Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho xe hai bánh tự cân bằng (1)

3 Chương TỔNG QUAN VỀ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 2.1 Sơ lược xe hai bánh tự cân bằng: 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 Hình 2.1 Mô tả nguyên lý giữ thăng bằng[15] Thực ra, trọng tâm toàn xe 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 xe 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 00) Hình 2.2 Mô tả cách bắt đầu di chuyển[15] Nếu tay lái đẩy nghiêng tới trước, xe chạy tới trước đẩy nghiêng sau, xe 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 hai bánh tự cân thiết kế cho người sử dụng 5 2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu: 2.2.1 Tình hình nghiên cứu giới: Trên giới, vài nước, kỹ thuật viên số sinh viên nghiên cứu cho đời dạng xe hai bánh Dưới số thông tin chúng  nBot[18] nBot David P Anderson sáng chế nBot lấy ý tưởng để cân sau: bánh xe phải chạy xe theo hướng mà phần robot ngã Nếu bánh xe lái theo cách đứng vững theo trọng tâm robot, robot giữ cân Hình 2.3: nBot  Balance bot I[30] 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 50cm Khung làm nhôm Nó có hai trục bánh xe nối với hộp giảm tốc động DC cho phát động Tổng cộng có ba vi xử lý Atmel sử dụng Vi điều khiển (master) thi hành nguyên lý kiểm soát thuật toán ước lượng Một vi điều khiển khác kiểm soát tất cảm biến analog Vi điều khiển thứ ba điều khiển động DC Hình 2.4: Balance bot I  Balancing robot (Bbot[28]) Hình 2.5: Bbot Vào năm2003, Jack Wu Jim Bai sinh viên trường Đại học Carnegie Mellon trợ giúp GS Chris Atkeson thực đề tài robot hai bánh tự cân luận văn tốt nghiệp Robot xác định vị trí hướng môi trường lái động theo hướng  JOE [20] Hình 2.6: JOE Phòng thí nghiệm điện tử công nghiệp Viện Công nghệ Federal, Lausanne, Thụy Sĩ, tạo cách mạng xây dựng mô hình xe hai bánh Robot JOE cao 65cm, nặng 12kg, tốc độ tối đa khoảng 1,5m/s, có khả leo dốc nghiêng đến 30o Nguồn điện cấp nguồn pin 32V - 1,8Ah  Equibot [29] Hình 2.7 Equibot Equibot robot cân Dan Piponi thực sử dụng vi điều khiển ATMega32  BaliBot [31] Balibot, robot hai bánh tự cân bằng, mẫu robot hai bánh có trọng tâm phía bánh xe Không có hệ thống điều khiển hoạt động, robot bị ngã Khi robot có nhận biết hướng mà ngã, bánh xe di chuyển phía ngã thẳng góc với 9 Hình 2.8 BaliBot  Bender [23] Hình 2.9 : Bender Robot cân Bender đề án TedLarson, San Francisco thực Mục tiêu ông xây dựng robot tự cân mặt sàn, từ dùng làm (platform) để xây dựng robot tự hành dùng bánh xe 10  Segway [25] Hình 2.10: Segway Không giống xe hơi, Segway có hai bánh – trông xe đẩy tay thông thường – kiểm soát hoạt động tư thẳng đứng Để di chuyển đến trước hay lùi sau, người lái đứng Segway việc nghiêng phía trước hay phía sau Để quẹo trái hay phải, người lái quay tay lái qua hướng cần di chuyển  Balancing scooter [19] Trevor Blackwell chế tạo xe scooter dựa theo Segway hãng Mỹ Xe scooter tự cân xây dựng từ phận giống động xe lăn từ cục pin xe RC Những phận module để chế tạo có giá thành thấp phân nửa Segway Nó không cần phần mềm thực thi cao hay phức tạp Phiên viết Python sử dụng port số để truyền thông tin đến quay hồi chuyển mạch điều khiển động 11 Hình 2.11: Balancing scooter  HTV [20] Hình 2.12: HTV 12 Nhóm sinh viên ngành kỹ thuật HTV trường đại học Camosun gồm thành viên Brian Beckwith, Eric Desjardins, Chris Howard, Joel Murphy, Matt Uganecz, Jack Woolley đến từ bang khác Victoria, British Columbia Canada.Tháng 3/2004, họ cho đời sản phẩm scooter HTV đề án tốt nghiệp đại học họ  Spider [22] Hình 2.13: Spider Francisco Lobo cho đời Spider vào cuối tháng 2/2004, trông giống scooter robot, nhiên có ứng dụng hai lĩnh vực Nó giữ cân tình huống, di chuyển, lượn vòng quanh Scooter điều khiển hai động hãng NPC gia tốc kế hai trục thiết bị analog, chứa hai thành phần chính: cảm biến Gyro kỹ thuật silicon BasicX (vi điều khiển) Khung xe chế tạo từ khung nhôm sợi carbon Bộ lái MOSFET động lái module từ Roboteq dùng robot chiến đấu Nguồn điện loại dùng mô hình RC (NiMh 3000mAh) 13 2.2.2 Tình hình nghiên cứu nước Hiện chưa có thông tin cụ thể việc chế tạo thương mại hóa xe hai bánh tự cân dùng robot xe hai bánh tự cân Việt Nam Các đề án xe hai bánh tự cân dừng lại mô hình phòng thí nghiệm trường đại học 2.3 Nhận xét hướng tiếp cận Nhận xét: qua công trình nghiên cứu tác giả nêu trên, ta nhận thấy có nhiều phương pháp để giải vấn đề điều khiển cho xe hai bánh tự cân Tuy nhiên, phương pháp có ưu, khuyết điểm thể qua kết mô mà báo Hướng tiếp cận: xây dựng điều khiển trượt ổn định hóa cho xe hai bánh tự cân nhằm điều khiển giữ thăng bằng, xây dựng điều khiển gán cực điểm để bám theo góc chuyển hướng mong muốn  ... đề điều khiển cho xe hai bánh tự cân Tuy nhiên, phương pháp có ưu, khuyết điểm thể qua kết mô mà báo Hướng tiếp cận: xây dựng điều khiển trượt ổn định hóa cho xe hai bánh tự cân nhằm điều khiển. .. Hiện chưa có thông tin cụ thể việc chế tạo thương mại hóa xe hai bánh tự cân dùng robot xe hai bánh tự cân Việt Nam Các đề án xe hai bánh tự cân dừng lại mô hình phòng thí nghiệm trường đại học 2.3... Dan Piponi thực sử dụng vi điều khiển ATMega32  BaliBot [31] Balibot, robot hai bánh tự cân bằng, mẫu robot hai bánh có trọng tâm phía bánh xe Không có hệ thống điều khiển hoạt động, robot bị