Đồ án 2 Điều khiển tự Động Đề tài thiết kế hệ thống xe robot hai bánh tự cân bằng

Cùng với bộ điều khién PID cé thé dura dữ liệu lên trên máy tính giúp ta đễ đàng theo dõi đáp ứng của hệ thống từ đó điều chỉnh các thông số bộ điều khiển cho hệ thống hoạt động én định

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHAM KY THUAT TP HO CHI MINH

KHOA DIEN — ĐIỆN TỬ

BO MON TU DONG DIEU KHIEN

#A#

ĐỎ AN 2 DIEU KHIEN TU DONG

DE TAI: THIET KE HE THONG XE ROBOT HAI BANH TU CAN BANG

GVHD: Tran Manh Son

SVTH: Nguyén Tuan Kiét

MSSV: 20151388 Nguyén Thanh Hai MSSV: 20151358

Tp Hỗ Chí Minh, ngày 12 tháng I năm 2024

Phụ Lục CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU - 2 5 222211121112 1121182211 11121122121 11210211011 crda 1 1.1 Dat Van doce ccssecsssesstesessisstvissssssessissiississssissiissvssiestessussesssvseseseeseen 1

3.3.2 Lựa chọn cảm biến ST 1111115 01111111111111 11 11112111 1121111 ng HH te 14

3.3.3 Kết nối cảm biến với vi điều khiến 22-5 SH 1122121222 2121212221 tryg 15

3.3.4 Khối cơ cầu chấp hành 52-522 2 1E1112112111211211212121222222 121212 11 uyg 16 3.3.5 Giao tiếp vi điều khiến với cơ cầu chấp hành - 2 SE 2211221221121 e6 16

3.4 Sơ đỗ nổi dây của hệ thống 2S 2n 1 1211211221121 0121222122121 221022 21 se 17 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ PHẦN MÊM - 52 52 211 122112111211211221211122 212121 11a 18 4.1 Yêu cầu thiết kế - 6: 21 211211122112211221121121112112 121111222112 u 18 4.2 Lưu đồ giải thuật điều khiến 52 52 2 2 1012222212121 2 re 18

4.2.1 Xây dựng bộ ;;2187772TRER.E.EEEEEERRe 19 4.2.2 Xây dựng mô hình Matlab Šimulink c1: 211111111 111111101111 10101 101101111611 11 kg 20

4.3 Chương trình điều khiên 2 s2 921221122112112121121112212221211212122 2e 22

5.1 Kết quả s- 5s: 2222 1n 2112212212 12112122122 1 11221221 n1 122g nu 23

5.3 Hướng phát triển

TAI LIEU THAM KHẢO 2S S S 5121251221221 51n T2 2H22 re rse

chỉ thích hợp với các địa hình bằng phăng Mô hình xe 2 bánh căn bằng, đặc biệt là khi tích hợp

công nghệ hiện đại như Arduino, mô-đun điều khiển L298N và giải thuật PID, đang trở thành

một lĩnh vực nghiên cứu sôi động

Thách thức chính là giữ cho xe 2 bánh căn bằng duy trì được cân bằng tâm trọng Sự kết hợp giữa thành phản vật lý và các phần mềm thông minh trở thành chìa khóa để vượt qua thách thức này Giải pháp đáng chú ý là sử đụng Arduino và mô-đun điều khiển L298N, cùng với giải

thuật PID Arduino mang lại sự linh hoạt và khả năng lập trình, trong khi mô-đun điều khiến

L298N cung cấp khá năng điều khiển motor mạnh mẽ Cùng với bộ điều khién PID cé thé dura

dữ liệu lên trên máy tính giúp ta đễ đàng theo dõi đáp ứng của hệ thống từ đó điều chỉnh các

thông số bộ điều khiển cho hệ thống hoạt động én định nhất có thé

Mục tiêu của nghiên cứu này là xây dựng một mô hình xe 2 bánh căn bằng có khả năng tự cân

bằng và thử nghiệm hiệu suất của nó với giải thuật PID Nghiên cứu này hứa hẹn mang lại sự hiểu biết sâu sắc về cách kỹ thuật số và cơ học có thể hợp nhất, tạo ra những hệ thống đi chuyển

thông minh và linh hoạt Qua việc khám phá ứng dụng và tiềm năng của mô hình, chúng ta có thế mở ra những cơ hội mới trong lĩnh vực xe tự cân bằng và các ứng dụng tiềm năng trong cuộc sống hàng ngày và công nghiệp

1.2 Mục tiêu đề tài

Đề tài nhắm mục đích xây dựng và nghiên cứu một mô hỉnh xe 2 bánh căn bang thông minh, sử đụng Arduino và mô-đun điêu khiến L298N, kết hợp với giải thuật PID đề duy trì cần bằng Chúng tôi sẽ thiết kế một chiếc xe có khả năng tự cân bằng và đi chuyển một cách linh hoạt, khám phá tiểm năng ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực

Mô hình sẽ được xây dựng với cầu trúc vững chắc, sử dụng bánh xe và cảm biến gia tốc

để theo dõi tinh trạng cân bằng Arduino sẽ được tích hợp để điều khiển chức năng cơ bán của xe

và kết nếi với mô-đuụn L298N để điều khiển motor Đặc biệt, chúng tôi sẽ triển khai giải thuật

PID để tối ưu hóa khả năng ôn định và cân bằng của xe trong quá trình di chuyền

Các mục tiêu cụ thê bao gồm việc thử nghiệm và điều chỉnh tham số PID đề đạt được hiệu suất tối ưu, đồng thời đánh giá ứng dụng của mô hỉnh trong các lĩnh vực như giáo dục, nghiên cứu và công nghiệp Hy vọng rằng đề tài này sẽ giúp mở ra những triển vọng mới trong việc phát triển xe tự cân bằng và ứng dụng của chúng trong thực té

1.3 Ưu Điểm của Arduino , L298N ,cảm biến gia tốc MPU 6050

1 Arduino:

Linh Hoạt và Dễ Lập Trình: Arduino cung cấp một môi trường phát triển mạnh mẽ, dễ sử dụng và linh hoạt Sự linh hoạt này giúp dê đàng tích hợp các chức năng điêu khiến và thu thập

dữ liệu từ các thành phần khác nhau của mô hình

Cộng Đông Lớn và Tài Nguyên Đa Dạng: Sự hỗ trợ từ cộng đồng Arduino là một điểm mạnh, với nhiễu tài nguyên, thư viện, và mã nguồn mở sẵn có Điều này giúp nhanh chóng giải quyết van dé và tôi ưu hóa hiệu suất

Gia Tri Chi Phi: Arduino là một giải pháp chi phí hiệu quả, phù hợp cho các dự án phát triển và nghiên cứu

2 Mô-đun Điều Khiến L298N:

Khả Năng Điều Khiến Motor Mạnh Mẽ: L298N có khá năng điều khiển motor động cơ mạnh mẽ với dòng tải lớn Điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu sức mạnh và ổn định

Bảo Vệ Quá Tải và Quá Nhiệt: Mô-đun L298N thường đi kèm với các tính năng bảo vệ như quá tai và quá nhiệt, giúp bảo vệ thành phần và tăng độ bền của hệ thống

Dễ Kết Nói và Sử Dụng: Với giao điện đơn gián và để kết nối, L298N giúp giảm độ phức

tạp trong quá trình lắp đặt và sử dụng

3 Cảm Biến Gia Tốc MPU-6050:

Tích Hợp Nhiều Cảm Biến: MPU-6050 tích hợp cảm biến gia tốc và cảm biến gia tốc góc, cung cấp thông tin chỉ tiết về tư thế và chuyển động của xe

Độ Chính Xác Cao: Với độ chính xác cao, MPU-6050 giúp đảm bảo việc thu thập dữ liệu với độ chính xác cần thiết để duy trì cân bằng tốt

Kết Nói Dễ Dàng: Giao tiếp thông qua giao điện 12C giúp việc kết nối và tích hợp với

Arduino trở nên thuận tiện

Chương 2 Cơ sở lý thuyết GVHD: Tran Manh Son

CHUONG 2 CO SO LY THUYET 2.1 Một số dạng xe hai bánh tự cân bằng trong nước và trên thế giới

Hình 1 nBot: 27 thang 1 nam 2003

nBot được xây dựng lại hoàn toàn thành Phiên bản 6.0 sau thảm họa chảy LIPo năm 2012

Cập nhật: ngày 14 tháng 6 năm 2012: nBot cuối cùng cũng có một số cảm biến tránh né và điều hướng, hai cám biến sonar siêu âm PING và năm máy dò khoáng cách SHARP IR, ngoài

MicroStrain FAS-G IMU Đây là video nBot thực hiện theo dõi chu vi (72M mpeg) 6 tang ham

của tòa nhà nơi tôi làm việc

nBot đo David P Anderson sáng chế Ý tưởng cơ bản về robot cân bằng động hai bánh khá đơn giản: lái các bánh xe theo hướng mà phần trên của robot đang rơi xuống Nếu các bánh xe có thế được dẫn động theo cách năm đưới trọng tâm của robot thì robot vẫn giữ được thăng bằng Trong thực tế, điều này đòi hỏi hai cảm biến phán hồi: cảm biến nghiêng hoặc góc để đo độ

nghiêng của rô-bốt liên quan đến trọng lực và bộ mã hóa bánh xe để đo vị trí đế của rô-bốt Bến

số hạng là đủ dé xác định chuyên động và vị trí của “con lắc ngược” này và từ đó cân bằng robot

Đây là 1) góc nghiêng và 2) đạo hàm bậc nhất của nó, vận tốc góc, và 3) vị trí bệ và 4) đạo hàm

bậc nhất của nó, vận tốc bệ Bốn phép đo này được tổng hợp và đưa trở lại bệ dưới dạng điện áp động cơ, tỷ lệ với mô-men xoắn, để cân bằng và điều khiển rô-bết

2.1.2 Robot EquipoiseBot

EquipoiseBot sử dụng hai cảm biến là cám biến gia tốc và cảm biến con quay héi chuyển Góc nghiêng của robot được tính toán từ hai giá trị khác nhau Một từ cảm biến gia tốc bằng cách sử dụng thuật toán Tangens-Funktion và một từ cảm biến con quay hồi chuyển sử dụng phương pháp tích phân Hai giá trị này được kết hợp trong một bộ lóc để cho ra một giá trị mới

va được sử dung cho đầu vào bộ PID để điều khiển dong cơ,g1ữ cho robot cân băng

Chương 2 Cơ sở lý thuyết GVHD: Tran Manh Son

2.1.3 BaliBot

Balibot là một robot hai bánh tự cân bằng, là một trong các mẫu đầu tiên về robot hai

bánh có trọng tâm phía trên các bánh xe Không có hệ thống điều khiến hoạt động robot sẽ ngã Khi robot có nhận biết hướng sắp ngã các bánh xe sẽ đi chuyến về phía ngã và thắng góc với

chính nó

Hình 3 Balibot va cac tang mach

Balibot có các cám biến góc nghiêng của robot, gia tốc kế Motorola MMA2260 được sử

dụng thiết bị có cấu trúc MEMS

PIC16F876 của hãng Microchip được chọn làm trung tâm điều khiến cho robot PIC tích hợp một bộ biến đổi A/D nhiều kênh để đo cảm biến góc nghiêng và các ngõ I/O để kiểm soát servo được mô tả cho sự quay vòng tiếp theo Điện được cung cấp băng bốn cục pin AA và được

ôn áp đropout Nguồn điện 6V không qua ôn áp được phân phối đến động cơ servo qua tụ điện 3300uF qua bù năng lượng cho vi mạch điều khiến khi công suất ngõ ra từ các servo được hoạt động Mạch điện tử được xây dựng trên bảng project board Radio Shack RS 276-150 và lắp ráp

phía trên các motor servo, trên khung bằng nhôm Nguồn điện được đặt gần đỉnh và hoạt động

như trọng lượng của con lắc ngược

2.2 Bộ diéu khién PID

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

nhất định (đạt cực trị) Trạng thái tối ưu có đạt được và duy trì hay không tùy thuộc vào vào yêu

cầu chất lượng đặt ra, các tác động lên đối tượng và điều kiện làm việc của đối tượng Một trong

những bộ điều khiến giúp đối tượng có thể hoạt động tôi ưu theo ý muốn của người sử dụng là

bộ điều khiển PID

Ta có sơ đồ bộ điều khiển PID như sau:

Hình 4 Sơ đồ bộ điều khién PID

Đề thiết kế bộ điều khiển PID ta phái thiết bộ điều khiến hỏi tiếp âm để được giá trị sai số

giữa ngõ ra với giá trị đặt sau đó đưa vào bộ điều khiển PID Từ bộ PID sẽ cấp điện áp để điều khiển 2 động cơ sao cho hệ thống dat vi tri can bang

2.3 M6 hinh va cac ky hiéu

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

Chương 2 Cơ sở lý thuyết GVHD: Tran Mạnh Sơn

Hình 5 Mô hình xe hai bánh tự cân bằng

Một số ký hiệu đặc trưng cho xe hai bánh tự cân bằng:

Hệ số ma sát

Hệ số moment

Hệ số Back emf của động cơ

Gia tốc góc của động cơ

Điện áp cấp cho động cơ

Điện áp phần ứng

Dòng điện phần ứng

Moment quán tính của động cơ

Moment cua động cơ

Moment quan tinh cua bánh xe

Moment quan tinh cua than xe

H/L,HạP\4,Pg Lực tác động giữa bánh xe va than robot

1 Khoảng cách từ tâm bánh xe đến tâm trọng trường của

Hình 5 Phân tích lực tác động lên hai bánh xe

- Ap dung dinh luat Newton tính được tông lực tác động lên bánh xe theo phương ngang

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

- Tw phuong trinh dong hoc cua dong co DC, ta cd moment cua động cơ

=] da Tự— Ry, tT,

- Vi chuyén động tuyến tính tác dụng lực lên trục động cơ, vận tốc góc có thể chuyển thành

vận tốc tuyến tính theo phương trình sau:

M x= Ayomy — iw A

wR Rr op Rr? H,

k I mse X m w X M,x= —+—V_ —-—-—-H

Chương 2 Cơ sở lý thuyết GVHD: Tran Manh Son

(H,+Hp)cos8,+(P,+P„) sin 8,— M, gsin0,— M,LB,=M,#cos8,„ (14)

- Tổng moment tac động lên trọng tâm của thân xe:

5›M,=la

Chương 2 Cơ sở lý thuyết GVHD: Tran Manh Son

CHUONG 3 THIET KE PHAN CUNG

3.1 Yéu cau thiét ké

Yêu câu thiết kế đối với robot xe hai bánh tự cân bang:

- Nhỏ gọn, linh hoạt, thân thiện với môi trường

- _ Không ô nhiễm, sử dụng bộ nguôn là Pin, có thể sạc điện

-._ Sử dụng không gian hiệu quả, đa năng (sử dụng ở mọi ngóc ngách)

- Dé điều khiển, chiếm ít diện tích, hoàn thành có thế trở thành một phương tiện vận

chuyến và tham gia giao thông

- Xây dựng được một phương tiện vận chuyên mới trong khu vực chật hẹp có thể đi chuyến ngay trong các chung cư tòa nhà cao tang, dùng trợ giúp di chuyển cho người già

và trẻ em

- Lam phương tiện vận chuyên hàng hoá đến những nơi đã được lập trình sẵn ở trong các tòa nhà, phòng làm việc, những không gian chật hẹp, khó xoay trở

Với khả năng tự cân bằng trên 2 bánh, loại robot này đang được cải tiến và chế tạo thành

phương tiện giao thông trong tương lai Việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình robot tự cân bằng nhằm hướng tới phát triển các phương pháp điều khiến hiện đại để nâng cao chất lượng điều khiến cho robot và ứng dụng robot vào sản xuất và đời sống là cần thiết và có ý

nghĩa thực tiên

Hình 3 Sơ đồ khối của hệ thống

®© Khối xử lí: là khối xử lí của cá hệ thống, là nơi dé người đùng nạp chương trình từ

máy tính vào để điều khiến hệ thống và xuất các tín hiệu điều khiến đến các khối chức năng khác

® - Khối nguồn: là khối cấp nguồn cho hệ thống hoạt động

® Khối cám biến: có chức năng đọc các giá trị như góc quay, gia tốc hướng đề đưa tín

GVHD: Trần Mạnh Sơn

3.3 Thiết kế hệ thống

3.3.1 Chọn vi điền khiến

Arduino board co rat nhiều phiên bản với hiệu năng và mục đích sử dụng khác nhau như:

Arduino Mega, Arduino Nano, Arduino LilyPad, Arduino Micro, Arduino Pro Trong số đó,

Arduino Uno R3 là một trong những phiên bản được sử dụng rộng rãi nhất bởi chỉ phí và tính

linh động của nó Hệ thống sẽ su dung Arduino Uno R3 lam vi diéu khién vi day la loai board

don gian va gia thanh kha ré so voi cac loai board khac

Hinh 4 Arduino UNO R3

Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3:

- Vị điều khiển: Atmega328P

- - Diện áp hoạt động: 5V

- _ Diện áp vào khuyên dùng: 7-I12V

- _ Diện áp vào giới hạn: 6-20V

- Digital I/O pin: 14 (trong do 6 pin cé kha năng băm xung)

- PWM Digital I/O Pins: 6

- Analog Input Pins: 6

- _ Cường độ đòng điện trên mỗi l/O pin: 20mA

- _ Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin: 50mA

- Flash Memory: 32 KB (ATmega328P) 0.5 KB duge str dung bởi bootloader

Hệ thống sử dụng cảm biến để đo các trục góc quay và gia tốc hướng Trên thị trường thì

có các loại cảm biến đo góc quay và gia tốc hướng: cám biến Accelerometer 3 Truc

ADXL345, cam biến Accelerometer 3 Truc MMA8452, cam biến góc nghiêng SW520, cảm

biến GY-521 6DOF IMU MPU6050, cảm biến GY-61 Analog Accelerometer ADXL335,

Đối với hệ thống của robot xe hai bánh tự cân bằng thì cảm biến GY-521 6DOF IMU