Luận văn cơ điện tử Robot hai bánh tự cân bằng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ  BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG TRÀ TI NA NGUYỄN TẤN HẬU BIÊN HÒA, THÁNG 12/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ  BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Sinh viên thực hiện: TRÀ TI NA NGUYỄN TẤN HẬU Giáo viên hướng dẫn: ThS. LÊ HOÀNG ANH BIÊN HÒA, THÁNG 12/2013 i LỜI CẢM ƠN Trong thời gian hiện đề tài nghiên cứu khoa học đó là một trong những bƣớc ngoặt cuối cùng đánh dấu sự trƣởng thành của một sinh viên ở giảng đƣờng đại học. Để trở thành một cử nhân hay một kỹ sƣ đóng góp những gì mình đã học đƣợc cho sự phát triển đất nƣớc. Lời đầu tiên chúng em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn tận tình của thầy ThS. Lê Hoàng Anh, khoa Cơ điện – Điện tử, trƣờng Đại học Lạc Hồng. Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, thầy đã dành nhiều thời gian để hƣớng dẫn chúng em thực hiện đề tài. Thầy đã hƣớng dẫn chúng em tìm hiểu những kiến thức cần thiết để thực hiện đề tài. Bên cạnh đó chúng em cũng xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy ThS. Đỗ Bình Nguyên, thầy luôn nhiệt tình hƣớng dẫn, sẵn sàng giúp đỡ khi chúng em gặp khó khăn trong việc lập trình, thiết kế bo mạch. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Cơ điện – Điện tử, cũng nhƣ các thầy cô trong trƣờng đã giảng dạy, giúp đỡ chúng em trong suốt bốn năm học qua. Chính các thầy cô đã xây dựng cho chúng em những kiến thức nền tảng và những kiến thức chuyên môn để em có thể hoàn thành đề tài này. Ngoài ra, em xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, ngƣời thân, bạn bè và các anh, chị sinh viên khóa trên đã luôn ủng hộ và giúp đỡ trong suốt quá trình chúng em thực hiện đề tài. ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC… ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii Chƣơng 1: GIỚI THIỆU 1 1.1 Giới thiệu 1 1.2 Mục tiêu của đề tài 1 1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 1 1.4 Giới hạn của đề tài 1 1.5 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới 2 1.5.1 Trong nƣớc 2 1.5.2 Nƣớc ngoài 2 1.5.2.1 nBot 2 1.5.2.2 EquipoiseBot 3 1.5.2.3 WobblyBot 4 1.5.2.4 tiltOne 4 1.5.2.5 Robot kiểu rolling của hãng TOYOTA 5 1.6 Nội dung đề tài 5 Chƣơng 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 7 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 7 2.2 Tính toán và thiết kế cho mô hình hệ thống 7 2.3 Mô hình robot hai bánh thực tế 10 2.4 Hệ thống điện trên mô hình robot 11 2.4.1 Mạch điều khiển Arduino Due 11 2.4.2 Mạch điều khiển động cơ 12 iii 2.4.3 Cảm biến IMU GY-86 13 2.4.4 Động cơ DC 13 2.4.5 Nguồn điện 14 2.5 Các phƣơng thức giao tiếp 15 2.5.1 Điều xung độ rộng xung PWM 15 2.5.2 Giao thức I 2 C 16 2.5.3 Giao tiếp UART 18 2.6 Thu thập dữ liệu 20 Chƣơng 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG 21 3.1 Nguyên lý điều khiển cân bằng 21 3.2 Bộ lọc Kalman 21 3.2.1 Giới thiệu 21 3.2.2 Bộ lọc Kalman rời rạc 22 3.2.2.1 Quá trình ƣớc lƣợng 23 3.2.2.2 Giải thuật lọc Kalman rời rạc 20 3.3 Xây dựng bộ lọc Kalman áp dụng cho cảm biến IMU 25 3.4 Giải thuật điều khiển PID 31 3.5 Xây dựng giải thuật PID điều khiển robot 33 3.6 Giải thuật điều khiển robot cân bằng bám theo vị trí ban đầu 35 Chƣơng 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 37 4.1 Độ chính xác của cảm biến 37 4.2 Giải thuật cân bằng PID trên mô hình robot 39 4.3 Kết quả thực hiện giải thuật trên mô hình robot 40 Chƣơng 5: KẾT LUẬN 41 5.1 Kết luận 41 5.2 Hƣớng phát triển của đề tài 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 iv PHỤ LỤC 1: GIỚI THIỆU VỀ ARDUINO PHỤ LỤC 2: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ PHỤ LỤC 3: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH CẢM BIẾN IMU GY-86 PHỤ LỤC 4: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ARDUINO DUE PHỤ LỤC 5: CODE CHƢƠNG TRÌNH v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CPU - Central Processing Unit DAC - Digital to Analog Converter DC - Direct Current EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read Only Memory FET - Field-Effect Transistor IC - International Circuit I/O - Input / Output I 2 C - Inter Intergrated Circuit IMU - Inertial Measurement Unit JTAG - Joint Test Action Group LED - Light Emitting Diode LSB - Least Significant Bit MSB - Most Significant Bit OTG - On The Go PC - Personal Computer PID - Proportional Integral Derivative PWM - Pulse Width Modulation SCL - Simply Connect Last SDA - Serial Data Line SPI - Serial Peripheral Interface SRAM - Static Random Access Memory TWI - Two-Wire Inter UART - Universal Asynchronous Receiver – Transmitter USB - Universal Serial Bus VAV - Unmanned Aerial Vehicle vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mô hình robot hai bánh cân bằng 2 Hình 1.2 Robot hai bánh cân bằng nBot 3 Hình 1.3 Robot hai bánh cân bằng EquipoiseBot 3 Hình 1.4 Robot hai bánh cân bằng WobblyBot 4 Hình 1.5 Robot hai bánh cân bằng tiltOne 4 Hình 1.6 Robot hai bánh của hãng TOYOTA 5 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 7 Hình 2.2 Hình 2.2 Quãng đƣờng robot cần di chuyển để thực hiện cân bằng khi nghiêng một góc 200 so với góc tại vị trí cân bằng 7 Hình 2.3 Môtả thời gian robot ngã từ trạng thái cân bằng đến một góc nghiêng 200 .8 Hình 2.4 Mô hình robot hai bánh tự cân bằng 10 Hình 2.5 Bo Arduino Due AT91SAM3X8E 11 Hình 2.6 Mạch điều khiển động cơ cầu H 12 Hình 2.7 Cảm biến IMU GY-86 13 Hình 2.8 Động cơ DC Planet 14 Hình 2.9 Pin LI-PO sử dụng cho robot 15 Hình 2.10 Sơ đồ dạng xung điều chế PWM 16 Hình 2.11 Sơ đồ kết nối theo giao thức I 2 C 18 Hình 2.12 Mô tả hoạt động của UART 19 Hình 2.13 Mô tả hoạt động thu thập dữ liệu 20 Hình 3.1 Mô tả quá trình cân bằng của robot hai bánh 21 Hình 3.2 Quy trình của bộ lọc Kalman 24 Hình 3.3 Quy trình hoàn chỉnh của bộ lọc Kalman 25 Hình 3.4 Hệ thống điều khiển vòng kín 32 Hình 3.5 Đổ thị biễu diễn hệ số PID theo thời gian 33 Hình 3.6 Robot cân bằng bám theo vị trí ban đầu 35 vii Hình 3.7 Sơ đồ thuật giải robot bam theo vị trí ban đầu 36 Hình 4.1 Biểu đồ so sánh góc nghiêng theo trục y của bộ lọc Complementary, bộ lọc Kalman và góc nghiêng theo trục y thu trực tiếp từ cảm biến IMU 37 Hình 4.2 Biểu đồ so sánh thời gian đáp ứng giữa bộ lọc Complementary và bộ lọc Kalman… 38 Hình 4.3 Biểu đồ mô so sánh độ ổn định ngõ ra của bộ lọc Kalman với bộ lọc Complementary 38 Hình 4.4 Góc nghiêng theo trục y của robot khi thực hiện giải thuật cân bằng 39 Hình 5.1 Robot đang thực hiện việc cân bằng 41 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng thu thập thời gian robot ngã do lực hút của Trái Đất 8 Bảng 2.2 Chọn động cơ với các thông số 10 Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật bo Arduino Due AT91SAM3X8E 11 Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của động cơ DC Planet 14 Bảng 3.1 Ảnh hƣởng của các thành phần K P , K I , K D đối với hệ kín 33 Bảng 3.2 Phƣơng pháp Ziegler–Nichols 35 [...]... viên ngành Cơ điện tử, Tự động hóa đã nghiên cứu cho ra đời nhiều dạng robot hai bánh cân bằng Sau đây là một số thông tin về các mô hình robot hai bánh tự cân bằng 1.5.2.1 nBot nBot do ông Anderson sáng chế nBot lấy ý tưởng cân bằng là các bánh xe sẽ phải chạy theo hướng mà phần trên robot sắp ngã Nếu bánh xe có thể di chuyển để trọng tâm robot luôn rơi vào chính giữa thì robot sẽ giữ được cân bằng 3... động cơ, giữ cho robot cân bằng Hình 1.3 Robot hai bánh cân bằng EquipoiseBot 4 1.5.2.3 WobblyBot WobblyBot thực chất là mô hình sử dụng con lắc ngược, được gắn dưới phần thân ở giữa hai bánh xe WobblyBot được thiết kế với phần dưới của robot nặng hơn nhiều so với phần trên giúp robot có khả giữ cân bằng tốt nhất Hình 1.4 Robot hai bánh cân bằng WobblyBot 1.5.2.4 tiltOne tiltOne là một robot hai bánh cân. .. động cơ, các thuật toán trên vi điều khiển như bộ lọc Kalman 2 giải thuật cân bằng PID Robot chỉ có thể cân bằng tại một vị trí chưa có khả năng vừa di chuyển vừa cân bằng 1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới 1.5.1 Trong nước Mô hình robot hai bánh tự cân bằng luận văn thạc sĩ của tác giả Nguyễn Gia Minh Thảo, trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Hình 1.1 Mô hình robot hai bánh cân bằng. .. KHIỂN CÂN BẰNG 3.1 Nguyên lý điều khiển cân bằng (a) Nghiêng trước (b) Cân bằng (c) Nghiêng sau Hình 3.1 Mô tả quá trình cân bằng của robot hai bánh Khi robot đứng thẳng tại vị trí cân bằng robot sẽ bị lực tác động làm cho robot ngã về phía trước hoặc phía sau như Hình 3.1 Nếu robot bị đổ về phía trước như Hình 3.1(a) thông qua cảm biến IMU robot sẽ xác định được góc nghiêng và điều khiển hai bánh xe... góc nghiêng của robot Hai động cơ DC 24V, 60W tốc độ 468 vòng/phút, encoder 500 xung/vòng Hai bánh xe được bọc cao su có nhiều rãnh để tăng độ bám cao giúp robot cân bằng tốt hơn Nút nhấn điều khiển Pin Li-PO 550 mm Bo Arduino Due AT91SAM3X8E 450 mm Cảm biến IMU GY-86 Động cơ DC Mạch điều khiển động cơ cầu H Hình 2.4 Mô hình robot hai bánh tự cân bằng 11 2.4 Hệ thống điện trên mô hình robot 2.4.1 Mạch... sử góc nghiêng mà robot có thể giữ cân bằng được giới hạn trong khoảng ±200 so với góc tại vị trí cân bằng lý tưởng 900 theo trục y C 0 50 cm 50 cm 20 0 70 A α B AB = ? a) Robot ở trạng thái cân bằng b) Trạng thái robot đang ở góc nghiêng 200 so với góc tại vị trí cân bằng Hình 2.2 Quãng đường robot cần di chuyển để thực hiện cân bằng khi nghiêng một góc 200 so với góc tại vị trí cân bằng 8 Như mô tả... một robot hai bánh cân bằng với chiều cao 90 cm và có khả năng chở tải trọng lên tới 50 kg Nguyên lý hoạt động cũng giống như các robot hai bánh có kích thước nhỏ hơn, sử dụng hai cảm biến là cảm biến gia tốc và cảm biến con quay hồi chuyển và thuật toán PID để điều khiển robot cân bằng Hình 1.5 Robot hai bánh cân bằng tiltOne 5 1.5.2.5 Robot kiểu rolling của hãng TOYOTA Đây là robot có công dụng phục... đã qua bộ giảm tốc 468 vòng/phút 2.3 Mô hình robot hai bánh thực tế Đề tài sử dụng bo mạch Arduino Due AT91SAM3X8E đóng vai trò như “bộ não” của robot, điều khiển cho robot giữ cân bằng Khung robot được chế tạo từ inox với hai động cơ DC được đặt đồng trục, cho phép robot có thể di chuyển được theo hai hướng trước và sau Hai động cơ được điểu khiển bởi hai mạch cầu H sử dụng IC IR2184 để điều khiển... robot có thể giữ được cân bằng khi ngã thì robot phải di chuyển một đoạn đường là trong khoảng thời gian cho phép để có thể hứng được trọng tâm của robot, các giá trị này được tính toán như sau: (2.1) t = ? C 0 50 cm 50 cm 20 0 70 A α B 17.1 cm a) Robot ở trạng thái cân bằng b) Trạng thái robot đang ở góc nghiêng 20 0 so với góc tại vị trí cân bằng Hình 2.3 Mô tả thời gian robot ngã từ trạng thái cân. .. Chương 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG Phần đầu chương 3 giới thiệu về nguyên lý điều khiển cân bằng của robot, giới thiệu tổng quan về bộ lọc Kalman, cơ sở, bản chất, giải thuật của bộ lọc Kalman rời rạc Giải thuật điều khiển PID được sử dụng để đáp ứng ngõ ra nhanh, chính xác 6 trong việc cân bằng robot và cuối cùng là giải thuật điều khiển robot cân bằng bám theo vị trí ban đầu  Chương . hình robot hai bánh cân bằng 2 Hình 1.2 Robot hai bánh cân bằng nBot 3 Hình 1.3 Robot hai bánh cân bằng EquipoiseBot 3 Hình 1.4 Robot hai bánh cân bằng WobblyBot 4 Hình 1.5 Robot hai bánh cân. dưới của robot nặng hơn nhiều so với phần trên giúp robot có khả giữ cân bằng tốt nhất. Hình 1.4 Robot hai bánh cân bằng WobblyBot 1.5.2.4 tiltOne tiltOne là một robot hai bánh cân bằng với. sinh viên ngành Cơ điện tử, Tự động hóa đã nghiên cứu cho ra đời nhiều dạng robot hai bánh cân bằng. Sau đây là một số thông tin về các mô hình robot hai bánh tự cân bằng. 1.5.2.1 nBot nBot