Xây dựng mô hình và thiết kế bộ điều khiển cân bằng robot hai bánh sử dụng vi điều khiển PIC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT HAI BÁNH SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC NGUYỄN DUY DIỄN THÁI NGUYÊN 2012 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần đây, nghiên cứu robot di động (mobile robot) thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu giới Trong lĩnh vực thú vị đầy khó khăn lĩnh vực nghiên cứu đặc tính động học điều khiển cân cho robot di động hai bánh Nhiều nghiên cứu khác thực nhà nghiên cứu khoa học khác Một ví dụ robot MURATA phát triển Nhật Bản năm 2005 Việc điều khiển cân cho Robot hai bánh ứng dụng rộng sang lĩnh vực điều khiển cho robot hai chân, robot ASIMO, nguyên tắc điều khiển cân Có số phương pháp sử dụng để điều khiển cân cho robot hai bánh, là: Cân bằng cách sử dụng bánh đà (flywheel) nghiên cứu Beznos, Gallaspy, Lenskii, Suprapto Cân bằng cách di chuyển tâm trọng lực (COG) nghiên cứu Lee & Ham Jamakita et al cân nhờ lực hướng tâm nghiên cứu Getz Guo Trong phương pháp trên, cân bằng cách sử dụng bánh đà có ưu điểm đáp ứng nhanh cân robot không di chuyển Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài a Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng kết nghiên cứu lý thuyết , đề tài sẽ xây dựng mô hình thiết kế điều khiển cân Rô bốt hai bánh sử dụng vi điều khiển PIC Đề tài minh chứng tí nh đúng đắn của hướng nghiên cứu , khẳng đị nh độ tin cậy của các kết nghiên cứu b Ý nghĩa thực tiễn: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Đề tài tập trung thiết kế hệ thống giữ thăng cho xe mô tô dựa nguyên lý làm việc quay hồi chuyển Khi hệ thống lắp đặt xe, có chức giữ cho xe cân tình (đứng yên, chuyển động chịu tác động va đập) Để thực yêu cầu trên, hệ thống trang bị bánh đà (fly-wheel) quay với tốc độ cao Sử dụng cảm biến title sensor để đo góc nghiêng hệ so với phương thẳng đứng, vào góc nghiêng sẽ điều khiển trục hệ bánh đà (theo thuật toán điều khiển, ví dụ thuật toán PID) cho tạo lực cần thiết cân cho hệ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Luận văn kết hợp ý tưởng cách giữ thăng người đôi chân độ động di chuyển loại xe di chuyển bánh Thông qua nghiên cứu, ta phần nắm bắt ý tưởng giữ thăng cho loại humanoid robot (robot dạng người), cách phối hợp xử lý tín hiệu tốt từ cảm biến Mô hình xe có hai bánh đặt dọc trục với (khác với xe đạp trục hai bánh xe song song) Trên mô hình sử dụng cảm biến để đo góc nghiêng thân xe, vận tốc quay (lật) sàn xe quanh trục bánh vận tốc di chuyển xe so với mặt đất Nhờ cảm biến này, xe sẽ tự giữ thăng di chuyển Với cấu trúc này, trọng tâm mô hình phải nằm vùng đỡ bánh xe (supporting area) để thăng di chuyển bề mặt từ đơn giản đến phức tạp Trong hệ thống cảm biến, để loại trừ tín hiệu nhiễu từ hệ thống nhiễu từ tín hiệu đo, sai số ngõ ra, đồng thời ước lượng xác giá trị đo tương lai cảm biến kết hợp tín hiệu, lọc Kalman nghiên cứu sử dụng nhằm cho kết tối ưu tình trạng xe gồm góc nghiêng, vận tốc quay xe từ mô hình cảm biến thành phần Nói cách khác, hệ thống xử lý tín hiệu lọc Kalman công cụ để biến cảm biến đơn giản, giá rẻ thành tập hợp cảm biến có giá trị hệ thống Từ tín hiệu đo, thông qua số đại lượng đặc trưng mô hình (khối lượng, chiều dài, chiều cao vật, đường kính bánh…) ta sẽ tính momen quán tính nghiêng (lật mô hình), từ đưa giá trị điều khiển phù hợp cho bánh xe để giữ cho mô hình đứng vững di chuyển với vận tốc ổn định 1.1.1 Thế xe hai bánh tự cân Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Đối với xe ba hay bốn bánh, việc thăng ổn định chúng nhờ trọng tâm chúng nằm bề mặt chân đế bánh xe tạo Đối với xe bánh có cấu trúc xe đạp, việc thăng không di chuyển hoàn toàn không thể, việc thăng xe dựa tính chất quay hồi chuyển hai bánh xe quay Còn xe hai bánh tự cân bằng, loại xe có hai bánh với trục hai bánh xe trùng nhau, xe cân bằng, trọng tâm xe (bao gồm người sử dụng chúng) cần giữ nằm bánh xe Điều giống ta giữ gậy dựng thẳng đứng cân lòng bàn tay Hình 1 Mô tả nguyên lý giữ thăng Thực ra, trọng tâm toàn scooter nằm vị trí nào, cách tìm nó, khả di chuyển bánh xe đủ nhanh để giữ toàn trọng tâm Về mặt kỹ thuật, góc sàn scooter chiều trọng lực biết Do vậy, thay tìm cách xác định trọng tâm nằm bánh xe, tay lái cần giữ thẳng đứng, vuông góc với sàn xe (góc cân zero) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình Mô tả cách di chuyển Nếu tay lái đẩy nghiêng tới trước, scooter sẽ chạy tới trước đẩy nghiêng sau, scooter sẽ chạy lùi Đây phân tích lý tính Hầu hết người kiểm soát tay lái vòng vài giây để giữ lấy Để dừng lại, cần kéo trọng tâm xe nghiêng ngược hướng di chuyển tốc độ xe giảm xuống Do tốc độ cảm nhận phản ứng thăng người khác nhau, nên xe scooter hai bánh tự cân thiết kế cho người sử dụng 1.1.2 Tại phải thiết kế xe hai bánh tự cân Hình Mô tả trạng thái xe di chuyển địa hình phẳng Những mobile robot xây dựng hầu hết robot robot di chuyển ba bánh xe, với hai bánh lái lắp ráp đồng trục, bánh đuôi nhỏ Có nhiều kiểu khác nhau, kiểu thông dụng Còn xe bánh, thường mộ tầu xe có hai bánh truyền động đầu xe lại gắn hai Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn bánh lái Hình Mô tả trạng thái xe hai bánh di chuyển địa hình phẳng, dốc Việc thiết kế ba hay bốn bánh làm cho xe/mobile robot thăng ổn định nhờ trọng lượng chia cho hai bánh lái bánh đuôi, hay khác để đỡ trọng lượng xe Nếu trọng lượng đặt nhiều vào bánh lái xe/robot sẽ không ổn định dễ bị ngã, đặt nhiều vào bánh đuôi hai bánh sẽ khả bám Nhiều thiết kế xe/robot di chuyển tốt địa hình phẳng, di chuyển lên xuống địa hình lồi lõm (mặt phẳng nghiêng) Khi di chuyển lên đồi, trọng lượng xe robot dồn vào đuôi xe làm bánh lái khả bám trượt ngã, bậc thang, chí dừng hoạt động quay tròn bánh xe Khi di chuyển xuống đồi, việc tệ hơn, tâm thay đổi phía trước chí làm xe robot bị lật úp di chuyển bậc thang Hầu hết xe robot leo lên dốc chúng di chuyển xuống, bị lật úp o o độ dốc 15 hay 20 Việc bố trí bốn bánh xe, giống xe đồ chơi hay loại xe bốn bánh sử dụng giao thông không gặp vấn đề điều sẽ làm mobile robot không gọn gàng thiết kế phận lái (cua quẹo) gặp chút phiền toái để xác định xác quãng đường lại, xe dạng hai bánh đồng trục lại thăng linh động địa hình phức tạp, thân hệ thống không ổn định Khi leo sườn dốc, tự động Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn nghiêng trước giữ cho trọng lượng dồn hai bánh lái Tương tự vậy, bước xuống dốc, nghiêng sau giữ trọng tâm rơi vào bánh lái Chính vậy, tượng trọng tâm xe rơi vùng đỡ bánh xe để gây lật úp Đối với địa hình lồi lõm ứng dụng thực tế, thăng xe hai bánh sẽ mang lại nhiều ý nghĩa thực tiễn giới hạn ổn định xe ba bánh truyền thống 1.1.3 Ƣu nhƣợc điểm xe hai bánh tự cân 1.1.3.1 Ƣu điểm - Không ô nhiễm, sử dụng bình điện, sạc điện - Sử dụng không gian hiệu quả, đa (sử dụng nhà phố) - Dễ dàng lái xuống đường, dừng lại trò chuyện với bạn bè Scooter tự cân khác hẳn với loại xe đạp hay xe đẩy bình thường, chúng dễ kéo đẩy không gây khó khăn dừng lại - Khá dễ để lái vòng quanh văn phòng, chạy ngang qua cửa vào tốc độ thấp Ngoài ra, xuống bậc thềm/ bậc thang thấp - Chiếm diện tích (chỉ người) nên không gây tắc nghẽn giao thông loại xe bốn bánh Như phương tiện vận chuyển vỉa hè, cho phép di chuyển nơi đông đúc, hoàn toàn lòng đường - Giá thành thấp so với xe - Cuốn hút người sử dụng người xung quanh hình dáng kỳ lạ nó, phá vỡ hình ảnh thường thấy phương tiện giao thông người 1.1.3.2 Nhƣợc điểm - Không thể thư giãn mệt lái phải đứng điều khiển Vì đứng mặt sàn rung (do động gây ra) cứng làm chân mỏi Do giữ tư thẳng đứng để trọng lượng thể đặt trọng tâm đôi lúc gặp đoạn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn đường xấu khiến thể người điều khiển mệt mỏi - Không thể làm việc khác đứng scooter này, chẳng hạn vừa vừa nghe điện thoại, vừa uống nước - Scooter không đủ nhanh để đường trường không đủ an toàn để lên - Không thể vận chuyển hai người xe Việc không thành vấn đề xe tự cân đóng vai trò platform mobile robot, khối lượng tải tĩnh - Không thể leo bậc thang có chiều cao bán kính bánh xe 1.1.4 Tính ứng dụng xe hai bánh tự cân Xây dựng phương tiện vận chuyển khu vực chật hẹp di chuyển chung cư tòa nhà cao tầng, dùng trợ giúp di chuyển cho người già, trẻ em vận chuyển Làm phương tiện vận chuyển hàng hoá đến nơi lập trình sẵn tòa nhà, phòng làm việc, không gian chật hẹp, khó xoay trở Thậm chí kết hợp đường, robot lái mặt đường hiệu công dụng cụ thể linh hoạt Tuy vậy, cần phải tiến hành giải thêm phần xuống cầu thang (không thể leo lên bậc thang cao) 1.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc Hiện chưa có thông tin cụ thể việc chế tạo xe hai bánh tự cân dùng robot xe hai bánh tự cân Việt Nam Nhưng giới, vài nước, kỹ thuật viên số sinh viên nghiên cứu cho đời dạng xe hai bánh Dưới số thông tin: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.2.1 nbot nBot David P Anderson sáng chế nBot lấy ý tưởng để cân sau: bánh xe sẽ phải chạy xe theo hướng mà phần robot ngã Nếu bánh xe lái theo cách đứng vững theo trọng tâm robot, robot sẽ giữ cân Trong thực tế, điều đòi hỏi hai cảm biến thông tin phản hồi: cảm biến góc nghiêng để đo góc nghiêng robot với trọng lực, encoder bánh xe để đo vị trí robot Bốn thông số ngõ vào để xác định hoạt động vị trí xe lắc ngược cân là:  Góc nghiêng  Đạo hàm góc nghiêng, vận tốc góc  Vị trí bánh xe  Đạo hàm vị trí bánh, vận tốc bánh xe Hình Xe nbot Bốn giá trị đo lường cộng lại phản hồi tới điện áp động cơ, tương ứng với momen quay, cân bằng, phận lái robot 1.2.2 Balance-bot I Balance-bot I (do Sanghyuk, Hàn Quốc thực hiện) robot hai bánh tự cân bằng cách kiểm soát thông tin phản hồi Hệ thống cao 50 cm, khung làm nhôm, có hai trục bánh xe nối với hộp giảm tốc động DC cho Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... thiết kế cho người sử dụng 1.1.2 Tại phải thiết kế xe hai bánh tự cân Hình Mô tả trạng thái xe di chuyển địa hình phẳng Những mobile robot xây dựng hầu hết robot robot di chuyển ba bánh xe, với hai. .. tiễn đề tài a Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng kết nghiên cứu lý thuyết , đề tài sẽ xây dựng mô hình thiết kế điều khiển cân Rô bốt hai bánh sử dụng vi điều khiển PIC Đề tài minh chứng tí nh đúng... Một ví dụ robot MURATA phát triển Nhật Bản năm 2005 Vi c điều khiển cân cho Robot hai bánh ứng dụng rộng sang lĩnh vực điều khiển cho robot hai chân, robot ASIMO, nguyên tắc điều khiển cân Có số