Mô hình robot song song kiểu Gough Stewart

Nội dung của đề tài: Thiết kế mô hình cơ khí gồm 2 phần là bệ cố định và tấm chuyển động, sử dụng 6 động cơ RC servo đặt trên bệ cố định. Tấm chuyển động sẽ kết nối với bệ cố định thông qua khớp cầu và thanh dẫn nhằm thay đổi hướng quay và tịnh tiến của tấm chuyển động. Trên mặt phẳng tấm chuyển động sẽ gắn một tấm cảm ứng điện trở đơn điểm nhằm xác định tọa độ di chuyển của viên bi. Giải thuật điều khiển cân bằng viên bi trên mặt phẳng chuyển động dựa trên thuật toán PID. Ngoài ra, mô hình sẽ nhận tín hiệu từ phần mềm mô phỏng để điều khiển tấm chuyển động dựa theo các hướng di chuyển của đối tượng trong phần mềm.

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

- -

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

ĐỀ TÀI:

MÔ HÌNH ROBOT SONG SONG KIỂU

GOUGH - STEWART

Sinh viên: Trần Quốc Tuấn

Nguyễn Hữu Phước Giáo viên: Ts Lê Hoàng Anh

Lạc Hồng, tháng 12/2016

Trường Đại Học Lạc Hồng Khoa Cơ Điện – Điện Tử

Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

MÔ HÌNH ROBOT SONG SONG KIỂU

GOUGH - STEWART

Sinh Viên: Nguyễn Hữu Phước

Trần Quốc Tuấn Hướng dẫn: ThS Lê Hoàng Anh

Lạc Hồng, tháng 12/2016

Trường Đại Học Lạc Hồng Khoa Cơ Điện – Điện Tử

BẢN CAM KẾT KHÔNG ĐẠO VĂN

TÓM TẮT

“Mô hình robot song song kiểu Gough - Stewart” được thiết kế nhằm mục đích sử dụng trong các lĩnh vực mô phỏng bay hoặc lái xe giả lập, hệ thống máy phay CNC 5 trục, giải phẫu trong y học, thiên văn học, giải trí,… Trọng tâm đề tài là thiết kế mô hình

cơ khí gồm 2 phần là bệ cố định và tấm chuyển động, sử dụng 6 động cơ RC servo đặt trên bệ cố định Tấm chuyển động sẽ kết nối với bệ cố định thông qua khớp cầu và thanh dẫn nhằm thay đổi hướng quay và tịnh tiến của tấm chuyển động Trên mặt phẳng tấm chuyển động sẽ gắn một tấm cảm ứng điện trở đơn điểm nhằm xác định tọa độ di chuyển của viên bi Giải thuật điều khiển cân bằng viên bi trên mặt phẳng chuyển động dựa trên thuật toán PID Ngoài ra, mô hình sẽ nhận tín hiệu từ phần mềm mô phỏng để điều khiển tấm chuyển động dựa theo các hướng di chuyển của đối tượng trong phần mềm Kết quả thực nghiệm cho thấy việc áp dụng bài toán động học để điều khiển mô hình là khả thi, tấm chuyển động có khả năng di chuyển linh hoạt cao, giá trị đọc về từ tấm cảm ứng có

độ chính xác cao Tuy nhiên tốc độ đáp ứng của động cơ RC servo còn hạn chế, khả năng chịu tải chưa thực sự tốt do kết nối giữa khớp cầu và thanh dẫn yếu

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài “Mô hình robot song song kiểu Gough - Stewart” nhóm chúng

em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của quý thầy, cô trong khoa Cơ Điện – Điện Tử, trường Đại học Lạc Hồng

Đặc biệt, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Hoàng Anh đã tin tưởng giao đề tài và tận tình hướng dẫn chúng em, phòng thí nghiệm Open Workshop đã tạo điều kiện để chúng em có thể hoàn thành tốt đề tài của mình

Do thời gian và kinh nghiệm nghiên cứu còn hạn chế nên đề tài vẫn còn nhiều thiếu xót Nhóm chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy, cô và các bạn Xin chân thành cảm ơn!

Lạc Hồng, tháng 12 năm 2016

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Hữu Phước Trần Quốc Tuấn

MỤC LỤC

Chương 1 12

TỔNG QUAN 12

1.1 Mục tiêu chọn đề tài 12

1.2 Phương pháp tiếp cận đề tài 12

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới 13

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 13

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 14

1.3.2.1 Hệ thống mô phỏng bay A320 14

1.3.2.2 Hệ thống mô phỏng lái xe giả lập 14

1.3.2.3 Mô hình lái xe đua giải trí 15

1.4 Nội dung đề tài 16

Chương 2 17

GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH 17

2.1 Tìm hiểu về mô hình robot song song kiểu Gough - Stewart 17

2.1.1 Một số ưu và nhược điểm của robot song song 17

2.2 Các bộ phận cấu thành mô hình, cơ cấu chuyển động 18

2.2.1 Các bộ phận trong mô hình 18

2.2.1.1 Bệ cố định 18

2.2.1.2 Tấm chuyển động 19

2.2.1.3 Động cơ Rc Servo 19

2.2.1.4 Màn hình cảm ứng điện trở 20

2.2.1.5 Khớp cầu 21

2.2.1.6 Thanh dẫn 21

2.2.2 Hệ thống mạch điện 22

2.2.2.1 Mạch điều khiển trung tâm Arduino Mega2560 22

2.2.2.2 Mạch nguồn 23

2.2.2.3 Mạch giảm áp 24

2.2.2.4 Arduino USB Host Shield 25

Chương 3 26

CƠ SỞ LÝ THUYẾT, BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 26

3.1 Nguyên lý hoạt động của mô hình 26

3.1.1 Nguyên lý cân bằng viên bi trên tấm chuyển động 26

3.1.2 Nguyên lý điều khiển tấm chuyển động theo các hướng nhất định 27

3.2 Xây dựng bài toán động học và áp dụng vào mô hình thực tế [3] 27

3.2.1 Giới thiệu về các phép quay Roll, Pitch, Yaw và tịnh tiến 28

3.2.2 Ma trận quay tổng quát của mối liên hệ giữa bệ cố định và tấm chuyển động [4] 29

3.2.3 Hệ tọa độ vector bi và pi trên mặt phẳng 30

3.2.4 Các tọa độ qi giữa bệ cố định và tấm chuyển động 32

3.2.5 Tính chiều dài chân ảo li 34

3.2.6 Các toạ độ của khớp cầu trên cánh tay servo 35

3.2.7 Tính toán giá trị góc của cánh tay servo tại vị trí ban đầu 37

3.3 Phương pháp điều khiển động cơ Rc servo 39

3.4 Phương pháp lấy tọa độ điểm từ tấm cảm ứng 40

3.5 Xây dựng thuật toán điều khiển 42

3.5.1 Tìm hiểu về PID 42

3.5.2 Phương pháp chọn thông số PID 44

3.5.3 Thuật toán điều khiển, cân bằng và mô phỏng 45

3.5.3.1 Sơ đồ tổng quát mô hình 45

3.5.3.2 Lưu đồ giải thuật 46

3.6 Phương pháp đọc tín hiệu từ phần mềm mô phỏng để điều khiển mô hình 49

3.6.1 Giao tiếp với phần mềm mô phỏng 49

Chương 4 51

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 51

4.1 Kết quả về mặt lý thuyết 51

4.2 Kết quả về mặt thiết kế và xây dựng 51

4.3 Kết quả thực nghiệm trên mô hình thực tế 52

Chương 5 53

KẾT LUẬN 53

5.1 Kết quả đạt được của đề tài 53

5.2 Quy mô và phạm vi ứng dụng 54

5.3 Tính mới, tính sáng tạo 54

5.4 Hướng phát triển 54

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Mô hình gia công cắt gọt Gough - Stewart 13

Hình 1.2: Hệ thống mô phỏng bay A320 14

Hình 1.3: Hệ thống mô phỏng lái xe 15

Hình 1.4: Mô hình đua xe giải trí F1 16

Hình 2.1: Bệ cố định 18

Hình 2.2: Tấm chuyển động 19

Hình 2.3: Động cơ RC servo 20

Hình 2.4: Tấm cảm ứng 21

Hình 2.5: Khớp cầu 21

Hình 2.6: Thanh dẫn Carbon 22

Hình 2.7: Board Arduino Mega2560 23

Hình 2.8: Mạch nguồn 24

Hình 2.9: Mạch giảm áp DC – DC 25

Hình 2.10: Board Arduino USB Host Shield 25

Hình 3.1: Cân bằng viên bi trên trục X và trục Y 26

Hình 3.2: Nguyên lý tịnh tiến và quay của mô hình 27

Hình 3.3: Các phép quay và tịnh tiến 28

Hình 3.4: a) Hệ tọa độ vector bi trên mặt phẳng bệ cố định b) Hệ tọa độ vector pi trên mặt phẳng tấm chuyển động 30

Hình 3.5: Góc Beta của cánh tay servo 32

Hình 3.6: Hệ tọa độ tham chiếu qi giữa bệ cố định và tấm chuyển động 33

Hình 3.7: Mối liên hệ giữa các vector trong bài toán 34

Hình 3.8: Trục của động cơ servo trong mặt phẳng x và y 35

Hình 3.9: Bố trí động cơ RC servo trên bệ cố định 36

Hình 3.10: Động cơ Rc servo 40

Hình 3.11: Dạng xung PWM điểu khiển servo 40

Hình 3.12: Cấu tạo của tấm cảm ứng 41

Hình 3.13: Các trục X+, X-, Y+, Y- trên tấm cảm ứng 41

Hình 3.14: Cấu tạo mạch điện tấm cảm ứng 42

Hình 3.15: Sơ đồ thuật toán PID 43

Hình 3.16: Sơ đồ khối tổng quát 45

Hình 3.17: Giải thuật chương trình chính 46

Hình 3.18: Giải thuật điều khiển 47

Hình 3.19: Giải thuật cân bằng viên bi 48

Hình 3.20: Giải thuật mô phỏng 49

Hình 3.21: Giao diện phần mềm SimTools 50

Hình 3.22: Giao diện cài đặt các thông số ban đầu 50

Hình 4.1: Mô hình thực tế 52

Hình 4.2: Biểu đồ cân bằng trên trục X và trục Y 53

DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Các thông số xây dựng mô hình 28

Bảng 3.2: Hệ tọa độ vector bi và pi 30

Bảng 3.3: Góc Beta của cánh tay servo so với trục x 32

Bảng 3.4: Chiều dài chân ảo li 35

Bảng 3.5: Kết quả tính toán L 39

Bảng 3.6: Kết quả tính toán M 39

Bảng 3.7: Kết quả tính toán N 39

Bảng 3.8: Góc của mỗi servo tại vị trí ban đầu (đơn vị radian) 39

Bảng 3.9: Góc của mỗi servo tại vị trí ban đầu (đơn vị độ) 39

Bảng 3.10: Phương pháp chọn thông số PID 44

Bảng 3.11: Phương pháp Ziegler-Nichols 44

Bảng 4.1: Thông số quay và tịnh tiến của mô hình 52

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PID (Propotional-Integral-Derivative) Bộ điều khiển vi phân, tích phân, tỉ lệ

RC Servo (Radio Control Servo)

PWM (Pulse-width modulation)

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

ADC (Analog to Digital Converter)

SPI (Serial Peripheral Interface)

USB (Universal Serial Bus)

ITO (Indium tin oxide)

PET (Polyethylene terephthalate)

ứng dụng như mô phỏng bay, lái xe giả lập, giải trí, y học,…

1.2 Phương pháp tiếp cận đề tài

Đề tài được áp dụng dựa trên các phương pháp sau:

• Phương pháp khảo sát các mô hình robot song song sáu bậc tự do đã được nghiên cứu và thực hiện ở trong nước và nước ngoài

• Tìm kiếm cái tài liệu liên quan đến đề tài như mô hình cân bằng viên bi trên mặt phẳng sử dụng robot song song sáu bậc tự do, hệ thống mô phỏng bay giả lập, các bài toán động học liên quan đến robot, phương pháp đọc và lấy tọa độ từ tấm cảm ứng, kỹ thuật lập trình vì điều khiển và thuật toán điều khiển PID

• Sử dụng phần mềm mô phỏng để kiểm chứng các hướng chuyển động của mô hình khi thay đổi giá trị các biến trong bài toán

• Xây dựng thuật toán điều khiển áp dụng vào mô hình và thử nghiệm thực tế

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Qua gần hai năm thực hiện, PGS.TS Lê hoài Quốc cùng nhóm cộng sự đã thiết kế, chế tạo và thi công một robot song song sáu bậc tự do dựa trên nguyên lý Gough – Stewart Platform nhằm phụ vụ cho mục đích gia công, cắt gọt, tạo hình bề mặt phước tạp, có khả năng tạo hình tương đương một máy phay CNC 5 trục với sự chuyển động của bàn máy phay trong phạm vi không gian hoạt động thiết kế [6]

Hình 1.1: Mô hình gia công cắt gọt Gough - Stewart

Thông số kĩ thuật của robot song song 6 bậc tự do:

• Không gian hoạt động dự kiến: X/Y/Z: 400/400/300 mm, ± 250 quanh trục A

• Độ chính xác: ± 50 µm (định vị) ± 25 µm (lặp lại)

• Tốc độ dịch chuyển lớn nhất của bàn máy: theo phương X, Y: 100 mm/s, theo phương Z: 50 mm/s

• Nguồn điện: 25 KVA 3 phase 480 V

• Khối lượng lớn nhất của dụng cụ: 5 kg

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

1.3.2.1 Hệ thống mô phỏng bay A320

Được sản xuất tại hãng Virtual Aerospace, hệ thống huấn luyện bay A320 được xây dựng và đưa vào hoạt động cho việc đào tạo, huấn luyện và xử lý các trường hợp khẩn cấp dành cho các phi công trước khi điều khiển máy bay thật Mặc dù giá trị của toàn bộ

hệ thống lên tới hơn 10.000.000 bảng Anh và người sử dụng phải bỏ ra 399 bảng Anh cho mỗi giờ bay, tuy nhiên sẽ giúp giảm thiểu tối đa các sự cố trong ngành hàng không

Hình 1.2: Hệ thống mô phỏng bay A320

1.3.2.2 Hệ thống mô phỏng lái xe giả lập

Hãng xe hơi nổi tiếng Mercedes-Benz đã áp dụng thành công mô hình lái xe giả lập vào cuối năm 2010 tại Sindelfingen để nghiên cứu về điều khiển phương tiện, mô phỏng các tác động của điều kiện giao thông thực tế,… Mô hình trên đã có những đóng góp quan trọng trong việc phát triển và thử nghiệm các loại xe mới, tạo điều kiện tối ưu hóa

về thiết kế các hệ thống xe hơi thông minh dựa trên các tương tác của người điều khiển [1]

Hình 1.3: Hệ thống mô phỏng lái xe

Thông số kỹ thuật của hệ thống:

• Hệ thống thanh trượt: 28m

• Hệ thống chân dẫn động có chiều dài 1.5m, vận tốc 1.25m/s, gia tốc 1g

• Không gian tịnh tiến: +-1.3m theo trục X, +1.4/-1.3m theo trục Y, +-1m theo trục Z

• Không gian quay: +-20° theo phương Roll, +24°/-19° theo phương Pitch, +-38° theo phương Yaw

1.3.2.3 Mô hình lái xe đua giải trí

Tại một trường đại học bang San Jose nước Mĩ, hai sinh viên cơ khí Tyler Kroymann

và Robert Dee cùng với sự tài trợ của nhiều hãng điện tử trên thế giới đã thành công trong việc thiết kế và chế tạo mô hình đua xe giải trí sáu bậc tự do kiểu Gough – Stewart

Mô hình trên đã nhận được nhiều phản hồi tích cực về nhưng gì họ đã làm được Hơn thế

nữa, Tyler Kroymann và Robert Dee đã thành công khi tạo ra một phiên bản thu nhỏ bằng việc sử dụng bo điều khiển Arduino để điều khiển 6 động cơ RC servo nhằm để chứng minh về khái niệm của phiên bản nguyên mẫu

Sự thành công của mô hình trên như mà một nguồn cảm hứng để nhóm tác giả có thể hoàn thành tốt mục tiêu đề ra trong đề tài của mình

Hình 1.4: Mô hình đua xe giải trí F1

1.4 Nội dung đề tài

Bài báo cáo được chia thành 5 chương:

Chương 1: Tổng quan

• Nêu mục tiêu nghiên cứu đề tài, đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên

cứu

Chương 2: Giới thiệu khái quát về mô hình

• Tìm hiểu về mô hình robot song song sáu bậc tự do

• Các bộ phận cấu thành mô hình, cơ cấu chuyển động

• Hệ thống mạch điện

Chương 3: Cơ sở lý thuyết , bài toán động học và xây dựng thuật toán điều khiển

• Trình bày về nguyên lý cân bằng và điều khiển tấm chuyển động

• Xây dựng bài toán động học và áp dụng vào mô hình thực tế

• Phương pháp điều khiển động cơ RC servo

• Phương pháp lấy tọa độ điểm từ tấm cảm ứng

• Xây dựng thuật toán điều khiển PID và áp dụng vào mô hình để điều khiển

• Phương pháp đọc tín hiệu từ phần mềm mô phỏng để điều khiển mô hình Chương 4: Kết quả thực nghiệm

• Trình bày các kết quả thu được trong quá trình thử nghiệm trên mô hình

thực tế

Chương 5: Kết luận

• Đánh giá, đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài

Chương 2

GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH

2.1 Tìm hiểu về mô hình robot song song kiểu Gough - Stewart

Robot song song kiểu Stewart Platform sáu bậc tự do bao gồm tấm cố định được kết nối với tấm chuyển động thông qua 6 chân dẫn động có khả năng thay đổi chiều dài kết hợp với khớp cầu tại hai đầu chân dẫn sẽ làm thay đổi hướng quay và di chuyển của tấm chuyển động [2]

Trong đề tài này, nhóm tác giả sử dụng động cơ RC servo để thay đổi chiều dài chân dẫn, tại hai đầu của mỗi chân đều có khớp cầu dạng bi và được kết nối với cánh tay servo Sáu chân dẫn có khả năng thay đổi nhờ việc thay đổi góc quay của mỗi servo, sự thay đổi của sáu chân dẫn động sẽ thay đổi góc và hướng của tấm chuyển động Hiện nay trên thế giới đã có nhiều mô hình robot song song được ra đời và áp dụng vào thực tế và

đa số đều áp dụng cơ cấu chân dẫn động thủy lực, điện,…

2.1.1 Một số ưu và nhược điểm của robot song song

+ Nhược điểm:

• Không gian làm việc nhỏ hơn so với loại robot nối tiếp

• Bài toán động học phước tạp

• Thiết kế và chế tạo phước tạp

2.2 Các bộ phận cấu thành mô hình, cơ cấu chuyển động

2.2.1 Các bộ phận trong mô hình

2.2.1.1 Bệ cố định

• Bao gồm 2 bộ phận được thiết kế theo hình lục giác, bán kính đường tròn ngoại tiếp là 98.4 mm, chất liệu bằng Mica 5mm nhằm cố định cho servo không bị di chuyển trong quá trình hoạt động Trên bệ cố định được gắn 6 động cơ RC servo, chia làm ba cặp, mỗi cặp servo cách nhau 120 độ và tại mỗi cặp servo sẽ được bố

trí song song với nhau

Hình 2.1: Bệ cố định

2.2.1.2 Tấm chuyển động

• Được kết nối với bệ cố định thông qua khớp cầu và thanh dẫn, qua đó tấm chuyển động sẽ thay đổi theo các hướng quay và tịnh tiến Chất liệu bằng Mica 10mm, bán kính đường tròn ngoại tiếp là 114.8 mm Trên tấm cố định sẽ được gắn 6 khớp cầu chia làm ba cặp và mỗi cặp cách nhau 120 độ Ngoài ra trên bề mặt sẽ được gắn lên một tấm cảm ứng để xác định tọa độ

+ Mô men xoắn 12kg/cm tại 6.0V và 13kg/cm tại 7.4V

+ Tốc độ hoạt động: 0.14s/60° tại 7.4V và 0.16s/60° tại 6.0V

+ Dòng tiêu hao không tải: 20mA tại 6.0V và 7.4V

+ Dòng tiêu hao có tải: 2.7A tại 6.0V và 2.8A tại 7.4V

• Sử dụng các thanh carbon đặc trong bộ môn máy bay mô hình, đường kính

3mm, chiều dài mỗi thanh dẫn 142mm

Hình 2.6: Thanh dẫn Carbon

2.2.2 Hệ thống mạch điện

Hệ thống mạch điện bao gồm: Mạch điều khiển trung tâm Arduino Mega 2560 là một

bo mạch phát triển của arduino dựa trên chip Atmega2560 Bo arduino sẽ nhận tín hiệu

từ tấm cảm ứng về để điều khiển 6 sevo dựa trên tọa độ của màn hình hoặc nhận tín hiệu

từ phần mềm mô phỏng để điều khiển tấm chuyển động theo các hướng giống với đối tượng trong phần mềm mô phỏng Ngoài ra mạch điều khiển trung tâm còn nhận tín hiệu

từ tay game điều khiển Ps3 để điều khiển tấm chuyển động tịnh tiến theo các trục x, y, z,

và quay theo các hướng roll, pitch, yaw

2.2.2.1 Mạch điều khiển trung tâm Arduino Mega2560

Thông số kĩ thuật của bo Arduino Mega2560:

• Vi điều khiển: Atmega2560

• Điện áp hoạt động: 5V

• Điện áp ngõ vào (đề nghị) : 7 – 12V

• Điện áp ngõ vào (giới hạn): 6 – 20V

• Số chân (I/O) Digital: 54 chân (15 chân PWM)

• Số chân Analog: 16 chân

• Dòng điện tại mỗi chân I/O: 40mA

• Giao tiếp UART: 4 bộ UART

• Bộ nhớ Flash: 256 KB (8KB sử dụng cho Bootloader)

• Điện áp cung cấp: 110 – 240VAC

• Điện áp ngõ ra: 12VDC – 10A

Hình 2.8: Mạch nguồn

2.2.2.3 Mạch giảm áp

Mạch được thiết kế dễ dàng sử dụng với một đầu cấp điện áp và một ngõ ra được điều chỉnh điện áp bằng biến trở tinh chỉnh được gắn trực tiếp trên bo Ngõ vào của mạch sẽ nhận điện áp từ bộ mạch nguồn, ngõ ra sẽ cung cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển và động cơ RC servo Các thông số kỹ thuật:

• Điện áp cung cấp: 4.5 – 30VDC

• Điện áp ngõ ra: 1.25 – 30VDC

• Dòng điện ngõ ra: 12A

• Công suất ngõ ra: 100W

• Tần số hoạt động: 300KHz

• Hiệu suất chuyển đổi: 95%

• Nhiệt độ hoạt động: -40 đến 85°C

Hình 2.9: Mạch giảm áp DC – DC

2.2.2.4 Arduino USB Host Shield

Được dùng để kết nối các thiết bị USB (chuột, bàn phím, Ps3,…) với các board Arduino Trên board sử dụng chip MAX3421E – USB peripheral/ host controller hỗ trợ full – speed USB 2.0 Các thông số kỹ thuật:

• Điện áp cung cấp: 3.3 – 5V

• Chuẩn USB: 2.0 full – speed (12Mbps) và low – speed (1.5Mbps)

Chương 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT, BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ XÂY

DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN

3.1 Nguyên lý hoạt động của mô hình

3.1.1 Nguyên lý cân bằng viên bi trên tấm chuyển động

Để xác định tọa độ và hướng di chuyển của viên bi trên mặt phẳng của tấm chuyển động, trên bề mặt tấm chuyển động sẽ được gắn một tấm cảm ứng điện trở, sự thay đổi của viên bi trên bề mặt của tấm cảm ứng sẽ gửi tọa độ trục x và trục y của viên bi về bo điều khiển Arduino, sau đó bộ điều khiển PID sẽ đọc dữ liệu tọa độ về để so sánh, tính toán vị trí giữa setpoint và vị trí của viên bi, sau khi tính toán xong bo điều khiển sẽ truyền lệnh để điều khiển góc quay của 6 động cơ RC servo dựa trên bài toán động học

để đưa viên bi về vị trí cân bằng Tuy nhiên việc cân bằng viên bi trên mặt phẳng sẽ chỉ cần điều khiển bệ chuyển động quay theo hai hướng là pitch và roll

Để cân bằng được viên bi trên tấm chuyển động, cần phải cân bằng viên bi trên mỗi trục x và trục y thông qua thuật toán cân bằng PID, từ đó tìm ra thông số Kp, Ki, Kd phù hợp để giúp viên bi luôn đứng vững trên bề mặt tấm chuyển động

Hình 3.1: Cân bằng viên bi trên trục X và trục Y

3.1.2 Nguyên lý điều khiển tấm chuyển động theo các hướng nhất định

Để thay đổi tấm chuyển động tịnh tiến theo các trục x, y, z hoặc xoay theo các hướng roll, pitch, yaw, cần thay đổi các biến giá trị trong bài toán động học nghịch Để làm được điều đó, bo điều khiển trung tâm Arduino Mega2560 sẽ nhận tín hiệu giá trị thay đổi từ phần mềm mô phỏng thông qua chuẩn giao tiếp UART hoặc từ tay điều khiển Ps3 thông qua chuẩn giao tiếp SPI Giá trị nhận về sẽ được gán vào các biến trong bài toán động học, từ đó sẽ tấm chuyển động sẽ thay đổi theo hướng tịnh tiến x, y, z, hoặc quay theo các hướng roll, pitch, yaw

Hình 3.2: Nguyên lý tịnh tiến và quay của mô hình

3.2 Xây dựng bài toán động học và áp dụng vào mô hình thực tế [3]

Các hằng số lấy được từ việc xây dựng mô hình: