Dự Án Xây Dựng Một Robot Hai Bánh Tự Cân Bằng Điều Khiển Dựa Trên Vi Điều Khiển MSP430g2553 Để Giữ Sự Cân Bằng

LỜI CẢM ƠN Thông qua chủ đề này, xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Đặng Việt Hùng đã giúp đỡ nhiệt tình để có thể hoàn thành đề tài Tôi muốn cảm ơn thầy Hà Đắc Bình các anh khoa Điện – Điện Tử đưa điều kiện tốt cho để làm việc học tập Đà Nẵng, tháng năm 2014 Nguyễn Đăng Minh Hùng Huỳnh Đức Hải Lê Hoàng Minh Tuấn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC TOÁM TẮT GIỚI THIỆU THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 1.1 Thiết kế khí 1.2 Thiết kế điện tử 1.2.1 Mạch tổng quan 1.2.2 Vi điều khiển MSP430G2 553 1.2.3 Mạch điều khiển động 1.2.4 Cảm biến giá tốc ADXL335 1.2.5 Mạch thu phát RF LẬP TRÌNH 2.1 Sơ đồ khối điều khiển chính 2.2 Đọc và cấu hình cảm biến ADXL335 2.2.1 Sơ đồ khối đọc dữ liệu từ cảm biến ADXL335 2.2.2 Cấu hình ADC10 2.3 Sơ đồ khối điều khiển động 2.4 Gải thuật điều khiển PID 2.5 Cải tiến giải thuật PID KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 3.1 Khó khăn gặp phải 3.2 Thành tựu đạt được 3.3 Hướng phát triển TÀI LIỆU THAM KHẢO TÓM TẮT Nhờ hỗ trợ của TS Đặng Việt Hùng, sự phát triển của robot học Chúng định tiến hành dự án xây dựng robot hai bánh tự cân Hai bánh xe đặt trục đồng tâm tâm điều khiển dựa vi điều khiển MSP430G2553 để giữ cân Thách thức để xây dựng sản phẩm với chi phí thấp cách sử dụng cảm biến gia tốc động đơn giản thay động servo gyrometer xác cao Nói cách khác, phải khắc phục vấn đề xử lý độ nhiễu cao từ cảm biến kiểm soát động yếu lỗi cao Với sự nỗ lực lớn nhóm nghiên cứu đề xuất phiên sửa đổi PID, dự án hoàn thành với mô hình làm việc tốt, phát triển cho ứng dụng khác robot hướng dẫn, xử lý robot sách thư viện, đồ robot xây dựng, vv GIỚI THIỆU Đối với robot bánh, giữ cân bánh xe kiểm soát cách Trạng thái cân phát thông qua cảm biến đặc biệt gyrometer gia tốc Mô hình Robot tự cân đòi hỏi thời gian thực kỹ thuật kiểm soát ổn định, coi bước khởi đầu cho sinh viên đại học để có kinh nghiệm cho nghiệp sau Bên cạnh đó, loạt ứng dụng sử dụng mô hình kiểm soát để giảm diện tích sở robot, làm cho cân "đôi chân" nhỏ 1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 1.1 Thiết kế khí - Cấu trúc mô hình robot chia thành hai phần: khung hai động - Khung làm nhựa (20 cm x 15 cm x cm) - Hai động gắn hai bánh xe hợp kim nhôm có đường kính 10cm RF transmit circuit ADXL 335 RF receive circuit 5v Hình 1: Khung5vrobot power circuit 1.2.Thiết kế(5V-12V) điện tử Micro Controller Kit MSP430G2553 12v driver circuit Engine DC1 driver circuit Engine DC2 RF battery Hình 2: Sơ đồ tổng quan 1.2.1 Mạch tổng quan Hình Mạch tổng quan Mạch điều khiển trung tâm bao gồm: - Vi điều khiển MSP430G2553 - Các cổng truy cập kiểm soát mạch điều khiển động cơ: Trong dự án hai động DC sử dụng để giúp robot di chuyển trở lại phía trước Tốc độ động điều khiển độ rộng xung (PWM) Để kiểm soát động cơ, sử dụng tín hiệu từ hai cổng (P1.2 P1.6) MSP430G2553, cổng (PWM) L6203 thiết lập tín hiệu PWM từ vi điều khiển Trên cổng 11 IC L6203 đặt điện áp cao (5V) phép mạch luôn kích hoạt Trên cổng (I / O) vi điều khiển thông thường (quay phía trước phía sau) Hình Điều chế xung PWM - Các cổng truy cập điều khiển thông qua mạch RF (sử dụng chip PT2272 và 2262 với tần số 315) - Cổng giao tiếp với ADC mà đọc liệu từ ADXL335 1.2.2 Vi điều khiển MSP430G2553 - Điện áp tiêu thụ thấp: 1.8V to 3.6V với chế độ sử dụng lượng (Active, Standby, Off) - chế độ tiết kiệm lượng - port, 16chân xuất nhập (I/O pins) - Vi điều khiển 16-bit với đầy đủ chức - (2 Timer 16-bit, 10-bit ADC, UART, I2C, PWM, ….) 1.2.3 Mạch điều khiển động Hình Mạch điều khiển động Mạch động bao gồm IC L6203: - L6203 IC cầu nối mạch lái xe đầy đủ cho ứng dụng điều khiển động DC - L6203 IC kiểm soát điện áp động từ 12V đến 42V tần số hoạt động lên đến 100KHz hiệu quả Hinh Mạch cầu H Chân điều khiển của IC L6023 PWM H L L I/O L H L Enable H H H Function Động quay thuận Động quay nghịch Động dừng H H H Động dừng X X L Động dừng Hinh Bảng điều khiển logic của IC L6203 (L = low, H = hight, X = not determined) 1.2.4 Cảm biến gia tốc ADXL335 ADXL335 gia tốc có tính chất sau: + Giá trị đọc từ cảm biến được xác định dựa trục tọa độ X, Y, Z + Kết đầu định dạng tương tự, lựa chọn hình thức 10-bit 8-bit + Nhiệt độ hoạt động: -40 ° ~ 85 ° +/- 3g + nhạy cảm + Giao diện ADC tiêu chuẩn + Băng thông: 50Hz + Điện áp làm việc: ~ 5V + Công suất tiêu thụ: 400uA Hình Cảm biến gia tốc ADXL335 Hình Sơ đồ khối cảm biến gia tốc ADXL335 1.2.5 Mạch thu phát RF Thông số kỹ thuật: - Điện áp hoạt động: DC5V - Dòng Hoạt Động (mA): 4mA - Điều Chế: AM (OOK) - Nhiệt độ làm việc: -10 ℃ ~ 70 ℃ - Độ Nhạy (dBm):-105dB - Tần số hoạt động (MHz): 315MHz Kích thước (LWH): 30x14x7MM Thứ tự chân: VCC: Nguồn cung cấp DATA: Dữ liệu nhận DATA: Dữ liệu nhận GND: Mass 1.3 Mô hình hoàn chỉnh Mạch thu RF MSP4 30G2 553 Khun g Cảm biến ADXL 335 Mạch driver Bánh xe Hình 10 Mạch RF LẬP TRÌNH 2.1 sơ đồ điều khiển chính Bắt đầu Tạo ADC, PWM, I_value, D_value, I_array[25], x,center,Vantoc Đọc ADC Tính e(t)=x-center Tính I_Value Tính D_Value Vantoc=Kp*e(t) + Ks*e22222233(t) + Ki* I_value + Kd* D_value Điều khiển động Hinh 11 Sơ đồ điều khiển chính 2.2 Đọc và cấu hình cảm biến ADXL335 2.2.1Sơ đồ khối đọc dữ liệu ADXL335 Dữ liệu tương tự từ ADXL335 ADC chanel 10 Thay đổi cách đọc điện áp giá trị tương ứng Hình 12 Đọc dữ liệu ADXL335 2.2.2 Cấu hình ADC10 Tạo xung 1MHz Cấu hình ADC10 Kích hoạt ADC10 Nhận dữ liệu từ cảm biến Xóa cờ ADC10 Kích hoạt tính chuyển tiếp Đợi hoàn thành chuyển tiếp Xử lý giá trị chuyển đổi 2.3 Sơ đồ khối điều khiển động Hình 13 Cấu hình ADC Bắt đầu khởi tạo vi điều khiển Cấu hình điều khiển động qua vi điều khiển Nhận giá trị ADC, nhận giá trị tính toán của giải thuật điều khiển Vantoc > Động quay lui Động quay tới Cấu hình cổng xuất xung PWM điều khiển tốc độ động END Hình 14 Sơ đồ khối điều khiển động 2.4 Giải thuật PID PID được viết dựa hệ số: tỷ lệ (P), Tích phân (I), Đạo hàm (D) Input + + + ∑ P Error Kp*e(t) I - Ki*∫edt D Kd* ∑ Output Process Hình 15 Sơ đồ khối giải thuật PID 2.5 Cải thiện giải thuật điều khiển PID Lý do: Hơn tháng sữ dụng giải thuật PID để điều khiển, chúng không thể tìm các hệ số để giải quyết bài toán cân bằng Để kiểm chứng, chúng dựa vào mô hình toán học và qua những thực nghiệm chúng nhận thấy rằng: - Nếu Kp lớn, động dao động mạnh tại vị trí cân bằng và làm chi cảm biến có độ nhiễu cao dẫn đến việc điều khiển khó khăn - Nếu Kp nhỏ, các giái trị của hệ số còn lại (Ki và Kd) không thể bù đắp để điều khiển tốc độ động giữ robot cân bằng Qua đó, chúng đến phương án cải tiến lại thuật toán cho phù hợp Mô hình cải tiến: Input + ∑ P Error Kp*e(t) I Ki*∫edt - D Kd* S Ks*e22222233(t) ∑ Output Process Biểu thức hoàn chỉnh của giải thuật điền khiển PID: Output=Kp*(x-center) + Ks*e (t)+ Ki* I_value Hình 16 Giả i thuậ t phiên bản cải +tiếKd* n D_value • Kp = Hệ số tỷ lệ • Ki = Hệ số tích phân • Kd = Hệ số đạo hàm • Ks = Hệ số bình phương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 3.1 Khó khăn gặp phải - Cảm biến ADXL335 có độ nhiễu cao - Tốc độ động yếu - Với cảm biến đề cập động cơ, đơn giản thuật toán PID khó giải vấn đề việc giữ cân 3.2 Thành tựu Nhờ nỗ lực lớn nhóm, dự án mang lại kết sau đây: • Xác nhận cảm biến ADXL335 đúng lý thuyết • Đọ được độ lệch củ axe tại vị trí cân bằng • Chỉ thông số Kp, Ki, Kd • Thiết kế xây dựng mô hình xe tự cân bằng, khung xe có khả sống sót rơi xuống va chạm • Thiết kế mạch điều khiển để điều khiển động có công suất 2A, điện áp 12V • Thiết kế mạch giao tiếp giữacảm biến gia tốc vi điều khiển • Đạt kiến thức PID áp dụng thành công phiên đề xuất thuật toán PID để điều khiển robot để giữ thăng 3.3 Hướng phát triển Phát triển robot phức tạp với ứng dụng trẻ em người già đường phố, xử lý sách thư viện, phục vụ khách sạn nhà hàng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Peripheral Driver Library Stellaris® USER'S GUIDE, Luminary Micro, September 29, 2008 [2] ADXL335 Data Sheet, Small, Low Power, 3-Axis ± g Accelerometer [3] Data Sheet L6201, L6202, L6203 Documents wedsite: [1] picvietnam.com/download/thuyetminh.pdf [2] www.ti.com/litv/pdf/spmu052c [3] www.ti.com/product/MSP430G2553 PHẦN CHỈNH SỬA Phần sơ đồ khối Bắt đầu khởi tạo vi điều khiển Cấu hình điều khiển động qua vi điều khiển Nhận giá trị ADC, nhận giá trị tính toán của giải thuật điều khiển Vantoc > Động quay tới Động quay lui Cấu hình cổng xuất xung PWM điều khiển tốc độ động END Hình 14 Sơ đồ khối điều khiển động Phần chi tiết - Bổ xung mạch thu phát RF, là phần phát triển hoàn chỉnh thêm - Điều chỉnh lại nội dung một cách hoàn chỉnh