NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ-ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG CBHD: TS NGUYỄN DUY ANH SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH MSSV: 40700053 CHƢƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƢ CHẤT LƢỢNG CAO VIỆT PHÁP KHÓA 2007-2012 TP HỒ CHÍ MINH, 06/2012 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH LỜI CẢM ƠN Trong trình thực hiện, nhờ dẫn nhiệt tình giáo viên hƣớng dẫn, Thầy Cô môn Cơ-Điện tử, hỗ trợ từ gia đình ngƣời thân, đóng góp ý kiến bạn, em có điều kiện để hoàn thành Luận Văn Tốt Nghiệp Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Duy Anh, Thầy Lê Ngọc Bích tận tình hƣớng dẫn, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm cho em suốt thời gian thực Luận Văn Bên cạnh đó, em xin chân thành cảm ơn tất quý Thầy Cô tham gia giảng dạy chƣơng trình Kỹ sƣ chất lƣợng cao Việt Pháp môn Cơ-Điện tử, trƣờng Đại học Bách Khoa TP.HCM trang bị cho em kiến thức để theo đuổi hoàn thành Luận Văn Và điều vô quan trọng, lòng biết ơn sâu sắc xin đƣợc gửi đến Ba Mẹ em, ngƣời sinh thành nuôi dƣỡng em khôn lớn Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2012 Sinh viên thực Ngô Quang Tuấn Anh ii LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu tôi, có hỗ trợ từ giáo viên hƣớng dẫn TS Nguyễn Duy Anh Các kết nghiên cứu đề tài trung thực chƣa đƣợc công bố công trình Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2012 Sinh viên thực Ngô Quang Tuấn Anh iii LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ii LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH HÌNH ẢNH vi DANH SÁCH BẢNG BIỂU viii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU ix CHƢƠNG 1: 1.1 TỔNG QUAN Tình hình nghiên cứu liên quan 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Giới thiệu xe hai bánh tự cân 1.1.3 Ƣu nhƣợc điểm vai trò xe hai bánh tự cân 1.1.4 Tình hình phát triển nƣớc 1.2 Mục tiêu luận văn 1.2.1 Nhiệm vụ luận văn 1.2.2 Sơ lƣợc mô hình hệ thống 1.3 Tóm tắt luận văn CHƢƠNG 2: 2.1 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG Mô hình hóa 2.1.1 Mô hình tuyến tính động DC 2.1.2 Mô hình hóa xe hai bánh tự cân đầu vào điện áp động 2.1.3 Mô hình hóa xe hai bánh tự cân đầu vào momen động 13 2.1.4 Nhận xét 14 2.2 Thiết kế điều khiển LQR 14 2.2.1 Mô hình không gian trạng thái 14 2.2.2 Các cực hệ vòng hở 14 2.2.3 Bộ điều khiển LQR 15 2.2.4 Áp dụng vào hệ 15 CHƢƠNG 3: BỘ LỌC KALMAN ÁP DỤNG TRONG XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 20 3.1 Lý thuyết lọc Kalman 20 3.2 Sự cần thiết lọc Kalman 22 3.3 Xây dựng lọc Kalman kết hợp cảm biến gia tốc gyro 23 CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 27 iv LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 4.1 SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH Thiết kế khí 27 4.1.1 Các phƣơng án đề xuất 27 4.1.2 Lựa chọn thi công mô hình 28 4.2.1 Cảm biến gia tốc 29 4.2.2 Cảm biến gyro 31 4.2.3 Cảm biến đo vị trí 32 4.3 Mạch điện điều khiển trung tâm 32 4.3.1 Mạch nguồn 33 4.3.2 Mạch vi điều khiển dsPIC30F4011 33 4.3.3 Mạch giao tiếp với máy tính qua cổng COM-RS232 35 4.3.4 Các cổng ngoại vi 36 4.3.5 Mạch công suất điều khiển động 36 4.4 Xây dựng giao tiếp không dây với máy tính 37 4.4.1 Khối mạch RF truyền nhận liệu với máy tính 37 4.4.2 Chƣơng trình giao diện điều khiển hiển thị liệu 38 4.5 Xây dựng điều khiển trung tâm 41 4.5.1 Lƣu đồ giải thuật 41 4.5.2 Bộ điều khiển LQR tạo cân cho xe 44 4.5.3 Bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái tạo chuyển động xoay tịnh tiến 44 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 47 5.1 Kết lọc Kalman 47 5.2 Khả tự cân ổn định theo thời gian 49 5.3 Đáp ứng với lực nhiễu 50 5.4 Đáp ứng vị trí mong muốn 51 5.5 Đáp ứng với vận tốc không đổi 52 5.6 Khả tự cân mặt phẳng nghiêng 53 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN 54 1.1 Kết đạt đƣợc 54 1.2 Hạn chế 54 1.3 Hƣớng phát triển 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 v LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1: Mô hình xe hai bánh Hình 1.2: Xe Segway Hình 1.3: Mô hình nBot David Anderson Hình 1.4: Robot EMIEW Hitachi Hình 1.5: Xe hai bánh tự cân trƣờng đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.1: Mô hình tuyến tính động DC Hình 2.2: Mô hình bánh xe trái phải Hình 2.3: Mô hình hóa thân xe 11 Hình 2.4: Sơ đồ điều khiển LQR 15 Hình 2.5: Mô hình biến trạng thái Simulink 16 Hình 2.6: Sơ đố mô đáp ứng hệ sau qua điều khiển LQR 16 Hình 3.1: Hai trình lọc Kalman 22 Hình 4.1: Các phƣơng án tham khảo 27 Hình 4.2: Các phƣơng án tham khảo 28 Hình 4.3: Mô hình 3D vẽ SolidWorks 28 Hình 4.4: Mô hình thực nghiệm 28 Hình 4.5: Các linh kiện module đƣợc lắp đặt xe 29 Hình 4.6: Cảm biến gia tốc MMA7260Q 29 Hình 4.7: Sơ đồ đo góc cảm biến gia tốc 30 Hình 4.8: Cảm biến gyro LISY300AL 31 Hình 4.9: Sơ đồ khối hệ thống 32 Hình 4.10: Mạch nguồn 5V 33 Hình 4.11: Sơ đồ mạch vi điều khiển dsPIC 30F4011 34 Hình 4.12: Các xung A, B encoder theo chiều quay khác 34 Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý port encoder với điệu trở kéo lên 35 Hình 4.14: Sơ đồ giao tiếp UART RS232 35 Hình 4.15: Các port giao tiếp điều khiển động DC 36 Hình 4.16: Port kết nối với LCD 16x2 36 Hình 4.17: Port kết nối với wireless board HM-TR remote RF revceiver board 36 Hình 4.18: Port kết nối với cảm biến gia tốc gyro với kênh ADC 36 Hình 4.19: Mạch công suất điều khiển động dùng LMD18200 37 Hình 4.20: Các module truyền nhận liệu không dây HM-TR/TTL HM-TR/232 37 vi LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH Hình 4.21: Giao diện chƣơng trình điều khiển 38 Hình 4.22: Module thiết lập kết nối 39 Hình 4.23: Module điều khiển theo giá trị thiết lập 39 Hình 4.24: Module điều khiển tay 40 Hình 4.25: Module hiển thị 40 Hình 5.1: Đáp ứng góc tĩnh lọc Kalman 47 Hình 5.2: Đáp ứng góc xác lập lọc Kalman 47 Hình 5.3: Đáp ứng góc nhiễu rung lọc Kalman 48 Hình 5.4: Đáp ứng cân ổn định theo thời gian 49 Hình 5.5: Đáp ứng với lực nhiễu 50 Hình 5.6: Đáp ứng vị trí mong muốn 51 Hình 5.7: Đáp ứng với vận tốc không đổi 52 Hình 5.8: Khả tự cân mặt phẳng nghiêng 53 vii LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1: So sánh khoảng dao động ứng với chu kỳ tính toán lọc Kalman 48 Bảng 2: Khoảng dao động ứng với đáp ứng cân ổn định theo thời gian 49 Bảng 3: Đáp ứng với lực nhiễu 50 Bảng 4: Đáp ứng vị trí mong muốn 51 Bảng 5: Đáp ứng với vận tốc không đổi 52 viii LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU vị trí tâm xe theo phương ngang (m) ̇ vận tốc xe theo phương ngang (m/s) ̇ góc nghiêng xe quanh trục nối hai bánh xe (rad) ̇ vận tốc góc nghiêng (rad/s) tín hiệu điều khiển điều khiển hồi tiếp trạng thái mô-men ngẫu lực động (Nm) ngẫu lực tác động (Nm) điện trở động (Ohms) độ tự cảm động (H) hệ số ma sát (Nms/rad) hệ số ngẫu lực (Nm/A) số sức điện động ngược (Vs/rad) điện áp áp dụng (V) điệp áp sức điện động ngược (V) dòng điện phần ứng (A) mô-men quán tính rotor (kgm2) khối lượng bánh xe (kg) khối lượng thân xe (kg) mô-men quán tính bánh xe mô-men quán tính thân xe lực tác động bánh thân xe (N) khoảng cách tâm bánh xe trọng tâm xe (m) khoảng cách tâm hai bánh xe (m) mô-men tác dụng từ động lên bánh xe (Nm) lực ma sát đất bánh xe (N) góc quay bánh xe (rad) ix CHƢƠNG SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu liên quan 1.1.1 Đặt vấn đề Với phát triển khoa học công nghệ năm gần đây, ứng dụng ngành tự động hóa có bƣớc phát triển vƣợt bậc trở thành yếu tố quan trọng thiếu việc phục vụ nâng cao sống hàng ngày ngƣời Trong ứng dụng điện tử nói chung tự động hóa nói riêng phải kể đến mobile robot đƣợc thiết kế với chức riêng biệt đó, ví dụ nhƣ: leo cầu thang, mang vác vật nặng, tìm kiếm cứu trợ, dò đƣờng, theo dõi hỗ trợ ngƣời già… Có thể thấy đƣợc ứng dụng này, việc nghiên cứu thiết kế cách thức di chuyển robot vô quan trọng, định đến chức tính ƣu việt trình hoạt động Từ cách thức di chuyển thông thƣờng mobile robot nhƣ bánh, bánh, bƣớc kiểu chân ngƣời…, không tính đến yêu cầu đặc thù môi trƣờng, ta thấy đƣợc số nhƣợc điểm nhƣ: không linh động việc xoay chuyển hƣớng bán kính xoay lớn, chiếm nhiều diện tích sử dụng…Từ đề xuất nghiên cứu phát triển phƣơng thức di chuyển hai bánh đặt đồng trục dựa nguyên lý cân lắc ngƣợc bậc tự Đây ý tƣởng cho đề tài luận văn này.Phạm vi luận văn giải toán xe hai bánh tự cân bằng: tự cân ổn định, di chuyển đến vị trí xác định, di chuyển với vận tốc xác định 1.1.2 Giới thiệu xe hai bánh tự cân Xe hai bánh tự cân đề tài kinh điển lĩnh vực robotics nói chung lĩnh vực điều khiển nói riêng Đây dạng robot có khả tự cân hai bánh xe đồng trục Quá trình tự cân trình điều khiển bất ổn định vốn có robot, điều khiển phải di chuyển hai bánh xe theo hƣớng mà trì robot vị trí thẳng đứng Nếu nhƣ xe có nhiều hai bánh, việc cân đƣợc thực nhờ việc bố trí bánh xe để trọng tâm xe nằm phía mặt phẳng tạo ba bánh Xe hai bánh nhƣng hai trục bánh xe song song nhƣ xe đạp việc cân đƣợc trì nhờ vào chuyển động xe, xe đứng yên cân đƣợc Nguyên tắc cân xe hai bánh đồng trục xe dịch chuyển hƣớng nghiêng để kéo trọng tâm trở vị trí trục hai bánh Mô hình robot dạng đƣợc ứng dụng rộng rãi thƣơng mại, điển hình mô hình xe tự cân Segway, đƣợc giới thiệu tập đoàn Segway Độ linh hoạt vƣợt trội dạng xe hai bánh khiến Segway đƣợc phổ biến cần di chuyển địa hình hẹp Quá trình tự giữ cân robot trình tự động Đề tài sử dụng vi điều khiển dsPIC30f4011 MICROCHIP làm điều khiển trung tâm cho trình cân tự động robot thông qua điều khiển LQR CHƢƠNG SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH Lƣu đồ giải thuật truyền liệu từ máy tính xuống vi điều khiển Khi bắt đầu, chƣơng trình kiểm tra đợi có kết nối hay chƣa, trình kéo dài 5s Khi có kết nối, trình truyền nhận liệu bắt đầu Mỗi tín hiệu từ xe truyền đi, đèn LED đỏ module HM-TR chớp tắt lần Tƣơng tự, có tín hiệu từ máy tính truyền xuống, đèn LED xanh module HM-TR chớp tắt lần Sau nhận liệu đƣợc mã hóa dƣới dạng chuỗi, chƣơng trình giải mã hiển thị lên đồ thị Quá trình mã hóa giải mã đƣợc thực nhƣ sau Vì hệ thống cần truyền nhận nhiều thông số lúc, để phân biệt loại thông số (ví dụ nhƣ góc nghiêng, vị trí, vận tốc…) ta dùng kí tự a,b,c,d đặt trƣớc chuỗi liệu để phân biệt Ngoài để tránh mát liệu, ta dùng kí tự x để đánh dấu kết thúc loại 43 CHƢƠNG SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH liệu Ví dụ muốn truyền thông số với thứ tự : góc nghiêng 0.23 rad, vị trí 24 mm, vận tốc góc 0.12 rad/s, vận tốc xe 30 mm/s ta dùng chuỗi mã hóa nhƣ sau a0.23xb24xc0.12xd30x Với ký tự mã hóa “a”, “b”, “c”, “d” theo thứ tự đại diện cho góc nghiêng,vị trí, vận tốc góc , vận tốc xe Chƣơng trình giao tiếp máy tính nhận đƣợc tiến hành giải mã cách quét chuỗi 4.5.2 Bộ điều khiển LQR tạo cân cho xe Từ kết mô phần 2.2.4, ta áp dụng công thức 1.4288 -3.4767 -0.1062] ( với K = [1.0000 ̇) ̇ Trong hệ số nhân 21 tìm đƣợc trình thực nghiệm nhƣ đề cập phần 2.1.4 Trong 4.5.3 theo thứ tự tín hiệu điều khiển động Bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái tạo chuyển động xoay tịnh tiến Bộ điều khiển vận tốc Để đƣợc vận tốc chuyển động theo phƣơng ngang ổn định ta tạo tín hiệu điều khiển u theo phƣơng pháp hồi tiếp trạng thái bỏ qua thành phần vị trí Lúc phƣơng trình hồi tiếp trạng thái có giá trị vận tốc theo phƣơng ngang, góc, vận tốc góc ̇ ̇ 44 CHƢƠNG SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH Với u1 u2 theo thứ tự tín hiệu điều khiển động và theo thứ tự sai số vận tốc theo phƣơng ngang bánh xe so với vận tốc mong muốn Vì hệ số K đƣợc lấy từ trình cân LQR nên đảm bảo đƣợc tính ổn định góc nghiêng lúc di chuyển Hệ số trƣớc giá trị sai số vận tốc đƣợc tinh chỉnh để đạt kể tốt thực nghiệm Bộ điều khiển xoay quanh vị trí cân Xoay quanh trục thẳng đứng trình riêng biệt, khác với trình tự cân xe Vì lúc xoay cần đảm bảo cân cho xe nên tổng lực hai bánh xe tạo xét theo phƣơng ngang (vuông góc với trục đứng) phải đảm bảo tƣơng đƣơng với trƣờng hợp tự cân Vì lý này, đề tài đƣa phƣơng án xoay khác Ứng với phƣơng án có ƣu nhƣợc điểm riêng a Hai bánh xoay lúc không liên tục Đặc điểm phƣơng pháp tổng lực hai bánh xe tạo theo phƣơng ngang tƣơng đƣơng với lực trƣờng hợp tự cân bằng.Tín hiệu điều khiển u1 u2 thu đƣợc cách thay đổi số từ giá trị u cân LQR Hằng số chênh lệch (tƣơng đƣơng với chênh lệch vận tốc điều khiển) tạo khả xoay cho xe Điểm hạn chế phƣơng pháp không kiểm soát đƣợc góc thời điểm xoay xe xoay có lực nhiễu tác động ̇ ̇ b Hai bánh xoay lúc liên tục Phƣơng pháp tƣơng tự nhƣ điều khiển vận tốc, tín hiệu điều khiển đƣợc tính từ phƣơng trình hồi tiếp trạng thái bỏ qua thành phần vị trí Điểm khác u1 u2 ngƣợc dấu ̇) ( ̇ Tuy nhiên, xoay quanh vị trí cân với vận tốc bánh không đổi nên tổng lực tác động lên xe xét theo phƣơng ngang Dẫn đến không đảm bảo tính cân ổn định cho xe Tuy nhiên, thực nghiệm, xoay với góc nhỏ 1800 hệ chƣa cân c Một bánh đứng yên bánh xoay Ví dụ bánh xoay bánh đứng yên, ta có: ̇ ̇ Tín hiệu điều khiển bánh thu đƣợc từ phƣơng trình cân LQR (trong trƣờng hợp xoay góc xác định) từ phƣơng trình điều khiển vận tốc : 45 CHƢƠNG SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH ̇ Trong ̇ theo thứ tự vị trí vận tốc dài bánh Vì có bánh xoay nên lực tác động vào hệ lúc thay đổi nên ta thêm vào hệ số m n Các hệ số tinh chỉnh thực nghiệm 46 CHƢƠNG SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 5.1 Kết lọc Kalman Với trƣờng hợp xe trạng thái tĩnh, giá trị góc thô (đƣờng liền nét) dao động phạm vi nhỏ ( ) nhƣng tần số dao động lớn Trong đó, giá trị góc sau qua lọc Kalman (đƣờng nét hình tròn đậm) dao động (( ) tần số thấp Hình 5.1: Đáp ứng góc tĩnh lọc Kalman Với trƣờng hợp góc nghiêng xe tiến nhanh đến giá trị xác lập, lọc Kalman giảm thiểu độ vọt lố góc Nguyên nhân độ vọt lố cảm biến gia tốc bị ảnh hƣởng lúc xe chuyển động Bằng cách kết hợp vận tốc góc đo đƣợc từ gyro, lọc Kalman loại bỏ đƣợc sai số Hình 5.2: Đáp ứng góc xác lập lọc Kalman 47 CHƢƠNG SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH Tƣơng tự trƣờng hợp xuất nhiễu rung lắc tác động lên xe, giá trị góc thô dao động phạm vi lớn nên sử dụng để làm đầu vào cho điều khiển Ngƣợc lại, giá trị góc sau qua lọc Kalman đƣợc loại bỏ sai số giảm thiểu dao động đáng kể Từ đồ thị thấy ban đầu hai giá trị góc bám sát tốt Điều thể tính bất ổn định với góc động cảm biến gia tốc nói lên khả ƣu việt lọc Kalman Hình 5.3: Đáp ứng góc nhiễu rung lọc Kalman Lý chọn chu kỳ tính toán cho lọc Kalman đƣợc thể qua bảng sau Chu kỳ tính toán (ms) 100 50 3,75 0,5 Khoảng dao động góc đƣợc lọc trƣờng hợp góc tĩnh (rad) Bảng 1: So sánh khoảng dao động ứng với chu kỳ tính toán lọc Kalman Nhận xét : chu kỳ tính toán lớn (100ms; 50 ms) lọc không tính toán kịp với thay đổi hệ, từ dẫn đến giá trị góc lọc đƣợc không bám sát với giá trị thực Ngƣợc lại, với chu kỳ tính toán nhỏ (1 ms; 0,5ms) lọc thực nhanh giá trị đọc từ cảm biến chƣa đƣợc cập nhật làm tăng khoảng dao động góc Do chu kỳ tính toán đƣợc chọn 3,75ms Lƣu ý việc lựa chọn xấp xỉ phạm vi định, giá trị xác 48 CHƢƠNG SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH 5.2 Khả tự cân ổn định theo thời gian Hình 5.4: Đáp ứng cân ổn định theo thời gian Các đồ thị thể khả cân ổn định theo thời gian Góc nghiêng Vị trí Vận tốc góc ̇ Vận tốc xe ̇ Khoảng dao động Bảng 2: Khoảng dao động ứng với đáp ứng cân ổn định theo thời gian Nhận xét: Xe dao động quanh vị trí cân khác mặt phẳng đặt xe có góc nghiêng định Theo kết thực nghiệm xe tự cân khoảng thời gian lâu quanh vị trí cố định, lên đến 30 phút 49 CHƢƠNG SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH 5.3 Đáp ứng với lực nhiễu Hình 5.5: Đáp ứng với lực nhiễu Các đồ thị ứng với trƣờng hợp xe chịu lực tác động theo phƣơng ngang khoảng thời gian Từ đồ thị thấy xe đáp ứng tốt trở lại vị trí cân với thời gian xác lập 5s Góc nghiêng Thời gian xác lập (ứng với độ xác 5%) Thời gian đáp ứng Giá trị dao động tối đa Bảng 3: Đáp ứng với lực nhiễu 50 Vị trí CHƢƠNG SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH 5.4 Đáp ứng vị trí mong muốn Hình 5.6: Đáp ứng vị trí mong muốn Đáp ứng vị trí với vị trí xác lập 100 mm Góc nghiêng Thời gian xác lập (ứng với độ xác 5%) Thời gian đáp ứng Sai số xác lập - Bảng 4: Đáp ứng vị trí mong muốn 51 Vị trí CHƢƠNG SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH 5.5 Đáp ứng với vận tốc không đổi Hình 5.7: Đáp ứng với vận tốc không đổi Đáp ứng với vận tốc thiết lập 50mm/s Góc nghiêng Vận tốc xe ̇ Thời gian xác lập(ứng với độ xác 5%) Thời gian đáp ứng Bảng 5: Đáp ứng với vận tốc không đổi 52 CHƢƠNG SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH 5.6 Khả tự cân mặt phẳng nghiêng Hình 5.8: Khả tự cân mặt phẳng nghiêng Với góc nghiêng mặt phẳng ngang 100 ta có đồ thị đáp ứng nhƣ trên, cho thấy khả tự cân xe mặt phẳng nghiêng định 53 CHƢƠNG SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN 1.1 Kết đạt đƣợc  Tìm hiểu cấu hoạt động nhƣ mô hình hóa mô hình xe hai bánh tự cân Tìm hiểu tình hình nghiên cứu phát triển nƣớc Phân tích ƣu điểm, nhƣợc điểm nhƣ vai trò quan trọng  Mô hệ xe hai bánh tự cân bằng, xem xét tính bất ổn định Từ xây dựng điều khiển LQR mô MATLAB  Xây dựng thực lọc Kalman cho cảm biến gia tốc gyro  Thiết kế chƣơng trình giao diện điều khiển máy tính truyền nhận liệu qua giao tiếp không dây với xe, từ tạo tảng cho việc nghiên cứu phát triển sau  Xây dựng mô hình thực nghiệm xe hai bánh tự cân khảo sát đáp ứng hệ với điều khiển LQR Mô hình xe đạt đƣợc số khả sau:  Tự cân quanh vị trí cố định với thời gian lâu tùy khả pin Trong trình thử nghiệm, thời gian tự giữ cân xe 30 phút Trong trình cân bằng, vị trí góc nghiêng xe dao động phạm vi nhỏ (kết phần 5.1) Ngoài ra, xe có khả đáp ứng tốt với lực nhiễu tác động bên với thời gian đáp ứng nhanh độ vọt lố thấp  Di chuyển theo phƣơng ngang với vận tốc không đổi Với giá trị vận tốc nằm phạm vi cho phép, xe đạt trạng thái cân động với góc nghiêng cố định  Di chuyển đến vị trí xác định trƣớc với sai số nhỏ ( )  Xoay góc quanh trục thẳng đứng với góc xoay nhỏ 1800  Tự cân mặt phẳng nghiêng Đây đặc điểm thể tính vƣợt trội điều khiển LQR so với điều khiển thông thƣờng khác Nhờ kết hợp hai yếu tố đầu vào vị trí vận tốc mà điều khiển đƣa xe đến vị trí cân Từ rút kết luận khả thích nghi xe thay đổi góc nghiêng mặt phẳng đặt xe 1.2 Hạn chế  Do hạn chế độ nhạy cảm biến nên độ xác giá trị góc đọc chƣa cao dù qua lọc Kalman Đề tài sử dụng cảm biến có giá thành rẻ đƣợc chế tạo cho ứng dụng riêng biệt không thích hợp để đo góc xác Các cảm biến đƣợc xử lý phần mềm mà chƣa qua lọc phần cứng nguyên nhân dẫn làm giảm độ xác  Khả xoay xe hạn chế Việc xoay quanh trục thẳng đứng chƣa xác nguyên tắc xác định góc xoay dựa vào dịch chuyển hai 54 CHƢƠNG SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH bánh xe mà chế đo góc xoay trực tiếp Với góc xoay lớn 1800, xe dễ cân  Tốc độ xử lý liệu điều khiển trung tâm chƣa cao Do với vi điều khiển nhƣng phải xử lý nhiều tác vụ lúc: xử lý liệu đọc về, tính toán lọc Kalman, tính toán điều khiển LQR, truyền nhận liệu với máy tính  Bộ nguồn cung cấp cho động chƣa qua trình xử lý lọc nhiễu, ổn định áp … Do sử dụng môi trƣờng nhiễu cao sử dụng cho động có công suất lớn phải quan tâm đến vấn đề xây dựng nguồn ổn định 1.3 Hƣớng phát triển  Sử dụng cảm biến có độ xác nhằm nâng cao tính ổn định cho xe  Sử dụng cảm biến đo góc xoay xe, từ điều khiển góc xoay xác ổn định  Nâng cao tốc độ xử lý xe sử dụng nhiều vi điều khiển thực tác vụ riêng biệt nhƣ: tính toán lọc Kalman, tính toán điều khiển LQR, truyền nhận liệu với máy tính…  Nghiên cứu phát triển mô hình xe hai bánh với quy mô lớn chở ngƣời đƣợc Lúc này, vấn đề nguồn điện cung cấp điều khiển động công suất lớn đƣợc quan tâm nghiên cứu sâu  Phát triển nhƣ tảng di chuyển cho mobile robot với chức riêng biệt nhờ ƣu điểm đƣợc nêu chƣơng 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Rich Chi Ooi,Balancing a Two-Wheeled Autonomous Robot, University of Western Australia, Final Year Thesis, 2003, p.14-32 [2] S W Nawawi, M N Ahmad, and J H S Osman, Real-Time Control of a Two-Wheeled Inverted Pendulum Mobile Robot, World Academy of Science, Engineering and Technology 39, 2008, p.216-217 [3] Greg WELCH and Gary BISHOP, An Introduction to the Kalman Filter, University of North Carolina at Chapel Hill, 2004, p.1-16 [4] Mai Tuấn Đạt, Xe hai bánh tự cân di chuyển địa hình phẳng, Luận văn tốt nghiệp đại học, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, 2005, p.37-39 [5] Salerno, A and Angeles, J, A new family of Two Wheeled Mobile Robot: Modeling and Controllability IEEE Transaction of Robotics, Vol 23 No 1, Feb 2007, p 169-173 [6] Kim, Y.H., Kim, S.H., and Kwak, Y.K, Dynamic Analysis of a Nonholonomic Twowheeled Inverted Pendulum Robot, Proc of the Eighth Int Symp on Artificial Life and Robotics, Beppu, Oita, Japan, 24-26 January 2003, p 415-418 [7] Nawawi, S.W., Ahmad, M.N and Osman, J.H.S., Development of Two-wheeled Inverted Pendulum Mobile Robot, SCOReD07, Malaysia, Dec 2007, p 153-158 [8] Ozaki, Hiroaki, Takashiro Ohgushi, Tetsuji Shimogawa & Chang-Jun Lin, Position and Orientation of a Wheeled Inverted Pendulum, JSME International Journal, series C: Mechanical Systems, Machine Elements and Manufacturing, v 44, n 1, 2001, p 188-195 [9] Freescale Semiconductor Inc., MMA7260Q Datasheet, 2005 [10] STMicroelectronics Inc., LISY300AL Datasheet, 2008 [11] Microchip Technology Inc., dsPic30F4011 Datasheet, 2008 [12] http://www.engin.umich.edu/group/ctm/examples/pend/invSS.html [13] http://www.engin.umich.edu/group/ctm/state/state.html [14] http://www.segway.com/ [15] http://www.geology.smu.edu/~dpa-www/robo/nbot/ [16] http://www.hitachi.com/rd/research/robotics/emiew2_01.html [17] http://vnexpress.net/gl/khoa-hoc/2011/08/xe-dien-hai-banh-made-in-vietnam/ [18] Hope RF Inc., HM-TR Transparent Wireless Data Link Module, 2008 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH 57 [...]... cách thức hoạt động của xe hai bánh tự cân bằng  Đề xuất và chọn phƣơng án thiết kế kết cấu cơ  Đề xuất và chọn phƣơng án thiết kế mạch điều khiển, mạch công suất  Thiết kế và thử nghiệm kết cấu cơ khí xe hai bánh tự cân bằng  Thiết kế và thử nghiệm mạch điều khiển và mạch công suất  Truyền nhận dữ liệu không dây qua máy tính và xe  Giải thuật điều khiển xe hai bánh tự cân bằng 5 CHƢƠNG 1 SVTH:... Chí Minh cũng đã từng chế tạo nhiều mô hình xe hai bánh tự cân bằng Ví dụ nhƣ chiếc xe hai bánh tự cân bằng của Mai Tuấn Đạt, sinh viên khoa Cơ khí, chƣơng trình Việt Pháp năm 2005 (hình 1.5 a) và của Phạm Ngọc Anh Tùng, sinh viên khoa Điện-Điện tử chế tạo năm 2011(hình 1.5 b) 4 CHƢƠNG 1 SVTH: NGÔ QUANG TUẤN ANH (a) [4] (b) [17] Hình 1.5: Xe hai bánh tự cân bằng của trƣờng đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí... thống xe hai bánh tự cân bằng Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ thống Mô tả hoạt động của hệ thống Trung tâm của mô hình xe hai bánh tự cân bằng là vi điều khiển dsPIC30f4011 làm nhiệm vụ tính toán các thông số đọc từ cảm biến, giữ cân bằng cho xe và thực hiện giao tiếp truyền nhận dữ liệu không dây với máy tính Các thông số sau khi đọc đƣợc sẽ đƣợc vi điều khiển xử lý lọc nhiễu trung bình và lọc nhiễu bằng bộ... đƣợc các kết quả từ lý thuyết và mô phỏng, chƣơng 4 trình bày quá trình hiện thực hóa mô hình xe hai bánh tự cân bằng Đầu tiên, các phƣơng án thiết kế cơ khí đƣợc đƣa ra xem xét và lựa chọn Tiếp đến là phần thiết kế mạch điện điều khiển trung tâm, lựa chọn cảm biến cũng nhƣ xây dựng bộ giao tiếp dữ liệu không dây với máy tính Phần quan trọng trong chƣơng này chính là quá trình thiết kế thực nghiệm bộ... Hình 1.1: Mô hình xe hai bánh Ƣu nhƣợc điểm và vai trò của xe hai bánh tự cân bằng Ƣu điểm  Linh hoạt trong di chuyển nhờ có bán kính xoay nhỏ  Chiếm diện tích sử dụng nhỏ nên có thể sử dụng trong các môi trƣờng có không gian chật hẹp  Có khả năng tự giữ thăng bằng góc đối với mặt nghiêng  Có khả năng ổn định vị trí xe khi có lực nhiễu tác động  Tạo khả năng điều khiển theo thao tác tự nhiên nếu sử... 2  M w  w2   r  Trong mô hình này, ta đã giả sử rằng các bánh xe luôn tiếp xúc với mặt đất và không có trƣợt 2.1.3 Mô hình hóa xe hai bánh tự cân bằng đầu vào là momen động cơ Tƣơng tự nhƣ trên nhƣng xét các điều kiện đầu vào là các momen CR và CL của bánh xe trái và phải Sau khi rút gọn và tuyến tính hóa quanh điểm cân bằng thu đƣợc hai hệ phƣơng trình trạng thái sau [2]  (I) Hệ con lắc ngƣợc... CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 4.1 Thiết kế cơ khí 4.1.1 Các phƣơng án đề xuất Dạng thanh, dạng tấm thẳng đứng Tổng thể xe đƣợc thiết kế dƣới dạng tấm phẳng đứng (hình 4.1a) hoặc dạng thanh thẳng đứng (hình 4.1b) Với dạng tấm phẳng thẳng đứng, tất cả các mạch điện và thiết bị đƣợc sắp xếp nằm trong cùng một khối vuông phẳng một cách tƣơng đối Nhìn chung xe có dạng dẹp và phẳng... hay mất tín hiệu 1.3 Tóm tắt luận văn Trên đây trình bày một cách khái quát về xe hai bánh tự cân bằng thông qua các khái niệm, ƣu nhƣợc điểm, vai trò cũng nhƣ tình hình phát triển trong và ngoài nƣớc Chƣơng 2 sẽ trình bày phần mô hình hóa xe hai bánh tự cân bằng thông qua các phƣơng trình động học và động lực học, từ đó thiết lập các hệ phƣơng trình trạng thái mô tả hệ thống cũng nhƣ xét tính ổn định... việc EMIEW có khả năng di chuyển hai chân bằng cách bƣớc đi nhƣ chân ngƣời Điều đặc biệt là EMIEW tích hợp cơ chế 2 bánh tự cân bằng vào hai chân nhƣ là một nền tảng di chuyển (mobile platform) Điều này mang lại cho nó các tính chất ƣu việt mà các loại nền tảng di chuyển khác không có đƣợc EMIEW đƣợc trang bị thêm hai chân đỡ ở hai bánh xe nhằm giúp robot giữ thăng bằng tốt trong những trƣờng hợp quá... mới cho các robot tự hành, robot hỗ trợ con ngƣời… 1.1.4 Tình hình phát triển trong và ngoài nƣớc Mô hình xe hai bánh tự cân bằng đƣợc phát triển rất rộng rãi trên thế giới Do đây là mô hình sở hữu tính bất ổn định cao nên thu hút đƣợc nhiều sự chú ý của những ai muốn dùng nó để kiểm tra các giải thuật điều khiển Kết cấu cơ khí hầu hết đều tƣơng tự nhau, tất cả đều có dạng hai bánh xe đồng trục và một