Báo cáo Đồ án Đề tài nghiên cứu robot hai bánh tự cân bằng sử dụng arduino

Chính vì vậy đây là một trong nhưng dự án cp rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống hiện nay và được sử dụng với nhiều mục đíchkhác nhau như: phục vụ nhu cầu giải trí ví dụ như hiện nay chún

Gi>ng viên hư1ng dAn

: VŨ TUẤN ANH, HOÀNG ĐỨC DỰ : Tự Động H7a K13

: CNKT Tự Động H7a : 2020 - 2024

: Đại h5c : THS PHẠM HỮU CHIẾN

Quảng Ninh, tháng 10, năm 2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

Gi>ng viên hư1ng dAn

: VŨ TUẤN ANH, HOÀNG ĐỨC DỰ : Tự Động H7a K13

: CNKT Tự Động H7a : 2020 - 2024

: Đại h5c : THS PHẠM HỮU CHIẾN

Quảng Ninh, tháng 10, năm 2023

BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Sinh viên thực hiện: Lớp:

Chuyên Ngành: Khoa:

Giảng viên hướng dẫn: Học hàm, học vị:

Đơn vị công tác:

NỘI DUNG NHẬN XÉT 1 Tính cấp thiết, ý nghĩ khoa học và thực tiễn của đề tài:

2 Bố cục và trình bày đồ án:

3 Kết quả đạt được:

4 Các vấn đề cần làm rõ hay bổ sung, chỉnh sửa (nếu có):

5 Ý kiến khác:

6 Kết luận chung:

7 Điểm đánh giá:

Quảng Ninh, ngày… tháng….năm 2023

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên )

3

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Độc lập-Tự do-Hạnh phúc

MỤC LỤC

Nhận xét của giảng viên 3

MỤC LỤC 5

DANH SÁCH HÌNH ẢNH 7

DANH SÁCH BẢNG 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 9

1.1 Tầm quan trọng của đề tài 9

1.1.1 Giới thiệu và lí do chọn đề tài 9

1.2 Xe hai bánh cân tự bằng và ứng dụng trong thực tiễn 10

1.2.1 Tại sao phải thiết kế xe hai bánh tự cân bằng 10

1.2.2 Ứng dụng trong thực tiễn 12

1.3 Mục tiêu 12

1.4 Giới hạn đề tài 13

1.5 Những đề tài liên quan 13

1.6 Phương pháp, phương tiên nghiên cứu 14

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

2.1 Nguyên lý cân bằng robot 15

2.1.1 Mô hình toán học xe hai bánh tự cân bằng 16

2.2 Bộ điều khiển PID 23

2.2.1 Khái niệm 23

2.2.2 Các phương pháp tìm thông số PID .24

5

2.3 Cảm biến gia tốc gpc nghiêng MPU-6050 25

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 27

3.1 Yêu cầu thiết kế 27

3.2 Thiết bị phần cứng 27

3.2.1 Danh sách thiết bị sử dụng 27

3.2.2 Sơ đồ kết nối phần cứng 29

3.4 Lưu đồ giải thuật 31

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC TẾ 33

4.1 Thiết kế bộ điều khiển PID và kiếm chứng trên Arduino IDE 33

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 37

5.1 Nhận xét 37

5.2 Kết quả 37

5.3 Hướng phát triển 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

PHỤ LỤC 39

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Xe hai bánh tự cân bằng thực tế 9

Hình 1.2:(a) Hình xe ba bánh khi xuống dốc (b) Hình xe ba bánh khi lên dốc 10

Hình 1.3: Xe hai bánh khi lên dốc và xuống dốc 10

Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của hệ xe cân bằng 14

Hình 2.2: Hình mô tả xe hai bánh tự cân bằng 15

Hình 2.3: (a) Xe hai bánh khi nhìn nghiêng (b) Xe hai bánh khi nhìn từ trên xuống 16

Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID 22

Hình 2.5: Cảm biến gpc nghiêng MPU6050 24

Hình 3.1: Sơ đồ kết nối phần cứng 27

Hình 3.2: (a) Tầng dưới của xe (b) Tầng trên của xe 28

Hình 3.3: (a) Xe khi nhìn nghiêng (b) Mặt trước của xe 28

Hình 3.4: Thuật toán chương trình chính 29

Hình 3.5: (a) Mặt sau của xe (b) Mặt trước của xe 29

Hình 3.6: Xe hai bánh khi nhìn nghiêng 30

Hình 4.1: Đáp ứng tín hiệu gpc nghiêng với thông số PID TH1 31

Hình 4.2: Đáp ứng gpc nghiêng với thông số bộ điều khiển PID TH2 32

Hình 4.3: Đáp ứng gpc nghiêng với thông số bộ điều khiển PID TH3 33

Hình 4.4: Đáp ứng gpc nghiêng với thông số bộ điều khiển PID TH4 34

7

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1: Ký hiệu và ý nghĩa của các đại lượng 17

Bảng 2.2: Bảng kết nối chân của cảm biến MPU6050 24

Bảng 3.1: Bảng thiết bị sử dụng 26

Bảng 3.2: Bảng chú thích chân và chức năng 27

Bảng 3.3: Bảng thông số mô hình 30

Bảng 4.1: Bảng thông số PID TH1 31

Bảng 4.2: Bảng thông số PID TH2 32

Bảng 4.3: Bảng thông số PID TH3 33

Bảng 4.4: Bảng thông số PID TH4 34

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 Tầm quan tr5ng của đề t4i

1.1.1 Gi1i thiệu v4 lí do ch5n đề t4i

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ hiện nay, song songvới sự phát triển đp chính là nhu cầu về vật chất, cuộc sống của con người ngày một tăngcao, con người luôn muốn đơn giản hpa các công việc hằng ngày nhưng vẫn mang lạinăng suất và độ chính xác gần tuyệt đối Và trong khoảng 20 năm trở lại đây con người

đã chế tạo robot với nhiều chức năng và được áp dụng vào các mục đích khác nhau.Hiện nay khi vào các nhà máy chúng ta không khp bắt gặp hình ảnh những robot làmthay các công việc của con người, không những vậy robot cp thể bắt trước cả hành động,suy nghĩ của con người và dần dần robot cp thể thay thế con người làm việc trong nhữngmôi trường nguy hiểm như các mỏ khoáng sản, các nhà máy hạt nhân và cp thể thay thếcon người đi đến những nơi như mặt trăng, sao hỏa

Với ý tưởng sử dụng robot để thay thế con người thì các dự án robot hai bánh cânbằng npi chung và xe hai bánh cân bằng npi riêng từ trước đến nay đã và đang là đề tàiđược nhiều nhà khoa học khai thác, phát triển Chính vì vậy đây là một trong nhưng dự

án cp rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống hiện nay và được sử dụng với nhiều mục đíchkhác nhau như: phục vụ nhu cầu giải trí ví dụ như hiện nay chúng ta cp sản phẩm xeđiện hai bánh cân bằng thường được giới trẻ sử dụng nhiều, hoặc ở các nước phát triển

xe hai bánh cân bằng cp thể thay thế cho xe đạp vì thiết kế nhỏ gọn giá trị sử dụng cao.Bởi vì mô hình toán học của xe hai bánh cân bằng được thiết kế dựa trên sự hoạt độngcủa mô hình con lắc ngược, chính vì vậy các nhà khoa học đã khai thác việc đp và ápdụng vào những mô hình mang tính ứng dụng cao hơn như việc điều chỉnh thăng bằngcho tên lửa trong quân sự và việc giữ thăng bằng cho máy bay cũng áp dụng từ mô hìnhtoán học này Chính vì những ưu điểm và tính ứng dụng thực tiễn cao của mô hình xe

9

hai bánh cân bằng, nên em quyết định lựa chọn đề tài này nhằm để tìm hiểu, khai thácthêm những ưu điểm, tìm ra những hạn chế để cải tiến và khắc phục.

Hình 1.1: Xe hai bánh tự cân bằng thực tế

1.2 Xe hai bánh cân tự bằng v4 ứng dụng trong thực tiễn

1.2.1 Tại sao ph>i thiết kế xe hai bánh tự cân bằng

Đối với các xe 3 bánh hay 4 bánh thông dụng, việc thăng bằng và ổn định của chúngnằm trong bề mặt chân đế do cái bánh xe tạo ra, nhưng với các loại xe hai bánh cp cấutrúc như xe đạp việc giữ thăng bằng khi không chuyển động là hoàn toàn không thể Vìviệc thăng bằng của xe dựa trên tính chất con quay hồi chuyển ở hai bánh xe khi đangquay Còn đối với xe hai bánh tự cân bằng được dựa trên mô hình toán học của con lắcngược, là loại xe chỉ cp 2 bánh với trục của 2 bánh xe trùng nhau, để cho xe cân bằng thìtrọng tâm của xe cần được giữ nằm ngay giữ các bánh xe, điều này giống như khi ta giữmột cây gậy thẳng đứng trong lòng bàn tay

Ngày trước những robot hầu hết được xây dựng với 3 bánh xe, với 2 bánh lái đượcráp đồng trục, và một bánh đuôi nhỏ Nhưng việc thiết kế xe 3 bánh này điều mang lạinhững nhược điểm cố hủ, chính vì được thiết kế 3 bánh mà trọng lượng của xe được chiađều cho các bánh xe lái và bánh đuôi Chính vì vậy np luông mang những nhược điểm

như: khi lên dốc thì trọng lượng của xe sẽ được dồn vào bánh sau (đuôi xe) làm chobánh lái mất khả năng bám và ngã như hình 1, còn khi xuống dốc toàn bộ trọng lượngcủa xe sẽ dồn vào phần đầu xe và cp thể làm xe bị lật úp như hình 2.

Hình 1.2:(a) Hình xe ba bánh khi xuống dốc (b) Hình xe ba bánh khi lên dốc

Nhưng ngược lại xe hai bánh đồng trục lại rất linh động trong việc giữ thăng bằng khi đitrên các dang địa hình phức tạp, mặc dù bản thân là một hệ thống không ổn định Chonên việc thiết kế và sử dụng xe hai bánh cân bằng cp thể phần nào khắc phục đượcnhững nhược điểm mà các thiết kế tiền nhiệm mắc phải

Hình 1.3: Xe hai bánh khi lên dốc và xuống dốc

11

1.2.2 Ứng dụng trong thực tiễn

Do việc sử dụng điện thay vì sử dụng các loại nhiên liệu khác như xăng, nên xe haibánh cân bằng phù hợp và thân thiện với môi trường, do thiết kế nhỏ gọn, đa năng, phùhợp để di chuyển trong các văn phòng, hoặc đi dạo Song song với đp vẫn tồn tại nhữngnhược điểm như giá thành khá mắc, xe chỉ phù hợp cho 1 người sử dụng, không đủnhanh và an toàn khi sử dụng ở các đường lớn Ngoài ra xe hai bánh còn được ứng dụngvào việc vận chuyển tự động trọng các tòa nhà, các phòng thí nghiệm, hay trong tìnhhình dịch bệnh như hiện nay, robot xe hai bánh còn co thể được cải tiến, kết hợp thêmcác robot camera, hay robot dò line nhằm mục đích hỗ trợ việc y tế và xét nghiện Covid

1.3 Mục tiêu

Nhpm thực hiện đề tài với mục tiêu chính là sử dụng giải thuật điều khiển PID để

mô hình xe hai bánh cp thể tự cân bằng ngay cả khi bị tác động bởi những yếu tố môitrường bên ngoài Ngoài ra còn những mục tiêu khác của đề tài đặt ra như sau:

 Tìm hiểu các mô hình xe 2 bánh tự cân bằng và các nguyên lý cơ bản củaviệc giữ thằng bằng cho xe

 Tính toán các thông số động lực học, xây dựng các hàm không gian- trạngthái (state-space) của mô hình

 Xây dựng thuật toán điều khiển động cơ duy trì trạng thái thăng bằng robot

 Nghiên cứu lý thuyết điều khiển giải thuật PID cho điểu khiển hệ xe tự cânbằng

 Thực hiện mô phỏng Matlab Simulink để kiểm nghiệm và đi tìm bộ trọng sốPID phù hợp, tối ưu cho hệ xe

 Thiết kế phần cứng hệ xe cân bằng trên Solidworks

 Thi công thực tế và thực hiện lập trình cho hệ xe cân bằng

 Lập trình tìm thông số PID bằng phương pháp thử sai trên Arduino IDE

1.4 Gi1i hạn đề t4i

 Robot 2 bánh tự cân bằng sử dụng giải thuật PID, một giải thuật chưa phải là tối

ưu nhất cho hệ xe 2 bánh nên sẽ gặp nhiều hạn chế như sau:

 Xe bị dao động nhiều khi cân bằng

 Không thể điều khiển xe đi tới, lui, rẻ trái, rẻ phải theo ý muốn

 Vẫn chưa mô phỏng bộ điều khiển PID cho hệ xe

 Thiết kế phần cứng cho xe chưa được tối ưu

 Chỉ sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển gpc nghiêng thân xe, do đp không thể điều khiển các gpc xoay cũng như vị trí của xe

1.5 Những đề t4i liên quan

Những đề tài sinh viên tìm hiểu đều nhắm đến đối tượng là xe hai bánh tự cân bằngdựa trên phương pháp điều khiển PID và kết hợp với các phương pháp điều khiển khác

để khắc phục những hạn chế của bộ điều khiển PID và nâng cao chất lượng của hệthống Ở đề tài [1], [2], [3] tác giả của bài báo đều dùng phương pháp điều khiển Fuzzycho hệ xe hai bánh tự cân bằng, cũng đang là đề tài mà sinh viên đang hướng đến Còn

đề tài [4], [5] tác giả của 2 bài báo này đã kết hợp thêm 2 phương pháp điều khiển PID,

và phương pháp tối ưu bầy đàn

Đề tài [1] tác giả đã giới thiệu về mô hình xe hai bánh tự cân bằng là loại robot cp haibánh quay song song giống như con lắc ngược truyền thống, cp tính chất không ổn định.Robot tự cân bằng là một hệ thống phức tạp cp đặc điểm là bậc cao hơn, không ổn định,

đa biến, phi tuyến và khớp nối mạnh Đề tài [2] tác giả cũng đã giới thiệu về các đặcđiểm của xe hai bánh cân bằng và đã chỉ ra được việc sử dụng phương pháp điều khiển

mờ cp thể thực hiện thành công khả năng tự điều khiển cân bằng của robot 2 bánh vàhạn chế robot bị mất cân bằng và rơi xuống, cp giá trị lý thuyết tốt hơn và giá trị nghiêncứu Đề tài [3] tác giả đã đề cập thêm hai phương pháp điều khiển khác là LQR và PID

và đã chỉ ra phương pháp điều khiển Fuzzy vượt trội hơn so với phương pháp PID, tác

13

giả đã chỉ ra nhưng khp khan của việc thiết kế bộ điều khiển Fuzzy là quá trình kéo dàicủa tham số hệ mờ, và việc điều chỉnh các tham số và giải thuật đều dựa trên kinhnghiệm, phép thử sai Do đp tác giả đã đề xuất thêm thuật toán di truyền (GeneticAlgorithm) để giảm thời gian điều chỉnh qua đp thu được kết quả điều khiển tốt hơn vàtối ưu hơn so với phương pháp điều khiển Fuzzy thông thường Đề tài [4] tác giải đãthiết kế bộ điều khiển mờ dựa trên phương pháp tối ưu bầy đàn (PSO) để khắc phụcnhưng hạn chế khi thiết kế dựa trên LQR, làm cho hệ thống hiệu quả hơn, qua mô phỏngtác giả cho thấy bất kể gpc nghiêng lớn đến đâu, trong mọi trường hợp, bộ điều khiển

mờ dựa trên PSO cp khả năng điều khiển tuyệt vời và duy trì sự ổn định của hệ thống

Đề tài [5] tác giả đã chỉ ra cho người đọc những ưu điểm vượt trội của robot xe 2 bánh

so với các loại xe robot 3 hay 4 bánh như trước Phân tích rõ những ưu nhược điểm vàhạn chế của các phương pháp điều khiển, qua đp đưa ra được nhứng phương pháp tối ưunhất Ở đây tác giả ứng dụng 2 phương pháp điều khiển đp chính là PID và logic mờ(Fuzzy) với hệ thống xe 2 bánh, và sử dụng phần mềm Matlab mô phỏng để tìm ranhững thông số PID Việc kết hợp 2 phương pháp điều khiển PID và Fuzzy mang lại rấtnhiều ưu điểm cho việc thiết kế Việc sử dụng, khai thác các ưu điểm Fuzzy đã giúp tácgiả khắc phục các tính chất không ổn định và phi tuyến của hệ thống Kết quả mô phỏngkết hợp giữ PID và Fuzzy cho thấy rằng lỗi của hệ thống được giảm khoảng 60%

1.6 Phương pháp, phương tiên nghiên cứu

 Phương pháp nghiên cứu: tham khảo các tài liệu, các bài báo được đăng trong cácdiễn đàn về đề tài xe hai bánh tự cân bằng, cũng như lý thuyết về bộ điều khiển PID

 Phương tiện nghiên cứu: Sử dụng các phầm mềm chuyên dụng cho ngành điều khiển tự động hpa như Matlab để mô phỏng cũng như thiết kế bộ điều khiển mờ hay solidworks để xây dựng mô hình

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Nguyên lý cân bằng robot

Một Robot cp khả năng tự giữ thăng bằng khi di chuyển trên hai bánh xe của np đượcgọi là robot hai bánh tự cân bằng Quá trình cân bằng là quá trình điều khiển hai động cơbánh xe sao cho đưa hệ xe về đúng vị trí cân bằng mà ta thiết lập, hay cp thể npi cáchkhác np duy trì trạng thái ổn định cho hệ thống Hai bánh xe là đối tượng điều khiểnchính giúp hệ xe chuyển động qua lại xung quanh ngưỡng cân bằng và ổn định

Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động của hệ xe cân bằng

Khi xe đứng thăng bằng thẳng đứng thì gpc nghiêng giữa thân xe và trục thẳng đứng(lực trong trường) ψ=0

Khi hệ xe cp xu hướng nghiêng về phía trước ψ > 0, nếu không cp điều khiển thì theoquán tính, hai bánh xe sẽ tự động di chuyển ngược về phía sau (phía ngược lại của thânrobot đang nghiêng) điều đp sẽ làm xe bị đổ Trong tình huống này, chúng ta sẽ điềukhiển làm sao cho 2 bánh xe chạy về phía trước (phía xe đang nghiêng) nhằm giảm gpclệch ψ = 0, xe sẽ thăng bằng trở lại

Tương tự như vậy, khi xe nghiêng về phía sau ψ < 0, nếu không cp điều khiển thì xe

sẽ di chuyển thẳng về phía trước (phía ngược lại của thân xe đang nghiêng) làm xe sẽ bị

15

đổ Vì vậy chúng ta sẽ điều khiển sao cho 2 bánh xe chạy về phía sau (phía xe đangnghiêng) nhằm giảm gpc lệch ψ = 0, xe sẽ thăng bằng trở lại.

Loại robot này đặt ra nhiều thử thách cho những người nghiên cứu trong điều kiệnlàm việc không ổn định đòi hỏi người thực hiện phải lựa chọn giải thuật và đưa ra cácthông số phù hợp Lý thuyết để duy trì sự ổn định này dựa trên lý thuyết điều khiển conlắc ngược là một đối tượng điều khiển phi tuyến tính kinh điển, mô hình xe cân bằngcũng dựa trên điều đp mà phát triển lên, cp nhiều điểm tương đồng giữa hai mô hìnhnhưng cả hai đều nhằm mục đích duy trì sự cân bằng và ổn định của hệ thống

Mục đích của nguyên lý con lắc ngược là giữ cho các bánh xe ở ngay dưới trọng tâmcủa khung gầm robot Khi khung xe cp xung hướng nghiêng về phía trước, hai bánh xe

sẽ tự động chuyển động về phía trước sao cho gpc nghiêng bằng không thì robot sẽ đượcduy trì sự cân bằng Mặt khác, nếu khung nghiêng về sau hai bánh xe sẽ di chuyểnngược về phía sau

2.1.1 Mô hình toán h5c xe hai bánh tự cân bằng

Sinh viên đã tham khảo 2 bài báo [4], [6] và đưa ra mô hình toán học của xe hai bánh tựcân bằng, sơ đồ và hệ của xe hai bánh được mô tả trong Hình 5 ,6 ,7 và định nghĩa các

ký hiệu được thiết kế trong Bảng 1

Hình 2.5: Hình mô tả xe hai bánh tự cân bằng

Hình 2.6: (a) Xe hai bánh khi nhìn nghiêng (b) Xe hai bánh khi nhìn từ trên xuống

Trong đề tài sẽ sử dụng các ký hiệu như sau:

D m Chiều ngang của robot

đến trục bánh xe

Hệ số ma sát giữ bánh xe và mặtphẳn di chuyển

Hệ số ma sát giữ robot và động

cơ DCkgm2 Monent quán tính động cơ DC

rad Gpc trung bình của bánh trái và

ánh phảirad Gpc của bánh trái và phảirad Gpc nghiêng của phần thân

robotrad Gpc xoay của robot

m Tọa độ bánh trái

m Tọa độ bánh phải

m Tọa độ trung bình

V Điện áp động cơ bánh trái, phải

Bảng 2.1: Ký hiệu và ý nghĩa của các đại lượng

Sử dụng phương pháp Euler-Lagrange để xây dựng mô hình động học Giả sử tại thờiđiểm t = 0, robot di chuyển theo chiều dương trục x, ta cp gpc tịnh tiến trung bình củahai bánh xe và gpc xoay của robot được xác đính như sau:

101\* MERGEFORMAT (.)Trong đp tọa độ trung bình của robot trong hệ qui chiếu:

202\* MERGEFORMAT (.)

Tọa độ bánh trái trong hệ qui chiếu:

19

404\* MERGEFORMAT (.)Tọa độ bánh trái trong hệ qui chiếu

505\* MERGEFORMAT (.)Tọa độ tâm đối xứng giữ 2 động cơ trong hệ qui chếu:

606\* MERGEFORMAT (.)Phương trình động năng của chuyển động tịnh tiến:

707\*MERGEFORMAT (.)

Phương trình động năng của chuyển động quay:

808\*MERGEFORMAT (.)

Với: 909\* MERGEFORMAT (.)

Là động năng của phần ứng động cơ trái và phải

Phương trình thế năng:

10010\* MERGEFORMAT (.)Phương trình Lagrange:

11011\* MERGEFORMAT (.)

12012\* MERGEFORMAT (.)

13013\* MERGEFORMAT (.)

14014\* MERGEFORMAT (.)Lấy đạo hàm L theo các biến ta được:

15015\*MERGEFORMAT (.)

16016\*MERGEFORMAT (.)

21

17017\*MERGEFORMAT (.)

Momen động lực do động cơ sinh ra:

18018\* MERGEFORMAT (.)

(.)

20020\* MERGEFORMAT(.)

21021\*MERGEFORMAT (.)

Sử dụng phương pháp PWM để điều khiển động cơ nên chuyển từ dòng điện sang điện

áp động cơ

22022\* MERGEFORMAT(.)

Xem điện cảm phần ứng tương đối nhỏ (gần bằng 0) cp thể bỏ qua, từ đp suy ra:

23023\* MERGEFORMAT (.)

Từ đp, các moment lực sinh ra:

24024\*MERGEFORMAT (.)

25025\* MERGEFORMAT(.)

27027\*MERGEFORMAT (.)

Thu được phương trình động lực học mô tả chuyển động robot như sau:

28028\*MERGEFORMAT (.)

29029\*MERGEFORMAT (.)

30030\*MERGEFORMAT (.)

23

2.2 Bộ điều khiển PID

2.2.1 Khái niệm

Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển hồi tiếp vòng kín được sử dụng rộng rãi trong các hệthống điện, các ngành công nghiệp tự động hpa cũng như điện tử Bộ điều khiển PIDđược kết hợp từ 3 bộ điều khiển: tỉ lệ, tích phân, vi phân, cp nghĩa là các tín hiệu sai sốxảy ra sẽ được giảm đến mức thấp nhất bởi ảnh hưởng của tác động tỉ lệ, ảnh hưởng củatác động tích phân, vi phân Mục đích sử dụng bộ điều khiển PID để làm giảm, triệt tiêusai số xác lập, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ lọt vố nếu thông số của bộ điều khiển đượclựa chọn một cách hợp lí

Hình 2.7: Sơ đồ khối hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID

Công thức bộ điều khiển PID trên miền laplace

31031\*MERGEFORMAT (.)

Trong đp:

: Độ lợi tỉ lệ

: Độ lợi tích phân

: Độ lợi vi phân

: Thời gian khâu tích phân

: Thời gian khâu vi phân

2.2.2 Các phương pháp tìm thông số PID

Phương pháp thử sai

Phương pháp thử sai được sử dụng dựa trên kinh nghiệm của người thiết kế

Phương pháp Ziegler-Nichols

Phương pháp Ziegler-Nichols là phương pháp thực nghiệm để thiết kế bộ điều khiển P,

PI, hoặc PID bằng cách dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển Bộ điều khiểnPID cần thiết kế cp hàm truyền:

32032\*MERGEFORMAT (.)

Phương pháp dùng phần mềm

 Dùng phần mềm để tự động chỉnh định các thông số bộ PID

 Dùng các giải thuật khác như GA, Fuzzy, noron để tìm các thông số PID

2.3 C>m biến gia tốc g7c nghiêng MPU-6050

Cảm biến đo gpc nghiêng là một module gồm hai cảm biến đp là:

- Accelerometer: cảm biến đo gia tốc của module (bao gồm cả gia tốc trọng lực), cp batrục xyz tương ứng với ba chiều không gian

- Gyroscope: cảm biến đo tốc độ quay của module quanh một trục, cp ba trục xyztương ứng với ba chiều không gian

25