ra để chọn vi điều khiển:
Tiêu chí Chấm điểm trên thang 3
Số lượng chân có đủ cho đồ án này 3
Tiêu thụ năng lượng 2 Độ phức tạp khi lập trình 2 Độ phức tạp khi đi dây 2
Bảng 2.2: c) Vi điều khiển STM32
- Vi điều khiển STM32 là dòng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M được sản xuất bởi STMicroelectronics, một công ty hàng đầu trong lĩnh vực semiconductor Dòng sản phẩm STM32 được thiết kế đặc biệt để sử dụng trong các ứng dụng nhúng, nơi yêu cầu hiệu suất cao, tiêu thụ năng lượngthấp, và tính linh hoạt trong việc kết nối với các thiết bị ngoại vi.Vi điều khiển 8051
Điện áp cấp 5VDC qua cổng Micro USB sẽ được chuyển đổi thành 3.3VDC qua
IC nguồn và cấp cho Vi điều khiển chính.
Tích hợp sẵn thạch anh 8Mhz.
Tích hợp sẵn thạnh anh 32Khz cho các ứng dụng RTC.
Ra chân đầy đủ tất cả các GPIO và giao tiếp: CAN, I2C, SPI, UART, USB,
Tích hợp Led trạng thái nguồn, Led PC13, Nút Reset.
Kích thước: 53.34 x 15.24mm. Ưu điểm:
Hiệu suất cao và mức tiêu thụ năng lượng thấp
Đa dạng phong cách lập trình
Giá cả cao so với các loại khác
Thiết kế phần cứng phức tạp
Chưa có tích hợp Wifi hoặc Bluetooth
Tiêu chí Chấm điểm trên thang 3
Hiệu suất 3 Độ phức tạp 1
Chọn phương án: Dựa trên thang điểm từ những tiêu chí của 3 phương án trên.
Nhóm chúng em quyết định sử dụng Adruino Uno R3 vào mô hình xe tự cân bằng phát hiện vật cản.
2.2.2 Về module phát hiện vật cản: a) Module phát hiện vật cản hồng ngoại
- Cảm biến vật cản hồng ngoại sử dụng một cặp truyền và nhận tia hồng ngoại. Tia hồng ngoại phát một tần số nhất định khi gặp vật cản sẽ phản xạ vào đèn thu hồng ngoại, sau khi qua IC so sánh đèn màu xanh sẽ sáng lên, đồng thời cho tín hiệu số đầu ra
- Ngoài ra độ nhạy của cảm biến còn phụ thuộc vào về mặt vật cản gặp phải, ví dụ như các vật có xu hướng màu trắng có khả năng phản xạ ánh sáng hồng ngoại mạnh hơn các vật cản có màu tối, các vật cản màu tối hấp thụ ánh sáng hồng ngoại nhiều hơn và phản xạ lại ít hơn số lượng không đủ để mắt thu có thể phát hiện.
Thông số kỹ thuật Điện áp cung cấp cho mạch: 3.3V-6V.
Bộ so sánh dùng Op Amp LM358 hoặc LM393. Đầu ra kỹ thuật số mức ( 1 và 0 ).
Khoảng cách phát hiện vật cản: 2- 30cm
Kích thước 3.2cm x 1.4cm Ưu điểm:
Khả năng Hoạt động trong Điều Kiện Ánh Sáng Thấp
Tính Linh Hoạt và Dễ Sử Dụng
Khả năng ảnh hưởng từ Môi Trường
Giảm Độ Chính Xác ở Khoảng Cách Lớn
Hạn Chế Trong Việc Phát Hiện Vật Cản tối màu
Giới Hạn trong Kích Thước và Hình Dạng của Vật Cản
Tiêu chí Chấm điểm trên thang 3
Phạm vi phát hiện vật cản 2
Bảng 2.3 b) Modun Cảm biến siêu âm SRF05
- Có 5 chân cắm và 1 đầu phát và một đầu thu sóng siêu âm
Khoảng cách hoạt động: khoảng 4 mét ( trong diều kiện bth đo được khoảng 80 – 90 cm) và có sai số là 0.3 cm tùy vào bề mặt vật cản
Tần số của sóng siêu âm: 40 KHz với tần số sóng âm mà con người nghe được là từ
- Đầu phát sẽ phát ra một sóng siêu âm và dựa vào tốc độ mà sóng âm truyền trong không khí là 340 m/s và tời gian từ cảm biến đến vật cản, từ vật cản về lại cảm biến từ đó ta có thể tính toán được khoảng cách của xe được gắn cảm biến đến vật cản để có thể tránh va chạm giữa xe và vật.
Chi tiết nguyên lí hoạt động:
- Modun sẽ có một chân cắm Trigger và một chân cắm echo Khi chân Trig đươc bật và phát ra một cái xung và cái xung này sẽ kích hoạt cái xung của SRF05 và xung của chân echo sẽ đươc bật lên mức High Khi cái xung của SRF05 đi từ đầu phát về vật cản và quay trở lại đầu thu thì chân echo sẽ trả từ mức cao về mức thấp, và cái khoảng thời gian từ mức cao đến mức thấp chính là khoảng thười gian từ sóng đi từ cảm biến đến vật và từ vật về cảm biến Từ thời gian đo được có thể tính toán khoảng cách giữa xe và vật cản qua công thức s=v kk t
Tiêu chí Chấm điểm trên thang 3
Phạm vi phát hiện vật cản 3
Tiêu thụ năng lượng 3 Độ chính xác khi gặp vật cản 3
Chọn phương án: phương án cảm biến vật cản bằng sóng siêu âm được chấm điểm cao hơn về độ chính xác cũng như kích thước và phạm vi tối ưu hơn cho nhóm chúng em đưa vào mô hình xe cân bằng phát hiện vật cản.
2.2.3.Về module bluetooth: a) Mạch thu phát MKE-M15 Bluetooth 3.0 SPP / BLE 4.2 Dual Mode module
Mạch thu phát MKE-M15 Bluetooth 3.0 SPP / BLE 4.2 Dual Mode module được sử dụng để truyền nhận dữ liệu qua Bluetooth với các Máy Tính, Điện Thoại Smart Phone hỗ trợ Bluetooth 3.0 SPP và BLE 4.2, ở chế độ Bluetooth 3.0 SPP mạch có thể được sử dụng để thay thế các mạch Bluetooth HC-05/HC-06 với độ tương thích gần như hoàn toàn (có thể thay thế mà không cần chỉnh sửa code), với BLE 4.2 mạch có thể kết nối với hầu hết các Smartphone mới nhất hiện nay sử dụng hệ điều hành Android / IOS như: Iphone, Ipad, , mạch sử dụng chuẩn giao tiếp UART, hỗ trợ bộ tập lệnh AT Commands rất dễ dàng để kết nối và sử dụng.
Module Bluetooth sử dụng: JDY-33
Điện áp hoạt động: 5VDC
Điện áp giao tiếp: TTL 3.3VDC/5VDC
Chuẩn giao tiếp: Digital UART
Hỗ trợ cấu hình qua bộ tập lệnh AT Commands.
Chuẩn kết nối Bluetooth: Bluetooth 3.0 SPP và BLE 4.2 (tương thích Máy Tính, Điện Thoại Smart Phone hỗ trợ Bluetooth 2.0 / 3.0 và 4.0)
Khoảng cách truyền nhận tối đa: 30m
Tương thích hệ điều hành: Windows / Android / IOS
Sử dụng trực tiếp an toàn với các board mạch giao tiếp ở cả hai mức điện áp 3.3VDC và 5VDC như: Arduino, Raspberry Pi, Jetson Nano, Micro:bit,
Bổ sung thêm các thiết kế ổn định, chống nhiễu.
Chuẩn kết nối: Conector XH2.54 4Pins
Tiêu chí Chấm điểm trên thang 3
Kích thước 3 Độ phức tạp khi sử dụng 3
Khả năng điều khiển từ xa 3
- NRF24L01 là một trong những thiết bị giao tiếp sóng RF cho các ứng dụng hiện đại. NRF24L01 là module rẻ và có những tính năng tuyệt vời Module hoạt động ở tần số 2.4GHz, điều này làm cho nó phổ biến.
- Có thể truyền và nhận dữ liệu bằng một module duy nhất Thu phát sóng tín hiệu không phải là khả năng duy nhất, module có thể giao tiếp với tổng cộng 6 moduleNRF24L01 khác cùng một lúc.
- Thiết bị giao tiếp với Arduino và tạo ra nhiều ứng dụng điều khiển từ xa Module không dây này sử dụng giao thức truyền thông SPI với tốc độ truyền dữ liệu 10MBs với 125 dải địa chỉ, làm nó trở thành module RF đáng tin cậy nhất Module RF sử dụng module GFSK để thu phát dữ liệu.
Dòng điện khi phát tối đa: 115mA.
Dòng điện khi nhận tối đa: 45mA.
Công suất phát lớn hơn +20 dbm.
Nhiệt độ hoạt động: -45 độ đến +85 độ
Nhiệt độ lưu trữ: -45 độ đến +125 độ
Độ lợi của PA: 20 dB
Độ lợi của LNA: 10 dB
Tiêu chí Chấm điểm trên thang 3
Kích thước 2 Độ phức tạp khi sử dụng 1
Khả năng điều khiển từ xa 3
Chọn phương án: Mạch thu phát MKE-M15 Bluetooth 3.0 SPP / BLE 4.2 Dual
Mode sẽ đa dạng, dễ sử dụng và phù hợp hơn trong đồ án lần này.
2.2.5 Về module cảm biến góc nghiêng:
Cảm biến gia tốc góc nghiêng MPU6050
- Cảm biến GY-521 6DOF IMU MPU6050 được sử dụng để đo 6 thông số: 3 trục Góc quay (Gyro), 3 trục gia tốc hướng (Accelerometer), là loại cảm biến gia tốc phổ biến nhất trên thị trường hiện nay, ví dụ và code dành cho nó rất nhiều và hầu như có trên mọi loại vi điều khiển, nếu bạn muốn mua cảm biến gia tốc để làm các mô hình như con lắc động, xe tự cân bằng, máy bay thì MPU6050 sẽ là sự lựa chọn tối ưu.
- MPU6050 sẽ cập nhật liên tục góc nghiêng trên ba trục xyz mà xe di chuyển để từ đó tự cân bằng về góc ban đầu giúp xe giữ thăng bằng trên hai bánh xe.
Điện áp đầu vào: 3V ~ 5V (bộ điều chỉnh sụt áp thấp bên trong)
Giá trị Gyroscopes trong khoảng: +/- 250 500 1000 2000 degree/sec
Giá trị Acceleration trong khoảng: +/- 2g, +/- 4g, +/- 8g, +/- 16g
Tiêu chí Chấm điểm trên thang 3
Tốc độ truyền dữ liệu 3
Chọn phương án: Cảm biến GY-521 6DOF IMU MPU6050 đáp ứng đủ nhu cầu để mô hình có thể tự cân bằng trên mặt phẳng cũng như về giá cá,hiệu suất, độ nhiễu,
THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Khung xe và sàn xe
- Khung xe và sàn xe được làm bằng nhựa mica dày 5mm 10x10mm với giá từ 10 – 30 ngàn đồng một tấm tùy kích thước và độ dày Khi sử dụng nhựa mica thay vì các vật liệu khác giúp cho robot giảm về mặt chi phí cũng như khối lượng đồng thời nhựa mica có khả năng chịu nhiệt tốt từ 60 – 80 độ C, dễ dàng bẻ cong tấm nhựa khi đun nóng 35% tùy vào độ dày tấm nhựa nên có thể dễ dàng thiết kế điều chỉnh khung và sàn xe. Đặc điểm Ưu điểm Nhược điểm
Tính chất điện - Điện trở cách điện cao
- Khả năng chống điện tốt
- Điện dung cách điện thấp
Tính chất cơ học - Độ cứng tốt, khả năng chịu nhiệt cao
- Dễ bị trầy xước bong tróc Độ bền cơ học Có độ bền tốt, chịu được vật nặng
Bánh xe chủ động
- Đối với robot xe cân bằng này chỉ cần sử dụng hai bánh xe trực tiếp làm xe chuyển độn là hai bánh chủ động Bánh xe phải có khả năng bám đường tốt, không trơn trượt, chịu tải ổn định, dễ dàng tháo lắp và thay thế và giá thành rẻ.
- Với những yêu cầu kỹ thuật trên ta chọn bánh Xe TT Motor Plastic Wheel 65mm :
(mm) Độ rộng bánh (mm)
Tìm hiểu về các lực ở bánh xe khi xe chuyển động
Khi động cơ quay khiến cho bánh chuyển động thì bánh xe sẽ sinh ra những lực đi kèm làm cản trở lại Momen xoắn của bánh xe khi quay như lực ma sát, khối lượng của hệ tác dụng lên bánh xe,
Với Fms: Lực ma sát
T1: Momen xoắn của bánh xe
N1: Phản lực của mặt đất tác dụng lên bánh r: bán kính của bánh xe
Mô hình 3D trong Solidwork
Kiểm bền Mô hình bằng SolidWork
- Cố định 2 bên đầu tấm base để kiểm bền
- 5N là lực của cụm động cơ tác dụng lên base
- 2N là lực của các module arduino, bluetooth, tác dụng lên base
Về ứng suất
- Một số vị trí gần khu vực bắt bulong đai ốc để kết nối base với cụm động cơ có giá trị ứng suất 10 5 N/m 2 gần phá hủy.
Về chuyển vị
- Chỗ màu đỏ bị chuyển vị đi lên lớn nhất khoảng 0.02mm là dường như rất nhỏ nên gần như sự chuyển vị này là không đáng kể để ảnh hưởng để sự phá hủy của tấm base.
Tính toán và đo đạc khối lượng, bánh kính cong của bánh xe khi vào cua 56 CHƯƠNG4: THIẾT KẾ ĐIỆN
- Bán kính cong (hay bán kính của quỹ đạo cung) là khoảng cách từ trung tâm của một vòng cung (hoặc đường cong) đến điểm nằm trên đường cong đó Trong trường hợp của một vòng tròn, bán kính cong là chiều dài từ trung tâm đến bất kỳ điểm nào trên đường tròn Đơn vị của bán kính là đơn vị đo chiều dài, chẳng hạn như mét hoặc feet.
- Để tính toán số liệu bán kính cong của bánh xe của một xe cân bằng điều khiển, chúng ta cần biết một số thông số cơ bản của hệ thống Bạn cần cung cấp những thông số sau đây:
Khoảng cách giữa hai bánh xe (L): 0.2(m)
Chiều cao của trọng tâm (h): 0.1 (m)
Bán kính cong của bánh xe khi vào cua được tính toán với công thức sau:
R=0.10625( m ) Như vậy bán kính cong của bánh xe xấp xỉ khoảng 0.106225 (m) b) Khối lượng của xe
- Khối lượng đo được bằng solidwork có giá trị xấp xỉ, tương đương gần giống với giá trị thực tế của mô hình mà nhóm em đo đạc được
Khối lượng đo bằng Solidwork
Khối lượng đo thực tế
Sơ đồ điện của xe cân bằng
Mạch động lực
- Mạch động lực giúp ta bảo vệ được mạch điều khiển, và cụ thể ở đây sử dụng driver A4988 Để điều khiển được động cơ bước, ta chọn driver chịu được ít nhất dòng 2A.
- Module A4988 đáp ứng được đủ các yêu cầu của bài toán đặt ra, có kích thước nhỏ gọn, giá thành hợp lý so với các loại driver khác trên thị trường.
Điện áp điều khiển từ 9V đến 35V, dognf định mức 2A.
Cú 5 chế độ: full step, half step, ẳ step 1/8 step, 1/16 step
Điều chỉnh dòng ra bằng chiết áp, nằm bên trên Current Limit = VREF x 2.5
Tự động ngắt điện khi quá nhiệt.
- Ta vận hành driver A4988 như sau:
Sơ đồ nguyên lý mạch động lực
- Các chân MSX dùng để chọn chế độ hoạt động cho động cơ bước:
- MS1, MS2, MS3: Điều khiển các chế độ vi bước của động cơ step (0: Low; 1: High)
MS1 MS2 MS3 Các chế độ vi bước
Bảng điều khiển các chế độ vi bước của động cơ step
- Ta đưa chân MS2 lên cao và 2 chân MS1 và MS0 xuống thấp để động cơ hoạt động ở chế độ ẳ step Vỡ ở chế độ này cỏc dũng pixel được khắc một cỏch đều nhau Khụng bị chồng lên nhau làm cháy mặt gỗ in, cũng như khôgn quá cách xa nhau tạo các khoảng trống giữa các dòng.
- VMOT: Điện áp hoạt động của động cơ
- Enable: đưa xuống mức thấp thì motor chạy
- Dir: Điều khiển chiều thuận nghịch động cơ
- Các chân 1A, 1B, 2A, 2B: Nối trực tiếp vào các cuộn dây của động cơ theo từng cặp.
- Khi chúng ta đặt chế độ giả sử là full step, thì động cơ hiểu là khi cấp cho nó 200 xung thì nó sẽ thực hiện 1 vòng, nhưng vấn đề đặt ra ở đây là điều khiển tốc độ, vậy câu hỏi là 200 xung đó vi điều khiển cấp cho động cơ bước trong bao lâu Lúc này để trả lời được câu hỏi ta dùng bộ timer của vi điều khiển để xử lý.
- Ta sử dụng chế độ ngắt của timer (đặc điểm xảy ra ngắt của timer là khi nó bị tràn) vi điều khiển để điều khiển tốc độ động cơ:
- Nếu xài timer 8 bit với chu kỳ là 1us (1us là thời gian 1 xung đếm) thì cho bộ timer ở giá trị là 235, sau 20 xung đếm nữa nó sẽ bị tràn và xảy ra ngắt, tương ứng với 20us.
Xác định chu kỳ 1 step của động cơ
- Count_TOP: Số lần ngắt của xung mức cao.
- Count_BOT: Số lần ngắt trong một chu kỳ step.
- Các khoảng 20us: là các chu kỳ ngắt của timer (ở chế độ counter) vi điều khiển.
- Ta đặt x=Count BOT , vậy ta có
- x : Đặc trưng cho tốc độ động cơ bước.
- Số x càng nhỏ thì chu kỳ hoàn thành 1 step càng nhanh, số lần ngắt trong một chu kỳ càng ít, động cơ quay càng nhanh (1)
- Số x càng lớn thì chu kỳ hoàn thành 1 step càng chậm, số lần ngắt trong một chu kỳ càng nhiều, động cơ quay càng chậm (2)
- Mối liên hệ giữa số xung thực hiện 1 vòng (Xác định bằng các giá trị truyền vào 3 chân MS1, MS2, MS3 của driver A4988) của động cơ và số lần ngắt x :
Thời gian 1 xung step = 20us * x (x là số lần ngắt) = 0.00002 * x (s)
1 vòng = 3200 xung (chế độ 1/16 – MS1, MS2, MS3 đều ở mức 1)
Số vòng chạy trong 1 giây = 1/(3200 * 0.00002 * x)
Số vòng chạy trong 1 phút = 60/(32 * 0.002 * x)
Vậy nếu x = 10 -> v = 93.75 vòng/phút nếu x = 50 -> v = 18.75 vòng/phút
Kết quả trên chứng minh cho kết luận (1) và (2) ở trên.
Nguồn
- Để đảm bảo các thiết bị hoạt động đúng công suất thì áp của nguồn phải lớn hơn hoặc bằng áp lớn nhất trong các thiết bị sử dụng trong hệ thống và dóng điện cung cấp phải lớn hơn tổng dòng điện sử dụng của các dụng cụ Ta có:
Thiết bị Số lượng Dòng Điện áp
1 300mA 5V Đầu laser 1 50mA 12V Động cơ step 3 1,3A 12V
24mA-5A (vì arduino sử dụng nguồn từ máy tính)
- Ta cần 2 bộ nguồn 5V và 12V.
- Ta chọn adapter 12V 5A để thực hiện cấp nguồn cho hệ thống Thiết kế thêm mạch hạ áp từ 12V xuống 5V để cấp nguồn cho Driver.
- Ta dùng jack cắm để lấy nguồn 12V trực tiếp từ adapter, qua một công tắc để đề phòng
- Để cấp nguồn 5V cho các linh kiện hoạt động, ta dùng IC 7805 với các thông số như sau:
Dòng điện tối đa đầu ra: 1,5A.
Chức năng tắt ngắn mạch tức thì.
Chức năng tắt quá nhiệt tức thì.
- Dòng điện định mức của IC 7805 là 1,5A, có thể đáp ứng được dòng của 3 driver hoạt động, có 3 chân:
- Ta thiết kế mạch điện như sau:
Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp tối đa 35V xuống 5V với dòng đầu ra là 1,5A
Hình ảnh mạch điện đã làm thực tế
Các bước kiểm tra sau khi lắp mô hình
+Xác định động cơ bước trái và phải
Cảm biến GY-521 6DOF IMU MPU6050 là bộ phận quan trọng giúp xe giữ thăng bằng được xác định bởi trục x là trục theo chiều tiến của xe, trục y là trục dọc từ bánh xe này qua bánh xe kia Và để xe được cân bằng ta cần cân bằng xe theo trục y
Góc đo khi xoay quanh trục y cảm biến đo được khi xe hướng về trước thì góc dương
Khi xe cân bằng góc đo được xấp xỉ 0
Góc đo được âm khi xe ngửa ra sau Để kiểm tra động cơ bước trái và phải ta sử dụng lệnh
Speed_M3(40); // đổi dây sau cho động cơ bước làm cho xe di chuyển về phía
Speed_M3(40); // đổi dây sau cho động cơ bước làm cho xe di chuyển về phía trước (Bánh phải)
Với đầu vào là một sai số và sai số đó sẽ được xử lí qua 3 công thức trên và đầu ra là một thiết bị có thể đọc được sai số đó, sai số sẽ quay về vị trí ban đầu và tiếp tục quá trình cũ giúp sai số khi điều khiển sẽ giảm xuống.Với góc lệch là sai số, thì sai số sẽ nhân với hệ số K p cộng với sai số cộng dồn tích lũy K i và cộng cho độ lệch tức thời với bước n với n+1 nhân với hệ số K d và cứ theo vòng lặp thì xe sẽ trở về vị trí cân bằng, xe sẽ Vì thề PID cũng là bộ phận quan trọng giúp loại bỏ sai số khi xe di chuyển tới, lên hoặc xuống để giữ cân bằng.
Do khối lượng trước và sau không giống nhau nên trọng tâm của xe sẽ xảy ra sai số nên khi cân bằng xe không cân bằng đúng vị trí trục 0 mà sẽ bị lệch Khi đó ta sẽ sử dụng hàm Offset cho phần điều khiển cho input là tổng độ lệch đưa vào để đo góc lệch liên tục theo thời gian.
Khi độ lệch của xe so với trọng tâm càng lớn dẫn đến vận tốc bánh xe cũng phải lớn để xe có thể cân bằng trở lại.Nhưng dù vậy góc lệch và bánh xe không phải là một hàm tuyến tính, ta sẽ sử dụng hệ số vi tuyến M trong các trường hợp Ouptut lớn hoặc nhỏ hơn 0.
Sau cùng nhập các hệ số Kp = 15, Kd = 0, Ki = 1.1 để xe di chuyển và cân bằng