Nghiên cứu, thiết kế chế tạo và điều khiển mô hình ổn định khí động hai cánh nâng dùng thuật toán PID

1 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH .2 DANH MỤC BẢNG .3 LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan cấu hai cánh nâng 1.1.1 Tổng quan cấu hai cánh nâng .5 1.1.2 Tổng quan thiết bị với NI ELVIS 1.2 Tổng quan Arduino kỹ thuật lập trình nhúng Labview Arduino .12 1.2.1 Tổng quan Arduino 12 1.2.2 Tổng quan LabVIEW 13 1.2.3 Lập trình nhúng Labview Arduino 18 1.3 Tính cấp thiết đặt vấn đề ngiên cứu đồ án 22 1.3.1 Tính cấp thiết 22 1.3.2 Vấn đề ngiên cứu đồ án .22 1.4 Kết luận 23 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 24 2.1 Lựa chọn kết cấu 24 2.1.1 Phân tích yêu cầu .24 2.1.2 Thiết kế tổng thể mơ hình 24 2.2 Xây dựng mơ hình động lực học, tính hàm truyền đạt .26 Mơ hình hóa hệ 26 2.3 Thiết kế mơ hình khí 29 2.3.1 Thanh đỡ .29 2.3.2 Gá gối đỡ .30 2.3.3 Gá đỡ 30 2.3.4 Khớp nối trục .31 2.3.5 Phần đế .31 2.3.6 Mơ hình hồn thiện 32 DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG LỜI NĨI ĐẦU Xây dựng thí nghiệm để phục vụ nhu cầu học tập chiếm quan tâm học sinh, sinh viên, giảng viên Từ tình hình thực tế đó, việc xây dựng panel thí nghiệm điều cần thiết cho nhu cầu thực hành ngày quan tâm Vấn đề xây dựng panel thí nghiệm phục vụ cho nhu cầu học tập nước ta quan tâm đầu tư, phát triển, hướng dẫn thầy giáo Nguyễn Anh Văn thầy Nguyễn Văn Thắng, thực đồ án:”Nghiên cứu, thiết kế chế tạo điều khiển mơ hình ổn định khí động hai cánh nâng dùng thuật toán PID” CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan cấu hai cánh nâng 1.1.1 Tổng quan cấu hai cánh nâng Hệ thống vận hành nhờ hai quạt gió DC gắn đối xứng hai đầu đỡ Góc quay liên kết đo nhờ sử dụng cảm biến gia tốc MPU 6050 Một số ví dụ cấu hai cánh nâng giới là máy bay lên thẳng chuyển đổi sang máy bay cánh quạt V- 22 Osprey, tên lửa, khí cầu máy bay phản lực Các thiết bị bay thường khó mơ hình hóa Thơng thường điều liên quan đến việc sử dụng công cụ nhận dạng hệ thống phần mềm để xác định thơng số Do tính phức tạp chúng, hệ thống bay thường chia nhỏ thành hệ thống khác để giúp dễ quản lý Các hệ thống xử lý riêng lẻ sau tích hợp để cung cấp giải pháp tổng thể Cơ cấu hai cánh nâng hệ thống đa thiết kế để dạy chứng minh nguyên tắc động lực bay, thiết kế riêng cho NI ELVIS phần mềm LabVIEW, hệ thống dễ dàng cấu hình để chứng minh kỹ thuật điều khiển khác Cơ cấu hãng Quanser phát triển dùng phòng thí nghiệm Hình 1.1 Sơ đồ khối kết nối Quanser QNET VTOL + board NI ELVIS II PC Hình 1.2 Quanser QNET 1.0 VTOL Board + NI ELVIS II Hình 1.3 Các phận panel QNET 1.0 VTOL Bảng 1: Các phận panel QNET 1.0 VTOL STT 10 11 12 13 14 15 15 Các phận Động DC Dây kết nối khuếch đại tới động Bộ giữ cánh quạt Lá chắn cánh quạt Thanh đỡ Trục encoder Cánh tay đỡ Bu lông, đai ốc cố định Encoder với gá encoder Encoder Đối trọng Bu lông, đai ốc gắn cố định đối trọng vào khung đỡ Kết nối PCI với NI ELVIS Mạch công suất Nguồn 12V Công tắc Đèn Led Hình 1.4 Quanser QNET 2.0 VTOL Board + NI ELVIS II Hình 1.5 Các phận panel QNET 2.0 VTOL 10 Bảng 2: Các phận panel QNET 2.0 VTOL STT 10 11 12 13 14 Các phận Encoder Trục encoder Đèn led Cơng tắc đèn led Nguồn 12V Cầu chì Hiển thị nguồn đèn led Đối trọng Động DC quạt Kết nối PCI Cánh tay đỡ chân kết nối encoder chân kết nối encoder chân kết nối động 1.1.2 Tổng quan thiết bị với NI ELVIS Là thiết bị dùng để thiết kế thiết lập mạch thực hành cho mạch điện, điều khiển, dụng cụ điện, thông tin liên lạc thí nghiệm điện - điện tử Tích hợp thiết bị ảo: Oscilloscope, đồng hồ đa kỹ thuật số (Digital Multimeter – DMM), máy phát xung (Function Generator), nguồn cung cấp (Variable Power Supply), thiết bị phân tích Bode (Bode Analyzer), máy phát sóng ngẫu (Arbitrary Waveform Generator), phân tích tín hiệu động (Dynamic Signal Analyzer – DSA), phân tích Dòng/Áp với mã nguồn LabVIEW Thiết kế mới, mỏng với kiểu kết nối mở cho board thực tập hãng khác Đồng hồ đo đa DMM kiểu cách ly cho tín hiệu tốt Trang bị bo (board) cầu chì bảo vệ (có thể thay được) trường hợp xảy ngắn mạch hay điện áp cao Giao tiếp với máy tính qua cổng USB tốc độ cao, dùng để giảng dạy sinh viên cho tất năm, giúp sinh viên học sở lý thuyết thực hành, từ thiết kế mạch điện đến thơng tin liên lạc Đặc điểm thiết bị 21 Hình 1.12 Các khối module lập trình nhúng LabVIEW lên Arduino Có nhiều khối dùng để lập trình, giao tiếp LabVIEW với Arduino LabVIEW cung cấp cho người dùng khối tín hiệu số tín hiệu tương tự, giao thức truyền thơng SPI, I2C, khối ngắt Ở ta nhúng trực tiếp code LabVIEW xuống Arduino không cần thông qua phần mềm IDE Khi viết code phầm mềm LabVIEW trực quan, dễ dàng viết sửa lỗi sử dụng ngôn ngữ Graphical (đồ họa) sử dụng ngơn ngữ Arduino với phầm mềm lập trình IDE chuyên dùng cho mạch Arduino Các khối để lập trình nhúng giao tiếp với LabVIEW: : Dùng để cấu hình chân mạch Arduino định để hoạt động đầu đầu vào 22 : Đọc giá trị từ chân kỹ thuật số định trả giá trị cao thấp : Viết mức cao (True) mức thấp (False) đến chân kỹ thuật số định : Viết giá trị tương tự(PWM) thiết lập giá trị PWM đến chân xác định khác : Cài đặt tốc độ Baud để truyền tải liệu Với Arduino Uno ta cài đặt tốc độ 11520 Baud, Arduino Mega 9600 : Bộ chờ cho việc truyền tải liệu nối tiếp : Viết tín hiệu chuỗi lên chân serial Sau viết chương trình xong LabVIEW ta vào Tool công cụ sau chọn vào Arduino compatible compiler for Labview để tiến hành kết nối với mạch Arduino (Hình 1.14) 23 Hình 1.13 Thanh cơng cụ Toll LabVIEW Sau hình sau: Hình 1.14 Giao diện lập trình nhúng LabVIEW Arduino Sau cài đặt cổng COM xong ta nhấn vào nút download chương trình xuống Labview tự động tải chương trình viết lên Arduino Để hiển thị tín hiệu serial ta nhấn vào nút tín hiệu serial 1.3 Tính cấp thiết đặt vấn đề ngiên cứu đồ án 1.3.1 Tính cấp thiết Hiện phòng thí ngiệm môn Cơ điện tử robot đặc biệt điều kiện hạn chế chưa có nhiều thí ngiệm phục vụ môn học chuyên ngành khác đặt tính cần thiết xây dựng mơ hình thí ngiệm sát với môn học chuyên ngành Cơ điện tử Mơn học phân tích tổ hợp hệ thống điện tử giúp học viên phân tích, xây đựng mơ hình hóa hệ thống điện tử xây dựng hàm truyền để tổng hợp điều khiển Đây mơn học chun ngành quan trọng 24 không học tập nắm lý thuyết mà cần thực hành để vận dụng kiến thức học vào thực tế Hiện tại, phần mềm Labview hãng NI phát triển, ứng dụng rộng rãi toàn giới, việc ứng dụng xây dựng panel thí ngiệm phát triển rộng rãi Chính tơi chọn đồ án “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo điều khiển mơ hình ổn định khí động hai cánh nâng dùng thuật tốn PID” để phục vụ nhu cầu học tập, thí nghiệm sinh viên, vận dụng kiến thức học môn phân tích tổ hợp hệ thống điện tử để xây dựng hàm truyền, tổng hợp điều khiển 1.3.2 Vấn đề ngiên cứu đồ án Đồ án tập trung nghiên cứu vấn đề sau: - Tìm hiểu bo mạch Arduino - Tìm hiểu lập trình nhúng LabVIEW lên mạch Arduino - Tính tốn, thiết kế, gia cơng mơ hình - Tổng hợp điều khiển PID số - Viết chương trình điều khiển 1.4 Kết luận Trong chương này, tơi tìm hiểu mẫu cấu bay lên thẳng bậc tự hãng Quanser Tìm hiểu phận cấu đồng thời tìm hiểu thiết bị NI ELVIS.Tìm hiểu lập trình nhúng LabVIEW lên Arduino Xác định tính cấp thiết đặt vấn đề nghiên cứu đồ án Trong chương ta tính tốn, thiết kế hệ thống khí mơ hình 25 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 2.1 Lựa chọn kết cấu 2.1.1 Phân tích u cầu u cầu xây dựng mơ hình cấu hai cánh nâng phải chắn, rung xóc Trọng tâm di chuyển để tăng khả linh hoạt mơ hình Mơ hình gắn cảm biến điện trở để gửi tín hiệu xuống vi điều khiển để điều khiển tốc độ động Mục tiêu thiết kế cấu khí đơn giản, tiêu hao lượng 2.1.2 Thiết kế tổng thể mơ hình Qua trình tham khảo phiên cấu bay lên thẳng bậc tự hãng Quanser có số phận quạt gió DC, đối trọng, cảm biến góc, đỡ để điều khiển góc, cảm biến điện trở Qua vấn đề nghiên cứu ta xây dựng hệ thống gồm có khâu khớp Trong q trình tham khảo mơ hình, dựa vật liệu có sẵn thị trường ta chọn mơ sau: Hình 2.1 Mơ hình thiết kế 3D 26 Các chi tiết chủ yếu mơ hình thực tế chế tạo: Bảng 3: Các chi tiết mơ hình STT Tên chi tiết Số lượng Thanh đỡ Trục quay Gối đỡ trục đứng Gá gối đỡ Đế Động DC(quạt) Cảm biến gia tốc Gá khung đỡ Dựa vào phần thiết kế tổng thể mơ hình ta đặt số thơng số ban đầu cấu bay lên thẳng bậc tự sau: Góc đáp ứng    (rad ) 360 với thời gian xác lập t  0,1( s) Coi đỡ thẳng đồng chất có chiều dài 980 cm có khối lượng 0,11(kg) Coi vị trí cân đỡ song song với đế   (rad), góc quay giới hạn mơ hình là:  �(   , ) 12 27 2.2 Xây dựng mơ hình động lực học, tính hàm truyền đạt Mơ hình hóa hệ Hình 2.2 Mơ hình hệ Bảng thơng số hệ: ST Các thông số Ký hiệu T Khối lượng dầm Khối lượng quạt M mA Khối lượng quạt mB Mơ men qn tính quạt so với trục quay qua điểm O Mô men quán tính quạt so với trục quay qua điểm O Mơ men qn tính dầm so với trục quay qua điểm O JA JB JD Chiều dài dầm Gia tốc trọng trường L g Góc dầm so với phương ngang  10 Lực đẩy quạt FA 11 Lực đẩy quạt FB Động hệ xác định sau: Đại lượng 28 T  TD  TA  TB (1) TD : động dầm TA : Động quạt TB : Động quạt Động dầm quay quanh điểm O cố định ( TD ) xác định sau: J D&2 (2) Ở đây, J D mơ men qn tính dầm so với trục quay O TD  Động đầu A dầm tác động xác định sau: TA  J A&2 (3) Động đầu B dầm tác động xác định sau: TB  J B&2 (4) Như vậy, động hệ xác định sau: T 1 J D&2  J A&2  J B&2 2 (5) Viết rút gọn lại phương trình (5) có: T  J D  J A  J B  &2 (6) Chọn gốc độ cao tương ứng với độ cao điểm O, hệ xác định sau:   D   A  B Tại điểm O,  D =0 đẩu A B xác định bởi: L  A   m A g sin   B  mB g L sin  (7) (8) (9) 29 Từ phương trình trên, xác định : g L sin  (mB  m A ) (10) Phương trình Lagrange II xây dựng sau: L  �T  � L (11) 1  J D  J A  J B  &2  gL sin  (mB  mA ) 2 Từ thành lập phương trình Lagrange II mơ tả chuyển động hệ sau: d �� L� � L  � &� dt �� ��  (12)  mơ men tạo trục dầm Thực tính biểu thức vi phân phương trình Lagrange II: � L   gL(m2  m1 )cos �  ; � L   J D  J A  J B  & � & Qi  �   A   B  FA L L L  FB  ( FA  FB ) 2 Thế biểu thức vi phân vào phương trình, thu được:  J D  J A  J B  && L gL(m2  m1 )cos   ( FA  FB ) 2 (13) Tiến hành tuyến tính hóa phương trình Error: Reference source not found với góc α nhỏ, cos(alpha) = Đặt F = FA – FB, thu nhận phương trình xấp xỉ tuyến tính (13) sau:  J D  J A  J B  && L F (14) (14) Thực phép biến đổi Laplace phương trình Error: Reference 30 source not found, thu được:  J D  J A  J B  s 2 s  L Fs (15) Từ phương trình Error: Reference source not found có hàm truyền đạt góc lệch dầm với hiệu lực đẩy cánh quạt sau:  AB ( s )  s L  Fs  J D  J A  J B  s 2.3 Thiết kế mơ hình khí 2.3.1 Thanh đỡ Ta sử dụng quạt SUNON-PMD1212PTB1-A có thơng số hình học phần tính chọn động Chính ta thiết kế cho quạt gió gắn chặt vào đỡ định vị mối ghép bu lông đai ốc Trên đỡ ta thiết kế cho di chuyển trọng tâm Trên đỡ ta thiết kế lỗ để bắt cố định khung đỡ vào gá khung đỡ Hình 2.3.1 Thanh đỡ 31 2.3.2 Gá gối đỡ Gá gối đỡ bắt ốc định vị vào đế mối ghép bu lông đai ốc đảm bảo gắn chắn vào phần đế Gối đỡ định vị gá gối đỡ mối ghép bu lơng đai ốc Hình 2.3.2 Gá gối đỡ 2.3.3 Gá đỡ Gá đỡ có nhiệm vụ gá đỡ lên nhờ mối ghép bu lông đai ốc Ta khoan lỗ để nối cứng gá đỡ trục quay nhờ vít chí Hình 2.3.3 Gá khung đỡ 32 2.3.4 Khớp nối trục Khớp nối trục phận khí để nối truyền mơ men xoắn hai thành phần chuyển động, thông thường nối trục Khớp nối cứng nối trục có đường tâm đường thẳng không di chuyển tương Trên thị trường có nhiều loại khớp nối trục khác nhau, để phù hợp với trục encorder trục quay nên ta chọn loại khớp nối trục có kích thước �8 Hình 2.3.4 Khớp nối trục 2.3.5 Phần đế Phần đế thiết kế giữ cho mơ hình cố định, phù hợp với chiều dài đỡ, thiết kế để bắt ốc cố định gá gối đỡ Hình 2.3.5 Phần đế 33 2.3.6 Mơ hình hồn thiện Hình 2.3.6 Mơ hình 3D hồn thiện mơ hình 34 CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH GĨC NGHIÊNG GIỮA HAI CÁNH NÂNG 3.1 Tổng quan quay vi Con quay vi hay gọi cảm biến vận tốc góc dùng để đo vận tốc góc quay Với giá thành ngày hạ, kích th ước ngày thu nh ỏ, quay vi dùng rộng rãi công nghiệp ôtô (cân b ằng, ều khiển phanh, tăng tốc); điện tử dân dụng (máy ảnh, máy giặt, th ực ảo); robot đặc biệt quân Ngoài ra, quay vi c đ ược s d ụng kết hợp với cảm biến gia tốc phục vụ dẫn đường cho máy bay, tên lửa… Cảm biến gia tốc góc nghiêng MPU-6050 Module cảm biến gia tốc MPU-6050 tích hợp 2 loại cảm biến: cảm biến gia tốc (accelerometer) cảm biến quay (gyroscope) - Accelerometer (gọi tắt accel): tên gọi nó, accel đơn giản cảm biến đo gia tốc thân module th ường có trục xyz ứng với chiều không gian (loại trục dùng) L ưu ý accel đo gia tốc trọng lực nên giá trị thực đo bao gồm trọng lực - Gyroscope (gọi tắt gyro): loại cảm biến đo tốc độ quay quanh trục Tương tự với accel, gyro th ường có trục xyz Một ví dụ đơn giản, bạn đặt chip MPU-6050 thẳng đ ứng để im không chuyển động, giá trị trả accel = [0.0, -9.8, 0.0] gyro = [0.0, 0.0, 0.0] có trọng lực trái đất tác dụng lực khơng có chuyển động quay Lưu ý gyro ch ỉ đo t ốc đ ộ quay khơng đo trực tiếp góc quay, nên bạn quay module m ột góc dừng, giá trị gyro tăng lên hạ xuống Thông số kỹ thuật - Chip: MPU-6050 ( 16bit ADC, 16bit data out ) - Giá trị Gyroscapes khoảng: +/- 250 500 1000 2000 degree/sec - Giá trị Acceleration khoảng: +/- 2g, +/- 4g, +/- 8g, +/- 16g - Giao tiếp: I2C - Nguồn sử dụng: 3V - 5V (DC) 35 ... đồ án: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo điều khiển mơ hình ổn định khí động hai cánh nâng dùng thuật toán PID 6 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan cấu hai cánh nâng 1.1.1 Tổng quan cấu hai cánh nâng. .. chọn đồ án Nghiên cứu, thiết kế chế tạo điều khiển mơ hình ổn định khí động hai cánh nâng dùng thuật tốn PID để phục vụ nhu cầu học tập, thí nghiệm sinh viên, vận dụng kiến thức học môn phân tích... led Đối trọng Động DC quạt Kết nối PCI Cánh tay đỡ chân kết nối encoder chân kết nối encoder chân kết nối động 1.1.2 Tổng quan thiết bị với NI ELVIS Là thiết bị dùng để thiết kế thiết lập mạch