Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân bằng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ––––––––––––––––– MẪN XUÂN HẢI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Thái Nguyên, năm 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Mẫn Xuân Hải Sinh ngày 03 tháng 11 năm 1988 Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại Công ty Cổ phần Đầu tƣ Bất động sản Hapulico. Tôi xin cam đoan: đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân bằng” do thầy giáo, TS. Nguyễn Duy Cƣơng hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trƣớc Hội đồng khoa học và trƣớc pháp luật. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận văn Mẫn Xuân Hải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Sau sáu tháng nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng, đƣợc sự động viên, giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo hƣớng dẫn TS. Nguyễn Duy Cƣơng, luận văn với đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân bằng” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hƣớng dẫn TS. Nguyễn Duy Cƣơng đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo thuộc bộ môn Kỹ thuật điện - Khoa Điện, phòng thí nghiệm Khoa Điện tử - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và ngƣời thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn. Tác giả luận văn Mẫn Xuân Hải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv LỜI CẢM ƠN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v MỤC LỤC CHƢƠNG I. GIỚI THIỆU 1 1.1 Tại sao phải thiết kế xe hai bánh tự cân bằng [1] 1 1.2 Nguyên lýcân bằng của xe hai bánh (two wheels self balancing) [1] 2 1.3 Ƣu nhƣợc điểm của xe hai bánh tự cân bằng [1] 3 1.3.1 Ƣu điểm của xe hai bánh tự cân bằng 3 1.3.2 Nhƣợc điểm của xe hai bánh tự cân bằng 4 1.4 Các khó khăn khi thiết kế bộ điều khiển cho xe hai bánh tự cân bằng. 4 1.4.1 Tính phi tuyến, khả năng giữ thăng bằng và hiện tƣợng xen kênh 5 1.4.2 Bất định mô hình [2] 5 1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 5 1.5.1 Một số dạng xe hai bánh tự cân bằng dùng trên robot 6 1.5.1.1 nBot [3] 6 1.5.1.2 Balance bot I [4] 7 1.5.1.3 Balancing robot (Bbot [5]) 7 1.5.1.4 JOE [6] 8 1.5.1.5Loại Robot phục vụ con ngƣời, kiểu rolling phục vụ con ngƣời của hãng TOYOTA 9 1.5.1.6 Segway [7] 10 1.5.1.7 Balancing scooter [9] 11 1.5.2 Mô hình toán [10] 12 1.5.3 Chiến lƣợc điều khiển 12 1.6 Động lực cho việc sử dụng điều khiểnPID thích nghi trực tiếp dựa trên cơ sở mô hình mẫu (Model Reference Adaptive Systems MRAS): 14 1.7 Thiết kế hệ thống điều khiển? Nhiệm vụ của tác giả? 15 Kết luận Chƣơng I 16 Chƣơng II: MÔ HÌNH TOÁN HỌC 17 Kết luận Chƣơng II 23 Chƣơng III: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI TRỰC TIẾP DỰA TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH MẪU ĐỂ ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 24 3.1 Lý thuyết điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAS 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi 3.1.1 Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi 24 3.1.2 Khái quát về hệ điều khiển thích nghi 26 3.1.3 Cơ chế thích nghi – thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT: 32 51 52 3.3.1 Tính toán thông số cho bộ điều khiển PID 52 3.3.2 Tính toán thông số cho bộ điều khiển PID thích nghi 53 3.4 Mô phỏng hệ thống 55 Kết luận Chƣơng III 60 61 4.1 Giới thiệu hệ thống xe hai bánh tự cân bằng 61 4.3 Cấu trúc điều khiển hệ thống 64 4.4 Sơ đồ điều khiển và các kết quả thực nghiệm 64 KẾT LUẬN – ĐÁNH GIÁ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Trạng thái xe hai bánh đồng trục khi di chuyển trên địa hình bằng phẳng, dốc[1] 2 Hình 1.2: Mô tả nguyên lý giữ thăng bằng [1] 2 Hình 1.3: Mô tả cách bắt đầu di chuyển [1] 3 Hình 1.4: nBot [3] 6 Hình 1.5: Balance-bot [4] 7 Hình 1.6: Balancing robot [5] 8 Hình 1.7: Hình chụp JOE [6] 9 Hình 1.8:Loại robot, kiểu Rolling của TOYOTA 10 Hình 1.9: Segway [7] 11 Hình 1.10: Xe 2 bánh tự cân bằng của Trevor Blackwell [9] 12 Hình 2.1: Sơ đồ tự do của các bánh 18 Hình 2.2: Sơ đồ tự do của khung 20 Hình 3.1a: Hệ thích nghi tham số 30 Hình 3.1b: Hệ thích nghi tín hiệu 30 Hình 3.2: Điều khiển ở cấp 1 và cấp 2 32 Hình 3.3: Mô hình đối tƣợng và mô hình mẫu 33 Hình 3.4a: Sự thay đổi tham số b p dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra. 34 Hình 3.4b: Đáp ứng đầu ra của đối tƣợng (Y p ), đáp ứng mô hình mẫu (Y p1 ) và sai lệch hai đáp ứng đầu ra (e) khi thay đổi tham số b p . 35 Hình 3.5a: Bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số K b . 35 Hình 3.5b: Kết quả việc thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số K b . 36 Hình 3.6: Kết quả việc thích nghi của K a và K b 38 Hình 3.7: Việc chỉnh định của K a và K b với tốcđộ cao hơn của bộ thích nghi 39 Hình 3.8: Tính phi tuyến trong hệ thống điều khiển thích nghi. 40 Hình 3.9a: Hệ thống thích nghi đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp ổn định Liapunov. 47 Hình 3.9.b: Đáp ứng đầu ra của mô hình mẫu (Y m ), mô hình đối tƣợng (Y p ), 48 sai lệch (e), và tham số chỉnh định (K a , K b ). 48 Hình 3.9.c: Hệ thống thích nghi đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp ổn định Liapunov có bổ xung khâu tỷ lệ. 49 Hình 3.9.d: Các đáp ứng nhận đƣợc khi tham số K a , K b bổ xung khâu tỷlệ 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii Hình 3.10: Cấu trúc xe hai bánh tự cân bằng với PID thƣờng 51 2 kênh 52 56 Hình 3.13: Kết quả mô phỏng với PID thƣờng khi không có nhiễu 56 Hình 3.14: Kết quả mô phỏng với PID thƣờng khi có nhiễu 57 57 58 58 1 cho góc nghiêng 59 2 cho độ di chuyển 59 Hình 4.1. Mô hình thực nghiệm 61 62 4.3: Một số hình ảnh phần cứng. 63 4.4: C 64 Hình 4.5: Tín hiệu góc nhận về khi sử dụng và không sử dụng bộ lọc Kalman 65 4.6: Tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi. 65 1 CHƢƠNG I. GIỚI THIỆU 1.1 Tại sao phải thiết kế xe hai bánh tự cân bằng [1] Với những robot di động, chúng thƣờng đƣợc chế tạovới ba bánh: hai bánh lái đƣợc lắp ráp đồng trục và một bánh đuôi nhỏ. Có nhiều loại khác nhau nhƣng đây là kiểu thông dụng nhất. Còn đối với các xe 4 bánh, thƣờng một đầu xe có hai bánh truyền động và đầu xe còn lại đƣợc gắn một hoặc hai bánh lái. Việc thiết kế ba hay bốn bánh làm cho xe/ robot di động đƣợc thăng bằng ổn định nhờ trọng lƣợng của nó đƣợc chia cho hai bánh lái chính và bánh đuôi, hay bất kỳ cái gì khác để đỡ trọng lƣợng của xe. Nếu trọng lƣợng đƣợc đặt nhiều vào bánh lái thì xe/robot sẽ không ổn định dễ bị ngã, còn nếu đặt nhiều vào bánh đuôi thì hai bánh chính sẽ mất khả năng bám. Nhiều thiết kế xe/robot có thể di chuyển tốt trên địa hình phẳng, nhƣng không thể di chuyển lên xuống trên địa hình lồi lõm (mặt phẳng nghiêng). Khi di chuyển lên đồi, trọng lƣợng xe/robot dồn vào đuôi xe làm bánh lái mất khả năng bám và trƣợt ngã, đối với những bậc thang, thậm chí nó dừng hoạt động và chỉ quay tròn bánh xe. Khi di chuyển xuống đồi, sự việc còn tệ hơn, trọng tâm thay đổi về phía trƣớc và thậm chí làm xe/robot bị lật úp khi di chuyển trên bậc thang. Hình 1.1trạng thái xe ba bánh khi di chuyển với độ dốc 20 o . Ngƣợc lại, các xe dạng hai bánh đồng trục lại thăng bằng rất linh động khi di chuyển trên địa hình phức tạp, mặc dù bản thân là một hệ thống không ổn định. Khi nó leo sƣờn dốc, nó tự động nghiêng ra trƣớc và giữ cho trọng lƣợng dồn về hai bánh lái chính. Tƣơng tự vậy, khi bƣớc xuống dốc, nó nghiêng ra sau và giữ trọng tâm rơi vào các bánh lái. Chính vì vậy, không bao giờ có hiện tƣợng trọng tâm của xe rơi ra ngoài vùng đỡ của các bánh xe để có thể gây ra sự lật úp. 2 Hình 1.1: Trạng thái xe hai bánh đồng trục khi di chuyển trên địa hình bằng phẳng, dốc[1] Đối với những địa hình lồi lõm và những ứng dụng thực tế, sự thăng bằng của xe hai bánh có thể sẽ mang lại nhiều ý nghĩa thực tiễn trong giới hạn ổn định hơn là đối với xe ba bánh truyền thống. 1.2 Nguyên lýcân bằng của xe hai bánh (two wheels self balancing) [1] Hình 1.2: Mô tả nguyên lý giữ thăng bằng [1] Đối với các xe ba hay bốn bánh, việc thăng bằng và ổn định của chúng là nhờ trọng tâm của chúng nằm trong bề mặt chân đế do các bánh xe tạo ra. Đối với các xe 2 bánh có cấu trúc nhƣ xe đạp, việc thăng bằng khi không di chuyển là hoàn toàn không thể, vì việc thăng bằng của xe dựa trên tính chất con quay hồi chuyển ở hai bánh xe khi đang quay. Còn đối với xe hai bánh tự cân bằng, là loại xe chỉ có hai [...]... tuyến cao, các bộ điều 13 khiển tuyến tính nói chung đƣợc áp dụng cho hệ thống sau khi hệ thống đƣợc tuyến tính hóa bởi vì đã giảm bớt đƣợc mức độ phức tạp Tuy nhiên, các bộ điều khiển phi tuyến cũng đã đƣợc thực hiện trong [15] Hầu hết các nghiên cứu tập trung vào điều khiển tự cân bằng Bên cạnh điều khiển tự cân bằng, các bộ điều khiển đƣợc sử dụng cho điều khiển bám trong một vài nghiên cứu [16] Bám... vài giây để giữ lấy nó Để dừng lại, chỉ cần kéo trọng tâm xe nghiêng ngƣợc hƣớng đang di chuyển thì tốc độ xe giảm xuống Do tốc độ cảm nhận và phản ứng thăng bằng của mỗi ngƣời là khác nhau, nên xe hai bánh tự cân bằng chỉ đƣợc thiết kế cho một ngƣời sử dụng 1.3 Ƣu nhƣợc điểm của xe hai bánh tự cân bằng [1] 1.3.1 Ưu điểm của xe hai bánh tự cân bằng - Không ô nhiễm, sử dụng bình điện, và có thể sạc điện... toán điều khiển nhất định, trong khi những phƣơng pháp khác cũng có thể đƣợc chấp nhận Với xe hai bánh tự cân bằng, là một hệ thống MIMO không ổn định, phi tuyến và xen kênh rất mạnh, việc điều khiển gặp rất nhiều khó khăn để có thể giữ đƣợc thăng bằng cho xe, đặc biệt khi trọng tâm của xe là không xác định Đã có nhiều bài báo nghiên cứu nhằm điều khiển hệ thống này tuy nhiên các bộ điều khiển cổ điển... trọng tâm bánh xe và trọng tâm robot g Gia tốc trọng trƣờng Mp Khối lƣợng khung r Bán kính bánh xe Ip Momen quán tính của khung Iw Momen quán tính của bánh xe Mw Khối lƣợng của bánh xe kết nối với hai phía của robot HL, HR, PL, PR Các lực giữa bánh xe và khung CL, CR Moomen quay từ động cơ truyền ra bánh xe HfL, HfR Các lực ma sát giữa các bánh xe và đất 18 Xe hai bánh tự cân bằng hoạt động tƣơng tự con... nghiệm của các nhà thiết kế Và thƣờng đƣợc mong muốn là: (1) hệ thống đƣợc thiết kế sẽ cho ra sai số nhỏ nhất có thể để đáp ứng đầu vào tham chiếu mong muốn, (2) Động học hệ thống không quá nhạy cảm với những thay đổi của các thông số hệ thống, và (3) những ảnh hƣởng của nhiễu quá trình nên đƣợc giảm thiểu Với mục tiêu Thiết kế, Điều khiển PID thích nghi cho hệ thống xe hai bánh tự cân bằng, tác giả cần... quay đƣợc xem xét trong nghiên cứu [12] Mô hình toán mô tả hệ thống thực Bởi vậy, các thông số hệ thống nhƣ quán tính là quan trọng để tạo ra mô hình chính xác hơn Quán tính của hệ thống đƣợc xác định bằng tính toán nhƣ trong [13] hoặc kiểm nghiệm nhƣ trong [14] 1.5.3 Chiến lược điều khiển Thiết kế bộ điều khiển là phần quan trong của hệ thống Độ ổn định đƣợc thỏa mãn bởi bộ điều khiển Mặc dù hệ thống. .. một số sinh viên đã nghiên cứu vàcho ra đời các dạng xe hai bánh nhƣ thế Đồng thời để giữ ổn định cho xe, đã có nhiều nghiên cứu với các thuật toán điều khiển khác nhau đƣợc đƣa ra 6 1.5.1 Một số dạng xe hai bánh tự cân bằng dùng trên robot 1.5.1.1 nBot [3] Hình 1.4: nBot [3] nBot do David P Anderson sáng chế nBot đƣợc lấy ý tƣởng để cân bằng nhƣ sau: các bánh xe sẽ phải chạy xe theo hƣớng mà phần... điều khiển cho xe hai bánh tự cân bằng Thiết kế các bộ điều khiển thời gian thực thích ứng và phù hợp đòi hỏi mô hình toán học hệ thống có độ chính xác cao Tuy nhiên với hệ thống nhƣ xe hai bánh có tính phi tuyến bậc cao, độ giữ thăng bằng kém, đặc biệt là hiện tƣợng xen kênh giữa 5 các đầu vào và các đầu ra thì điều này là hết sức phức tạp khi muốn điều khiển xe hai bánh di chuyển nhanh, ổn định và... tuyến, khả năng giữ thăng bằng và hiện tượng xen kênh Xe hai bánh là một hệ phi tuyến nhiều đầu vào nhiều đầu ra và có hiện tƣợng xen kênh rõ rệt, hiện tƣợng xen kênh đƣợc quan sát giữa sự hoạt động của các động cơ, mỗi động cơ đều ảnh hƣởng đến cả hai vị trí và góc nghiêng của xe Đồng thời động học không ổn định là thuộc tính của xe hai bánh tự cân bằng Do vậy việc thiết kế bộ điều khiển phải quan tâm tới... ngƣời điều khiển mệt mỏi - Không thể làm các việc khác khi đứng trên xe hai bánh này, chẳng hạn vừa đi vừa nghe điện thoại, hoặc vừa uống nƣớc - Xe hai bánh không đủ nhanh để đi đƣờng trƣờng và không đủ an toàn để lên xuống lề đƣờng - Không thể vận chuyển hai ngƣời trên cùng một xe - Không thể leo bậc thang có chiều cao quá ½ bán kính bánh xe 1.4 Các khó khăn khi thiết kế bộ điều khiển cho xe hai bánh tự . phải thiết kế xe hai bánh tự cân bằng [1] 1 1.2 Nguyên l cân bằng của xe hai bánh (two wheels self balancing) [1] 2 1.3 Ƣu nhƣợc điểm của xe hai bánh tự cân bằng [1] 3 1.3.1 Ƣu điểm của xe hai. hai bánh tự cân bằng 3 1.3.2 Nhƣợc điểm của xe hai bánh tự cân bằng 4 1.4 Các khó khăn khi thiết kế bộ điều khiển cho xe hai bánh tự cân bằng. 4 1.4.1 Tính phi tuyến, khả năng giữ thăng bằng. hồi chuyển ở hai bánh xe khi đang quay. Còn đối với xe hai bánh tự cân bằng, là loại xe chỉ có hai 3 bánh với trục của hai bánh xe trùng nhau, để cho xe cân bằng, trọng tâm của xe (bao gồm