Nghiên cứu Thiết kế và chế tạo mô hình xe hai bánh tự cân bằng

1.2 Giới hạn của đề tài Trọng tâm của đề tài là xây dựng giải thuật điều khiển xe di chuyển cân bằng dựa trên thuật toán PID.. 1.3 Phương pháp tiếp cận đề tài Đề tài được tiếp cận dựa t

1.2 Giới hạn của đề tài

Trọng tâm của đề tài là xây dựng giải thuật điều khiển xe di chuyển cân bằng dựa trên thuật toán PID Xe được thiết kế chủ yếu để di chuyển trên địa hình phẳng, không gồ ghề, mặt đường có độ dốc nhỏ hơn 15o Tải trọng được thiết kế phù hợp với thể trạng của người Việt Nam không vượt quá 120 kg

1.3 Phương pháp tiếp cận đề tài

Đề tài được tiếp cận dựa trên những phương pháp sau:

 Phương pháp khảo sát tài liệu, tìm hểu các tài liệu liên quan đến đề tài như

kỹ thuật lập trình vi điều khiển, thuật toán điều khiển PID, bộ lọc Kalman, robot và

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

1.4.1.1 Xe Segway

Xe hai bánh tự cân bằng được phát triển dựa trên nền tảng robot hai bánh nBot của tác giả David P Anderson và iBot của Dean Kamen Trong rất nhiều tác giả thành công trong việc chế tạo xe hai bánh thì hãng Segway ở bang New Hampshire, Hoa Kỳ phát triển mạnh nhất Segway PT (viết tắt của Segway Personal Transporter – Xe cá nhân Sagway) “Segway” theo tiếng Ý có nghĩa là “di chuyển nhẹ nhàng” Hiện nay loại xe này được bán rộng rãi trên toàn thế giới Ở các nước phát triển xe Segway đã trở nên khá thông dụng và gần gũi với mọi người Ở Mỹ xe còn được trang bị cho lực lượng cảnh sát và quân đội

Không giống như một chiếc xe hơi, Segway chỉ có hai bánh trông giống như một chiếc xe đẩy bằng tay thông thường Để di chuyển đến trước hay lùi ra sau, người điều khiển đứng trên Segway chỉ việc hơi nghiêng về phía trước hay phía sau

Để rẽ trái hay phải, người điều khiển có thể gạt cần điều khiển sang hướng mình mong muốn [4]

Thông số kỹ thuật của xe:

Hình 1.1 Xe Segway

 Tốc độ cao nhất: 12,5 dặm/giờ (20 km/giờ) Gấp bốn lần tốc độ đi bộ bình thường

 Trọng lượng không tải: 80 lbs (36 kg)

 Chiều rộng: không gian bao phủ trên mặt đất của Segway là 19 – 25 inch (48 – 63,5 cm) Segway có chiều rộng gần bằng kích thước của một người trung bình, nên xe không mất nhiều diện tích trên đường

 Bàn đạp dài 8 inch (20 cm)

 Tải trọng: người điều khiển nặng 250 pound (110kg) và hàng hóa nặng

75 pound (34kg)

 Phạm vi: di chuyển khoảng 17 dặm (28 km) với một lần sạc

 Giao diện hiển chế độ hoạt động: Segway có màn hình LCD cung cấp thông tin về năng lượng, thông báo chế độ hoạt động và tình trạng lỗi nếu xe có sự cố

 Ở Việt Nam xe Segway được bán với giá khoảng 6000 USD

1.4.1.2 Balancing scooter

Xe scooter được Trevor Blackwell chế tạo ra dựa trên những nguyên lý cơ bản như xe Segway Xe scooter tự cân bằng này được chế tạo từ động cơ xe lăn và pin dùng cho xe mô hình Các bộ phận được chế tạo theo module có giá thành thấp hơn phân nửa xe của hãng Segway Xe không cần phần mềm thực thi cao cấp hay phức tạp Phiên bản đầu tiên được viết bằng ngôn ngữ Python

Hình 1.2 Tác giả Trevor Blackwell và xe scooter

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Chế tạo xe hai bánh tự cân bằng là một đề tài rất hấp dẫn và lôi cuốn nhiều kỹ

sư những người đam mê khoa học, công nghệ Tại Việt Nam cũng có nhiều tác giả thực hiện đề tài đề tài này như luận văn thạc sĩ robot hai bánh tự cân bằng của tác giả Nguyễn Gia Minh Thảo, Dương Hoài Nghĩa, Nguyễn Hữu Phúc trường đại học Bách Khoa Tp.HCM (10/2010) Đề tài này đã thực hiện thành công việc mô phỏng

và thực nghiệm robot hai bánh tự cân bằng với bộ điều khiển Backstepping có đáp ứng nhanh, khả năng giữ thăng bằng tốt và khả năng ổn định trước tác động của nhiễu loạn

Hình 1.3 Robot hai bánh tự cân bằng của Nguyễn Gia Minh Thảo

Đề tài robot hai bánh tự cân bằng của tác giả Trà Ti Na và Nguyễn Tấn Hậu trường đại học Lạc Hồng (11/2013)

Phương pháp nghiên cứu của nhóm tác giả:

 Phương pháp khảo sát tài liệu, tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đến đề tài như cấu trúc robot hai bánh tự cân bằng, cảm biến IMU, mạch điều khiển động cơ

 Phương pháp khảo sát các thuật toán lọc nhiễu cho cảm biến IMU như

bộ lọc Kalman, bộ lọc Complimentary và thuật toán điều khiển PID

 Phương pháp thực nghiệm tiến hành xây dựng các thuật toán trên mô hình robot hai bánh thực tế

Kết quả đã đạt được:

 Thiết kế thành công mô hình Robot

 Hoàn thành hệ thống board mạch điện cho Robot

 Tiến hành thực nghiệm tự cân bằng tốt trên mô hình Robot hoàn chỉnh Hạn chế của đề tài:

 Robot chưa di chuyển được.[Đề tài tốt nghiệp Trà Ti Na và Nguyễn Tấn Hậu]

Hình 1.4 Robot hai bánh tự cân bằng của Trà Ti Na & Nguyễn Tấn Hậu

Dựa trên nền tảng của Robot hai bánh tự cân bằng nhiều tác giả đã phát triển thành mô hình xe hai bánh tự cân bằng Một số đề tài đã thực hiện thành công như

xe hai bánh tự cân bằng di chuyển trên địa hình phẳng của tác giả Mai Tuấn Đạt sinh viên trường đại học Bách Khoa Tp.HCM (2005)

Hình 1.5 Xe hai bánh tự cân bằng của Mai Tuấn Đạt

Về lý thuyết tác giả đã tiếp cận từ mô hình tương đương – mô hình con lắc ngược đến mô hình thật của xe hai bánh tự cân bằng Mô phỏng mô hình bằng VN Nastran và MatLAB cho xe tự cân bằng trên hai bánh Tiếp cận mô hình thực tế,

thiết kế khung sườn board mạch điện và lập trình vi điều khiển

Những kết quả đã đạt được của tác giả:

 Thiết kế hoàn chỉnh mô hình xe

 Thiết lập mô hình trạng thái và xây dựng thuật toán cho xe

 Xây dựng mô hình mô phỏng bằng Visual Nastran và

MatLAB-Simulink

 Hoàn thành hệ thống mạch điện hoàn chỉnh cho xe hoạt động, vận

hành tốt

 Thiết lập moldule lọc Kalman cho cảm biến đo góc

 Mô hình hoàn chỉnh có thể di chuyển trên địa hình phẳng, đường đi

thẳng và có thể quẹo với góc rất nhỏ

Những mặt giới hạn của đề tài vẫn còn chưa hoàn thiện được:

 Không thiết kế được mạch MOSFET đủ lớn để xe có thề di chuyển nhanh và những bề mặt có độ dốc lớn

 Việc quẹo trái phải của xe chưa tốt còn rất hạn chế làm xe chưa thể lưu thông tốt trên đường

 Khối lượng xe nặng hơn dự kiến cần phải giảm bớt

 Chưa thiết kế cấu trúc khép kín cho xe, nên xe không thể vận hành được khi trời mưa hoặc vượt qua những vũng nước trên đường

Đề tài của tác giả Phan Ngọc Anh Tùng sinh viên trường đại học Bách Khoa Tp.HCM (2011)

Với phương pháp khảo sát tìm hiểu kỹ về kết cấu cơ khí, tham khảo tài liệu

có liên quan và xác định nhiệm vụ trọng tâm của đề tài là phải nghiên cứu bộ lọc thích nghi Kalman (kết hợp tín hiệu từ cảm biến gyro và accelerometer để tính toán chính xác góc nghiêng) và xây dựng được thuật toán điều khiển giữ xe cân bằng

Điểm nổi của đề tài gặt hái được những thành công bước đầu về điều khiển cân bằng và xe có thể di chuyển được Ngoài ra chiếc xe có thiết kế khá bắt mắt, có thể

di chuyển với một vận tốc ổn định

Hình 1.6 Xe hai bánh tự cân bằng của Phan Ngọc Anh Tùng

1.5 Nội dung đề tài

Nội dung phần còn lại của đề tài gồm các chương như sau:

Chương 2: Mô hình cơ khí và hệ thống mạch điện

Thiết kế cơ khí bao gồm các bộ phận cấu thành xe như khung xe, cần điều khiển, hộp giảm tốc và bánh xe Kiểu dáng thể thao thuận tiện cho người điều khiển

Mạch điện bao gồm mạch nguồn động lực điều khiển động cơ, board điều khiển chính dùng là Arduino Due được trang bị lõi ARM Hai board cầu H điều khiển hai động cơ Cảm biến IMU dùng để đo góc nghiêng của

xe

Chương 3: Xây dựng thuật toán điều khiển

Nội dung chương 3 trình bày: Xây dựng thuật toán điều khiển chính xác, linh hoạt phù hợp với mô hình hệ thống Bộ lọc Kalman dùng để tách

lấy những thông số mà cảm biến IMU trả về cung cấp cho vi điều khiển chính xử lý Thuật toán PID giúp điều khiển động cơ

Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Chương 4 trình bày những kết quả thực nghiệm độ chính xác của cảm biến khi sử dụng bộ lọc Kalman, kết quả đạt được của thuật toán PID áp dụng trên xe hai bánh tự cân bằng và kết quả cuối cùng trên mô hình xe thực tế

Chương 5: Kết luận

Chương 5 trình bày tóm tắt những kết quả đạt được của đề tài và hướng phát triển của đề tài trong tương lai, chỉ ra hướng khắc phục những giới hạn mà đề tài còn mắc phải nhằm hoàn thiện đề tài tốt hơn

Khớp xoay gồm hai gối đỡ loại (UCP304) dùng để cố định cần điều khiển vào sườn xe, gối đỡ có ổ bi giúp cần điều khiển có thể xoay trái, xoay phải một cách linh hoạt đồng thời khóa hai hướng tới, lùi của cần lại để khi nghiêng cần về phía trước hoặc ra phía sau thì sườn xe cũng nghiêng theo phục vụ cho việc điều khiển di chuyển của xe

Hình 2.4 Khớp xoay và gối đỡ của cần điều khiển

Để cần điều khiển luôn ở vị trí thẳng đứng hoặc tự trả về vị trí thẳng đứng hai

lò xo kéo được gắn hai bên cần điều khiển, độ căng của lò xo phải vừa đủ để khi gạt sang hai bên thì cần gạt luôn trả về vị trí ban đầu

Tín hiệu điều khiển được truyền về mạch điều khiển thông qua biến trở Khi người điều khiển nghiêng cần sang trái hoặc sang phải thì sẽ tác động làm xoay biến trở Giá trị điện áp của biến trở được đưa vào bộ ADC đã được tích hợp sẵn bên trong vi điều khiển

Hình 2.5 Biến trở dùng để điều khiển chuyển hướng của xe

2.1.3 Hộp giảm tốc

Lựa chọn hộp giảm tốc phải phù hợp với tốc độ động cơ để có thể đạt được tốc

độ di chuyển mong muốn của xe

Tính toán lựa chọn tỷ số truyền của bộ giảm tốc:

Chọn chu vi bánh xe vận tốc di chuyển mong muốn của xe (km/h) Vận tốc quay của bánh xe được tính theo công thức sau:

( ) (1)

: tốc độ quay bánh xe

Chọn tốc độ động cơ =2600 (vòng/phút)

Do tốc độ quay của bánh xe nhỏ hơn tốc độ quay của động cơ, đồng thời để tạo ra mô men bộ giảm tốc được sử dụng với tỷ số truyền (T) được tính theo công thức (x.x):

Hộp giảm tốc TSUBAKI (TM16E10-1-1) có tỉ số truyền 1:10 được sử dụng cho cơ cấu truyền động của xe Loại hộp giảm tốc này được dùng phổ biến trong cộng nghiệp có độ bền rất cao, thuận lợi cho việc sửa chửa và thay thế, phù hợp với yêu cầu thiết kế xe

Hình 2.6 Hộp giảm tốc

2.1.4 Bánh xe

Bánh xe được chọn với yêu cầu về khả năng chịu tải khoảng 120 kg bao gồm phần tải trọng của xe và người điều khiển Loại bánh xe 100/90/10 được sử dụng cho thiết kế xe hai bánh tự cân bằng, đây là loại bánh mâm chuyên dùng cho xe máy với thông số kích thước như sau: 100 là bề rộng của lốp xe được tính bằng mm, 90

là độ cao tính từ vành mâm đến đỉnh của lốp xe nơi tiếp xúc với mặt đường bằng 90% bề rộng của lốp xe, 10 là đường kính của mâm được tính theo đơn vị inch, chu

vi bánh xe 1,362 m

Hình 2.7 Bánh xe

Mạch điều khiền động cơ

M ADC

PWM

Hình 2.8 Sơ đồ khối của mô hình xe

2.2.2 Mạch điều khiển động cơ

Mạch điều khiển động cơ sử dụng board cầu H với IC kích FET chuyên dụng IR2184 được điều khiển bằng vi điều khiển DsPIC4012 Board có thể hoạt động tốt trong môi trường công nghiệp với dòng điện làm việc ổn định 20 A (sơ đồ nguyên

lý trình bày ở phần phụ lục 2)

Hình 2.9 Board điều khiển động cơ

Thông số kỹ thuật của board:

 Dòng làm việc ổn định: 20 A

 Dòng đỉnh: 50 A

 Điện áp cấp từ 24-36 V

 Có Led báo chiều động cơ

 Có Led báo nguồn

 Bảo vệ ngắn mạch, quá tải

 Kích thước 7x5 cm

 Dùng IC kích FET IR2184 chuyên dụng

 IC điều khiển DsPIC4012

 Có khả trả về giá trị Encoder

2.2.3 Cảm biến IMU

IMU (Inertial Measurement Unit) là một thiết bị được tích hợp giữa hai cảm biến Accelerometer (cảm biến gia tốc) và cảm biến Gyroscope (cảm biến con quay hồi chuyển) có chức năng cung cấp thông tin về góc quay và độ nghiêng giúp cho việc giữ thăng bằng của hệ thống tự động như robot vượt địa hình, robot tự cân bằng, xe tự cân bằng, máy bay…

Cảm biến IMU sử dụng IC tích hợp MPU 6050 bao gồm một cảm biến gia tốc và một cảm biến con quay hồi chuyển dạng cảm biến vi cơ điện tử (MEMS) Cấu tạo phần cứng bên trong gồm có bộ chuyển đổi ADC 16 bit cho mỗi kênh với

độ chính xác cao do đó dữ liệu đo thu được từ ba trục x, y và z không bị trễ về mặt thời gian

Hình 2.10 Sơ đồ kết nối MPU 6050 với board Arduino

2.2.4 Mạch điều khiển trung tâm

Mạch điều khiển chính của xe sử dụng board Arduino Due với chip vi điều khiển SAM3X8E ARM Cortex-M3 CPU của hãng Atmel Đây là mạch Arduino đầu tiên dựa trên bộ vi điều khiển lõi ARM 32-bit Mạch Arduino Due có 54 ngõ vào/ngõ ra là tín hiệu số (trong đó có 12 chân có thể xuất tín hiệu PWM), 12 chân ngõ vào analog và 2 chân ngõ ra DAC, xung nhịp 84 MHz, một cổng kết nối USB OTG, jack nguồn, nút nhấn reset CPU và các cổng giao tiếp đa dạng như 4 UART, SPI, TWI ( ) và JTAG

Hình 2.11 Board Arduino Due

Bảng tóm tắt tính năng, thông số cần quan tâm của board

Input Voltage (recommended) 7-12V

Digital I/O Pins 54 (of which 12 provide PWM output)

Total DC Output Current on all 130 mA

DC Current for 3.3V Pin 800 mA

DC Current for 5V Pin 800 mA

Flash Memory 512 KB all available for the user applications

Bảng 2.1 Các đặc tính và thông số kỹ thuật board Arduino Due

2.2.5 Động Cơ

Tính toán công suất của động cơ:

Đặt:

: trong lượng của người điều khiển (80 kg)

: trọng lượng của xe (40 kg)

: bán kính bánh xe (0,217 m)

: lực cản chuyển động

: gia tốc trọng trường (9,81)

: hệ số ma sát trượt (8.10-4)

: bán kính ổ trục bánh xe (0,004 m)

: hệ số ma sát lăn (5.10-4

)

: hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường (1,3)

Lực cản chuyển động được tính theo công thức (3):

(3)

I: tỷ số truyền của động cơ (1/10)

: hiệu suất động cơ (90%)

M: mô men để thắng lực cản truyền động

: vận tốc mong muốn 20 km/h

: công suất động cơ di chuyển khi có tải

Như vậy phải chọn loại động cơ có công suất > 79 (W)

Động cơ sử dụng trong mô hình là hai động cơ DC servo SANYODENKI, bốn chổi than Động cơ có tốc độ quay không tải là 2600 vòng/phút, công suất 170W, điện áp 32V, dòng điện định mức 7.9A, encoder nội 250 xung/vòng Động cơ được lựa chọn với những thông số về công suất và tốc độ như trên nhằm mục đích giúp

xe có thể đạt được mục tiêu về tốc độ di chuyển là 15km/h và tải trọng là 120kg

Hình 2.12 Động cơ DC

2.2.6 Nguồn điện

Nguồn điện cung cấp cho toàn bộ hệ thống board mạch và động cơ bao gồm

ba bình ắc quy khô 12V-14Ah Ba ắc quy được mắc nối tiếp tạo thành nguồn điện 36V để cấp nguồn cho động cơ hoạt động, đồng thời làm nguồn nuôi cho board điều khiển chính và cả hệ thống điện Đây là loại ắc quy được sử dụng cho xe đạp điện nên được bán rộng rãi trên thị trường, thuận tiện cho việc sửa chữa hoặc thay thế

Hình 2.13 Bình ắc quy

Hình 2.15 Mạng I 2 C với nhiều thiết bị và 2 điện trở kéo lên cho SDA, SCL

Một số khái niệm và đặc điểm của I2C

 Master:là chip khởi động quá trình truyền nhận, máy chủ phát đi địa chỉ của thiết bị cần giao tiếp và tạo xung giữ nhịp trên đường SCL

 Slave: là chip có một địa chỉ cố định, được gọi bởi Master và phục vụ yêu cầu từ Master

 SDA- Serial Data: là đường dữ liệu nối tiếp, tất cả các thông tin về địa chỉ hay dữ liệu đều được truyền trên đường này theo thứ tự từng bit một

 SCL –Serial Clock: là đường giữ nhịp nối tiếp I2C là chuần truyền thông nối tiếp đồng bộ, cần có 1 đường tạo xung giữ nhịp cho quá trình truyền/nhận, cứ mỗi xung trên đường giữ nhịp SCL, một bit dữ liệu trên đường SDA sẽ được lấy mẫu (sample) Dữ liệu nối tiếp trên đường SDA được lấy mẫu khi đường SCL ở mức cao trong một chu kỳ giữ nhịp, vì thế đường SDA không được đổi trạng thái khi SCL ở mức cao (trừ START và STOP condition) Chân SDA có thể được đổi trạng thái khi SCL ở mức thấp

2.4.2 ADC

Để có thể đọc được giá trị điện áp từ biến trở khi người vận hành xe điều khiển chuyển hướng board Arduino sử dụng bộ ADC 10 bit tích hợp sẵn trong bộ vi điều khiển trên board Giá trị điện áp từ biến trở sẽ được chuyển đổi sang một giá trị

số tương ứng với độ lớn của điện áp Độ phân giải của bộ ADC được xác định bằng dựa vào số bit theo công thức sau: