NGHIÊN cứu hệ THỐNG điều KHIỂN cân BẰNG CHO ROBOT HAI BÁNH

26 457 1
NGHIÊN cứu hệ THỐNG điều KHIỂN cân BẰNG CHO ROBOT HAI BÁNH

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

` ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGÔ THỊ CHÂM NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO ROBOT HAI BÁNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên, 2014 Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Hữu Công Phản biện 1: PGS.TS. Đỗ Trung Hải Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn Vỵ Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Vào hồi 16 h 00’ ngày 22 tháng 8 năm 2014. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên - Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nghiên cứu về robot tự động (Autonomous robot) là một lĩnh vực nghiên cứu đang được phát triển mạnh trong những năm gần đây. Một trong những khó khăn nhất của vấn đề nghiên cứu robot tự động là khả năng duy trì cân bằng ổn định trong những địa hình khác nhau. Để giải quyết vấn đề này, các robot hầu hết có bánh xe rộng hoặc tối thiểu là ba điểm tiếp xúc so với mặt đất để duy trì sự cân bằng. Tuy nhiên tăng kích thước hoặc số lượng bánh xe sẽ làm giảm hiệu quả của hệ thống điều khiển do tăng trọng lượng xe, tăng ma sát hoặc tăng lực kéo và tăng tổn hao năng lượng. Robot hai bánh tự cân bằng là một hướng nghiên cứu sẽ giải quyết được nhược điểm. Bởi robot hai bánh tự cân bằng chỉ sử dụng hai bánh xe nên giảm được cả trọng lượng và chiều rộng không gian. Tuy nhiên vấn đề khó khăn cho robot là làm cách nào để robot có thể tự cân bằng trong những điều kiện làm việc khác nhau, đồng thời tải trọng mang theo có thể thay đổi. Với mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm một mô hình robot hai bánh trước sau tự cân bằng, trong luận văn này tác giả sẽ tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo phần cứng cho robot hai bánh trước sau tự cân bằng sử dụng bánh đà với nghiên cứu ban đầu là robot có thể cân bằng khi đứng yên và chuyển động thẳng cùng với một hệ thống điều khiển chất đảm bảo yêu cầu và áp dụng thuật toán điều khiển thích hợp. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Robot hai bánh có thể sử dụng thay con người trong thăm dò, … Từ nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng có thể phát triển mô hình 2 robot hai bánh tự cân bằng thành xe hai bánh tự cân bằng sử dụng trong giao thông vận tải. Xe hai bánh tự cân bằng có khả năng tự cân bằng cả khi đứng yên, khi chuyển động và cả khi xảy ra va chạm. Xe hai bánh tự cân bằng nếu được thiết kế tốt thì khi va chạm nó chỉ bị văng ra và vẫn giữ được phương thẳng đứng nhờ hệ thống tự cân bằng lắp trên nó do đó sẽ đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Do đó, nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng có tính khoa học và thực tiễn rất lớn. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 1.1. Giới thiệu robot hai bánh tự cân bằng 1.2. Tổng quan về robot hai bánh tự cân bằng trong nước và trên thế giới 1.2.1 Các nghiên cứu về robot hai bánh song song tự cân bằng 1.2.1.1 Một số robot hai bánh song song tự cân bằng trên thế giới 1.2.1.1.1 nBot 1.2.1.1.2 Balance Bot I 1.2.1.1.3 Balancing robot (Bbot) 1.2.1.1.4 JOE 1.2.1.1.5 Equibot 1.2.1.1.6 BaliBot 1.2.1.1.7 Bender 1.2.1.1.8 Robot phục vụ con người Rolling của hàng TOYOTA 1.2.1.2 Một số loại xe hai bánh trước sau tự cân bằng 1.2.1.2.1 Segway 1.2.1.2.2 Balancing Scooter 1.2.1.2.3. Spider 1.2.2 Các nghiên cứu về robot hai bánh trước sau tự cân bằng trên thế giới 1.2.2.1 Điều khiển cân bằng bằng cách điều khiển tay lái dựa trên nguyên tắc của lực ly tâm Các phương pháp điều khiển cân bằng cho robot hai bánh bằng cách điều khiển tay lái dựa trên nguyên tắc của lực ly tâm được mô tả trong các tài liệu tham khảo [4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 24, 25]. Bảng sau thể hiện các kết quả nghiên cứu mà các nghiên cứu này đạt được. 4 1.2.2.2 Điều khiển cân bằng nhờ thay đổi tâm trọng lực Các phương pháp điều khiển cân bằng nhờ điều chỉnh tâm trọng lực được chỉ ra trong nghiên cứu [20] và [26]. 1.2.2.3 Điều khiển cân bằng sử dụng bánh đà Các phương pháp điều khiển cân bằng cho robot hai bánh sử dụng bánh đà được chỉ ra trong các nghiên cứu [1, 2, 3, 5, 19, 22, 23]. 1.2.2.4. Điều khiển kết hợp Trong một số nghiên cứu gần đây thì xuất hiện các đề xuất và mô hình kết hợp các phương pháp trên trong cùng một robot, cụ thể là sự kết hợp giữa phương pháp thay đổi trọng tâm trọng lực và phương pháp bánh đà hoặc phương pháp dùng lực ly tâm. 1.2.3 Các nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng trong nước Robot hai bánh trước sau tự cân bằng hiện chưa được nghiên cứu nhiều ở trong nước, hiện nay chỉ có nghiên của của tác giả Thanh [3-4]. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng hệ thống cân bằng theo nguyên lý con quay hồi chuyển, với một bánh đà được đặt nằm ngang và được quay với một tốc độ quay ổn định bởi một động cơ một chiều, một động cơ một chiều khác điều khiển quay trục của bánh đà theo chiều thuận và ngược tùy theo hướng nghiên của robot. Kết quả của nghiên cứu đã xây dựng được mô hình robot hai bánh tuy nhiên độ ổn định của mô hình chưa cao. 1.3. Kết luận chương 1 Nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng là một hướng nghiên cứu đang phát triển rất mạnh. Robot hai bánh có thể sử dụng thay con người trong thăm dò, … Hoặc phát triển mô hình robot hai 5 bánh tự cân bằng thành xe hai bánh tự cân bằng sử dụng trong giao thông vận tải. Xe hai bánh tự cân bằng có khả năng tự cân bằng cả khi đứng yên, khi chuyển động và cả khi xảy ra va chạm. Xe hai bánh tự cân bằng nếu được thiết kế tốt thì khi va chạm nó chỉ bị văng ra và vẫn giữ được phương thẳng đứng nhờ hệ thống tự cân bằng lắp trên nó do đó sẽ đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Do đó, nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng có tính ứng dụng rất lớn. Qua phân tích các mô hình robot hai bánh tự cân bằng tác giả nhận thấy, robot hai bánh trước sau sử dụng phương pháp điều khiển dùng lực ly tâm không thể điều khiển cân bằng cho hệ thống khi nó đứng yên. Robot hai bánh trước sau sử dụng phương pháp điều khiển trọng tâm trọng lực cần phải thêm trọng lượng lên hệ thống làm tăng trọng lượng của nó. Robot hai bánh trước sau sử dụng phương pháp điều khiển sử dụng bánh đà và điều khiển kết hợp khắc phục được cả hai nhược điểm nêu trên. Do đó phương pháp điều khiển cân bằng sử dụng nguyên lý con quay hồi chuyển là phù hợp nhất cho robot hai bánh trước sau tự cân bằng. Với mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm một mô hình robot hai bánh trước sau tự cân bằng, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo phần cứng cho robot hai bánh trước sau tự cân bằng sử dụng bánh đà với nghiên cứu ban đầu là robot có thể cân bằng khi đứng yên và chuyển động thẳng cùng với một hệ thống điều khiển chất đảm bảo yêu cầu và áp dụng thuật toán điều khiển thích hợp. 6 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 2.1 Giới thiệu Nguyên lý cân bằng: Mô hình robot hai bánh được xây dựng dựa trên định luật bảo toàn động lượng có cơ sở là: Nếu không có một mô men xoắn (mô men lực) bên ngoài nào tác động lên một đối tượng hay hệ thống (hoặc tổng mô men xoắn - mô men lực) tác động vào một đối tượng bằng không) thì tổng mômen động lượng của đối tượng đó sẽ được bảo toàn. Robot hai bánh tự cân bằng trang bị một bánh đà và sử dụng bánh đã để duy trì cân bằng của robot. Một động cơ tạo ra mô men xoắn cho bánh đà và do đó gây ra một mô mem xoắn tương ứng tác động lên robot theo chiều ngược lại mô men này dùng để cân bằng với mômen do trọng lực của robot tạo ra. Để điều khiển gia tốc của bành đà, ta sử dụng một động cơ một chiều DC với điện áp đặt lên động cơ là U, khi này ta đưa bài toán điều khiển cân bằng robot về bài toán điều khiển góc nghiêng của robot  (đầu ra) bằng cách điều khiển điện áp U (đầu vào) đặt lên động cơ DC. Nhiệm vụ đặt ra là phải thiết kế một bộ điều khiển để giữ cho robot cân bằng tức là giữ cho góc  (đầu ra) bằng không 2.2 Thiết kế robot hai bánh tự cân bằng 2.2.1 Thiết kế phần cơ khí Kích thước robot như sau: Hình 2.1 Kích thước robot hai bánh tự cân bằng 7 2.2.1.1 Cơ cấu cân bằng Tác giả thiết kế cơ cấu cân bằng bao gồm: Động cơ một chiều tạo mô men cho hệ thống, bánh đà với mô men quán tính lớn. Khung đỡ động cơ và bánh đà. Động cơ truyền mô men qua bánh đà thông qua một bạc nối với tỉ số chuyền i = 1. Kích thước của bánh đà - Đường kính ngoài D n = 26 cm = 0,26 m - Đường kính trong D t = 22 cm = 0,22 m - Bề dầy vành bánh đà t n = 2,1 cm = 0,021 m - Bề dầy phần trong bánh đà t t = 0,5 cm = 0,005 m Mômen quán tính của bánh đà - Mômen quán tính của bánh đà là:   2 2 2 n t t n t D D D 1 1 I m m 2 4 2 4    = 0,03289 kg.m 2 Lựa chọn động cơ một chiều DC: có thông số như sau: Bảng 2.1 Thông số động cơ điện một chiều STT Thông số Giá trị Đơn vị 1 P 100 W 2 U đm 15 V 5 R 0,41  6 Tỷ số truyền 1:1 7 K e 0,119 V.s/rad 8 K m 0,1184 N.m/A 9  3400 Vòng/phút 10 L 0,0006 H 8 2.2.1.2 Cảm biến góc nghiêng Tác giả sử dụng cảm biến góc gia tốc GY-521 MPU-6050 có thông số kỹ thuật như sau: MPU-6050 module (3 trục góc + 3 trục gia tốc ) Chip : MPU-6050; Nguồn cấp : 3-5V Chuẩn giao tiếp: I 2 C Chip 16bit AD converter, 16-bit data Output Độ phân giải vận tốc góc (): ± 250 500 1000 2000 °/s_tương đương 1°/s = 1.3,14/180 rad/s Độ phân giải gia tốc góc : ± 2 ± 4 ± 8 ± 16g (g= 9,81 m/s 2 là gia tốc trọng trường) Chuẩn giắc cắm 2.54mm Hình 2.4 Cảm biến gia tốc Gyro GY-521 6DOF MPU6050 2.2.1.3 Cảm biến tốc độ 2.2.1.4 Hệ thống điều khiển tiến lùi 2.2.2 Thiết kế phần điện Hệ thống điều khiển robot hai bánh tự cân bằng gồm hai hệ thống - Hệ thống điều khiển cân bằng cho robot hai bánh tự cân bằng: Có chức năng duy trì robot cân bằng: là hệ thống có 2 đầu vào là góc nghiêng và vận tốc góc nghiêng của robot lấy từ cảm biến góc nghiêng và 1 đầu vào lấy từ cảm biến tốc độ của bánh đà. Đầu ra của hệ thống là duy trì góc nghiêng của bánh đà bằng 0. [...]... xe hai bánh tự cân bằng khi không mang tải 17 Hình 3.5 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh tự cân bằng khi có nhiễu 18 Hình 3.6 Đáp ứng của hệ thống xe hai bánh tự cân bằng khi thay đổi tải lệch tâm Nhận xét: Hệ thống điều khiển robot hai bánh tự cân bằng có khả năng cân bằng khi không mang tải, khi có nhiễm tác động và cả khi mang tải lệch tâm Kết quả này chứng minh tính đúng đắn của việc thiết kế hệ thống. .. Nguồn cấp 2.2.2.2 Hệ thống điều khiển tiến lùi 10 Hình ảnh hoàn thiện của robot: Hình 2.14 Mô hình hoàn thiệu của robot hai bánh tự cân bằng 2.3 Mô hình hóa robot hai bánh tự cân bằng Xét mô hình robot hai bánh như sau Hình 2.15 Sơ đồ đơn giản của hệ thống cân bằng robot Các ký hiệu trên sơ đồ m là trọng lượng của robot kể cả bánh đà h là chiều cao của tâm trọng lực của robot ( kể bánh đà) I là mô men... giữ được phương thẳng đứng nhờ hệ thống tự cân bằng lắp trên nó do đó sẽ đảm bảo an toàn cho người sử dụng Do đó, nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng có tính ứng dụng rất lớn 2 Qua phân tích các mô hình robot hai bánh tự cân bằng tác giả nhận thấy: mô hình robot sử dụng bánh đà là phù hợp nhất cho robot hai bánh trước sau tự cân bằng: Mô hình robot này đảm bảo robot có thể đứng yên cả khi không... phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot sử dụng phản hồi trạng thái Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng Simulink hệ thống điều khiển cân bằng robot sử dụng phản hồi trạng thái Kết quả mô phỏng 16 Step Response 1 0.9 0.8 0.7 Amplitude 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 Time (sec ) Hình 3.3 : Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot trên Matlab – Simulink Nhận xét: Hệ thống điều khiển. .. toán điều khiển góc nghiêng của robot  (đầu ra) bằng cách điều khiển điện áp U (đầu vào) đặt lên động cơ DC Nhiệm vụ đặt ra là phải thiết kế một bộ điều khiển để giữ cho robot cân bằng tức là giữ cho góc  (đầu ra) bằng không Một hệ thống điều khiển tiến lùi cũng được xây dựng trên robot để đảm bảo robot có thể tiến lùi theo đường thẳng 4 Hệ thống điều khiển cân bằng robot được thiết kế theo phương... khiển cân bằng robot theo kỹ thuật không gian trạng thái có chất lượng như sau: sai lệch tĩnh bằng 0 (St% = 0), không có quá điều chỉnh, thời gian quá độ 3,5 (s), thời gian đáp ứng 2,7 (s), hệ không dao động 3.4 Hệ thống điều khiển thực robot hai bánh tự cân bằng Tác giả thực hiện điều khiển thực robot hai bánh tự cân bằng theo kết quả thiết kế ở phần 3.3, kết quả như sau: Hình 3.4 Đáp ứng của hệ thống. .. thống điều khiển theo kỹ thuật không gian trạng thái 3.5 Kết luận chương 3 Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot được thiết kế theo kỹ thuật không gian trạng thái trên Matlab – Simulink cho chất lượng tốt: hệ không có sai lệch tĩnh, thời gian quá độ nhỏ, không có quá điều chỉnh Áp dụng bộ điều khiển được thiết kế vào mô hình robot hai bánh tự cân bằng cho kết quả điều khiển thực tốt: robot. .. Robot hai bánh có thể sử dụng thay con người trong thăm dò, … Hoặc phát triển mô hình robot hai bánh tự cân bằng thành xe hai bánh tự cân bằng sử dụng trong giao thông vận tải Xe hai bánh tự cân bằng có khả năng tự cân bằng cả khi đứng yên, khi chuyển động và cả khi xảy ra va chạm Xe hai bánh tự cân bằng nếu được thiết kế tốt thì khi va chạm nó chỉ bị văng ra và vẫn giữ được phương thẳng đứng nhờ hệ. .. tiếp 3.2.3 Phương thức dạng kinh điển điều khiển được 3.2.4 Công thức Ackermann 3.2.5 Thiết kế theo tiêu chuẩn chất lượng 3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái để điều khiển cân bằng cho robot hai bánh tự cân bằng Ở chương 2 ta đã thu được mô hình toán học của hệ thống cân bằng robot có dạng sau:  x  Ax  Bu y  Cx  Du (3.10) Với các thông số của hệ 715.7 23 4.256 1.813 0.07857... tốt: robot hai bánh tự cân bằng có khả năng cân bằng khi không mang tải, khi có nhiễm tác động và cả khi mang tải lệch tâm Kết quả này chứng minh tính đúng đắn của việc thiết kế hệ thống điều khiển theo kỹ thuật không gian trạng thái 19 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A Kết luận Luận văn đã nghiên cứu và giải quyết được những nội dung sau: 1 Nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng là một hướng nghiên cứu đang . 2.2.1.4 Hệ thống điều khiển tiến lùi 2.2.2 Thiết kế phần điện Hệ thống điều khiển robot hai bánh tự cân bằng gồm hai hệ thống - Hệ thống điều khiển cân bằng cho robot hai bánh tự cân bằng: Có. QUAN VỀ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 1.1. Giới thiệu robot hai bánh tự cân bằng 1.2. Tổng quan về robot hai bánh tự cân bằng trong nước và trên thế giới 1.2.1 Các nghiên cứu về robot hai bánh. Từ nghiên cứu về robot hai bánh tự cân bằng có thể phát triển mô hình 2 robot hai bánh tự cân bằng thành xe hai bánh tự cân bằng sử dụng trong giao thông vận tải. Xe hai bánh tự cân bằng

Ngày đăng: 15/08/2015, 15:50

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan