Luân văn cơ điện tử Thiết kế và chế tạo mô hình xe hai bánh tự cân bằng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ  BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG LÊ XUÂN HƯNG BIÊN HÒA, THÁNG 12/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ  BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Sinh viên thực hiện: LÊ XUÂN HƯNG Giáo viên hướng dẫn: ThS.LÊ HOÀNG ANH BIÊN HÒA, THÁNG 12/2013 i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài em đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ của quý thầy cô, các bạn sinh viên trong khoa Cơ điện-Điện tử. Trước hết, em xin chân thành cảm ơn thầy ThS. Lê Hoàng Anh là giảng viên trực tiếp hướng dẫn em thực hiện đề tài. Thầy đã hướng dẫn, nhắc nhở, hỗ trợ trang thiết bị giúp em thực hiện thành công đề tài. Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn thầy ThS. Đỗ Bình Nguyên cùng các thầy trong khoa Cơ điện-Điện tử trường Đại học Lạc Hồng đã cho em những lời khuyên, kinh nghiệm quý báu cũng như tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành đề tài. Ngoài ra, em xin cảm ơn anh Trần Nguyên Sang, bạn Trà Ti Na và Nguyễn Tấn Hậu đã hỗ trợ em rất nhiều trong suốt thời gian qua. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình em, cha mẹ đã luôn động viên và cổ vũ cho em trong suốt những năm tháng học tập. ii MỤC LỤC Lời cảm ơn i Mục lục ii Bảng danh mục các từ viết tắt v Danh mục bảng biểu vii Danh hình ảnh viii Chương 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Mục tiêu đề tài 1 1.2 Giới hạn của đề tài 1 1.3 Phương pháp tiếp cận đề tài 1 1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2 1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 2 1.4.1.1 Xe Segway 2 1.4.1.2 Balancing scooter 3 1.4.2.Tình hình nghiên cứu trong nước 4 1.5 Nội dung đề tài 8 Chương 2: KẾT CẤU CƠ KHÍ VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 10 2.1 Mô hình cơ khí 10 2.1.1 Khung xe 10 2.1.2 Cần điều khiển 11 2.1.3 Hộp giảm tốc 12 2.1.4 Bánh xe 14 iii 2.2 Hệ thống mạch điện của xe 15 2.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 15 2.2.2 Mạch điều khiển động cơ 15 2.2.3 Cảm biến IMU 16 2.2.4 Mạch điều khiển trung tâm 17 2.2.5 Động Cơ 18 2.2.6 Nguồn điện 20 2.3 Mô hình xe thực tế 21 2.4 Các phương thức giao tiếp 21 2.4.1 Giao thức   21 2.4.2 ADC 22 2.4.3 UART 23 2.4.3 PWM 24 Chương 3: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG VÀ DI CHUYỂN 26 3.1 Nguyên lý điều khiển cân bằng và di chuyển 26 3.2 Bộ lọc Kalman 28 3.3 Giải thuật PID 30 3.5 Giải thuật cân bằng và điều khiển di chuyển 32 Chương 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 35 4.1 Mô hình cơ khí 35 4.2 Độ chính xác của cảm biến 35 4.3 Kết quả thực nghiệm trên mô hình xe thực tế 36 Chương 5 KẾT LUẬN 38 iv 5.1 Kết luận 38 5.2 Hướng phát triển của đề tài 38 Tài liệu tham khảo 39 v BẢNG DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A - Ampe ADC - Analog to Digital Converter CPU - Central Processing Unit DAC - Digital to Analog Converter DC - Direct Current EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read Only Memory IMU - Inertial Measurement Unit I 2 C - Inter Intergrated Circuit IC - International Circuit Ibs - Paund I/O - Input / Output LED - Light Emitting Diode LCD - Liquid-crystal display MENS - Microelectromechanical Systems MOSFET - Metal–oxide–semiconductor field-effect transistor MSB - Most Significant Bit OTG - On The Go PC - Personal Computer PID - Proportional Integral Derivative vi PWM - Pulse Width Modulation USB - Universal Serial Bus UART - Universal Asynchronous Receiver – Transmitter Segway PT - Segway Personal Transporter SCL - Simply Connect Last SDA - Serial Data Line TTL - Transistor-transistor logic V - Volt W - Watt vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật bo Arduino Due AT91SAM3X8E 18 Bảng 3.1 Phương pháp Ziegler - Nichols 3 Bảng 4.1 Bảng so sánh kết quả đạt được với xe Segway chính hãng 37 viii DANH MỤCHÌNH ẢNH Hình 1.1 Xe Segway 2 Hình 1.2 Tác giả Trevor Blackwell và xe scooter 4 Hình 1.3 Robot hai bánh cân bằng của Nguyễn Gia Minh Thảo 5 Hình 1.4 Robot hai bánh cân bằng của Trà Ti Na và Nuyễn Tấn Hậu 6 Hình 1.5 Xe hai bánh tự cân bằng của Mai Tuấn Đạt 6 Hình 1.6 Xe hai bánh tự cân bằng của Phan Ngọc Anh Tùng 8 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống cơ khí của xe 10 Hình 2.2 Khung xe 11 Hình 2.3 Cần điều khiển 11 Hình 2.4 Khớp xoay và gối đỡ của cần điều khiển 12 Hình 2.5 Biến trở dùng để điều khiển chuyển hướng của xe 12 Hình 2.6 Hộp giảm tốc 13 Hình 2.7 Bánh xe 14 Hình 2.8 Sơ đồ khối của mô hình xe 15 Hình 2.9 Board điều khiển động cơ 15 Hình 2.10 Sơ đồ kết nôi MPU 6050 với board Arduino 16 Hình 2.11 Board Arduino Due 17 Hình 2.12 Động cơ DC 20 Hình 2.13 Bình ắcquy 20 Hình 2.14 Mô hình xe thực tế 21 Hình 2.15 Mạng I 2 C với nhiều thiết bị và 2 điện trở kéo lên cho SDA, SCL 22 [...]... 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] 6 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... 1.5 Xe hai bánh tự cân bằng của Mai Tuấn Đạt 7 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. .. robot và xe hai bánh tự cân bằng  Phương pháp khảo sát các mô hình robot tự cân bằng và xe tự cân bằng đã được nghiên cứu trong nước và trên thế giới  Phương pháp thực nghiệm tiến hành xây dựng mô hình xe, xây dựng thuật toán điều khiển, thử nghiệm trên mô hình thực tế 2 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... xe Hình 2.6 Hộp giảm tốc 14 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. .. 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 5 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... 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... của xe được thiết kế gồm bốn phần chính: khung xe, cần điều khiển, cơ cấu truyền động giảm tốc và bánh xe Tay cầm Cần điều khiển Khung xe Bánh xe Bánh xe M Hộp giảm tốc M Động cơ Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống cơ khí của xe 2.1.1 Khung xe Khung được chế tạo bằng sắt V3 (kích thước 30x30 mm) có hình chữ nhật, kích thước khung xe là 310x380 mm Phần bên dưới gầm xe được thiết kế để đặt bình ắc quy với kích... 4.2 Điều khiển xe xoay tròn tại vị trí cân bằng 37 Hình 4.3 Xe lưu thông thực tế trên đường 37 1 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Mục tiêu đề tài Xe hai bánh tự cân bằng là một loại phương tiện di chuyển cá nhân thông minh, với hệ thống điều khiển hiện đại, hiện nay đang được sử dụng phổ biến tại một số nước phát triển Mục tiêu của đề tài là “ thiết kế và chế tạo xe hai bánh tự cân bằng với các... 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... 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 10 Chương 2 KẾT CẤU CƠ KHÍ VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Mô hình cơ khí Mô hình cơ khí của xe được thiết . 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. 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. Gia Minh Thảo 5 Hình 1.4 Robot hai bánh cân bằng của Trà Ti Na và Nuyễn Tấn Hậu 6 Hình 1.5 Xe hai bánh tự cân bằng của Mai Tuấn Đạt 6 Hình 1.6 Xe hai bánh tự cân bằng của Phan Ngọc Anh Tùng 8