Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử: Xe hai bánh tự cân bằng

Đề tài xe hai bánh tự cân bằng có thể xem là dựa trên kết quả của con lắc ngược .Nó được xem như là nền tảng cho việc nghiên cứu và chế tạo những loại robot hai chân, robot người trong tương lai. Mục tiêu của đề tài là thiết kế và chế tạo một xe hai bánh tự cân bằng, dựa trên lý thuyết cân bằng con lắc ngược. Điểm đặc biệt của đề tài là nghiên cứu và tạo ra mô hình xe có hai có hai bánh lắp song song với nhau, không giống như những chiếc scooter hay những chiếc xe hai bánh lắp theo kiểu bánh trước bánh sau.

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Khoa Khí Đồ án thiết kế hệ thống Cơ Điện Tử Xe hai bánh tự cân GVHD: Đoàn Thế Thảo Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá An Cao Nhật Quang Lê Ngọc Thường 20900014 20902087 20902718 Mô điều khiển PID2 Lời cám ơn …Xin gửi lời cám ơn tới thầy Đồn Thế Thảo tận tình hướng dẫn nhóm em q trình thực đồ án mơn học.Sự hỗ trợ từ gia đình, bạn bè động lực to lớn để nhóm em hồn thành đồ án Chúng em làm việc nghiêm túc cố gắng hồn thành tốt đồ án, nhiên khơng tránh khỏi sai sót q trình thực Kính mong thầy bạn góp ý để đồ án chúng em hoàn thiện tốt Chúng em xin chân thành cảm ơn Nhóm sinh viên thực đề tài Mô điều khiển PID3 Mục lục: Mô điều khiển PID4 I Giới thiệu Đề tài xe hai bánh tự cân xem dựa kết lắc ngược Nó xem tảng cho việc nghiên cứu chế tạo loại robot hai chân, robot người tương lai Mục tiêu đề tài thiết kế chế tạo xe hai bánh tự cân bằng, dựa lý thuyết cân lắc ngược Điểm đặc biệt đề tài nghiên cứu tạo mơ hình xe có hai có hai bánh lắp song song với nhau, không giống scooter hay xe hai bánh lắp theo kiểu bánh trước bánh sau Đề tài xuất phát từ ý tưởng xe hai bánh segway thương mại hóa thị trường Kết hợp ý tưởng cách giữ thăng người đôi chân độ động di chuyển loại xe di chuyển hai bánh Thông qua nghiên cứu , phần nắm bắt ý tưởng thăng cho loại robot dạng người, cách phối hợp xử lý tín hiệu tốt từ cảm biến Mơ hình xe có hai bánh đặt dọc trục với khác với xe hai bánh thơng thường có hai trục nằm song song.Để xe khơng bị ngã trọng tâm mơ hình phải nằm vùng đỡ bánh xe Do mơ hình có sử dụng biến trở đóng vai trị cảm biến để đo góc nghiêng thân xe, ba biến trở làm nhiệm vụ điều chỉnh hệ so Kp , KI, Kd với mục đích lái trọng tâm vào phạm vi để xe đứng di chuyển 1.1.Xe hai bánh tự cân Đối với xe ba bốn bánh , việc thăng ổn định chúng nhờ vào trọng tâm chúng nằm bề mặt chân đế bánh xe tạo Đối với loại xe hai bánh có cấu trúc xe đạp,việc thăng khơng di chuyển hồn tồn khơng thể, việc thăng xe dựa tính chất quay hồi chuyển hai bánh xe quay Còn xe hai bánh tự cân loại xe mà hai bánh lắp trục, xe cân trọng tâm xe phải giữ hai bánh xe Điều giống việc giữ gậy dựng thẳng đứng cân ngón tay H Nguyên lý giữ thăng Mô điều khiển PID5 Thực ra, trọng tâm tồn scooter khơng biết nằm vị trí nào, khơng có cách tìm khơng có khả di chuyển bánh xe đủ nhanh để giữ ln tồn trọng tâm Về góc độ kỹ thuật, góc sàn scooter chiều trọng lực biết Do vậy, thay tìm việc xác định trọng tâm tìm góc nghiêng xe để lái xe vị trí thẳng đứng xe bị nghiêng.Nếu xe đẩy nghiêng phía trước , điều khiển tín hiệu điều khiển xe phía trước, bị ngã nghiêng sau điều khiển tín hiệu điều khiển xe chạy lùi để giữ xe vị trí thăng 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 người khác nên xe hai bánh tự cân thiết kế cho người sử dụng 1.2 Mục đích thiết kế xe hai bánh tự cân Những mobile robot hầu hết robot di chuyển ba bánh xe, với hai bánh lái lắp ghép đồng trục bánh nhỏ Có nhiều kiểu khác kiểu thông dụng Còn xe bốn bánh, thường đầu xe có hai bánh truyền động đầu xe lại gắn hai bánh lái Việc thiết kế xe ba hay bốn bánh làm cho xe , mobile robot thăng ổn định nhờ trọng lượng chia cho hai bánh lái bánh hay cho khác để đỡ trọng lượng xe Nếu trọng lượng đặt nhiều vào hai bánh lái xe hay robot khơng ổn định dễ bị ngã cịn đặt trọng lượng xe nhiều vào bánh hai bánh khả bám Nhiều thiết kế xe, robot di chuyển tốt địa hình phẳng khơng thể di chuyển tốt địa hình lồi lõm Khi di chuyển lên đồi, trọng lượng xe hay robot dồn vào đuôi xe làm bánh bánh lái khả bám trượt ngã, bậc thang dừng hoặt động Khi di chuyển xuống đồi trọng tâm thay đổi phía trước làm cho xe hay robot bị lật úp cầu thang, bị lật úp độ dốc từ 150 đến 200 Việc bố trí bống bánh xe, giống xe đồ chơi hay loại xe bốn bánh sử dụng giao thông không gặp vấn đề điều làm cho mobile robot không gọn gàng thiết kế phận lái gặp chút phiền tối để xác định xác quãng đường Ngược lại, xe hai bánh dạng đồng trục lại thăng linh động di chuyển địa hình phức tạp, thân hệ thống không ổn định Khi lên dốc, tự động nghiêng phía trước giữ trọng lượng dồn hai bánh lái Tương tự vậy, bước xuống dốc, nghiêng sau giữ trọng tâm rơi vào bánh lái Chính vậy, khơng có tượng trọng tâm xe rơi Mô điều khiển PID6 ngồi vùng đỡ bánh xe, xe vượt qua địa hình an tồn mà loại xe khác khơng vượt qua được.Do đó, địa hình lồi lõm ứng dụng thực tế, thăng xe hai bánh mang lại nhiều ý nghĩa thực tiễn giới hạn ổn định xe ba bánh truyền thống 1.3 Khả ứng dụng Xây dựng phương tiện vận chuyển khu vực chật hẹp, di chuyển chung cư tịa nhà cao tầng, dùng trợ giúp di chuyển cho người già trẻ em Làm phương tiện vận chuyển hàng hóa dến nơi lập trình sẵn tịa nhà , phịng làm việc, khơng gian chật hẹp khó xoay trở Làm tiền đề nghiên cứu việc kết hợp với robot dò đường, robot lái mặt đường, robot camera để gia tăng chức hiệu làm việc robot Mô điều khiển PID7 II Thiết kế khí: Ý tưởng thiết kế: 1.1.Đo góc thân xe với hướng trọng lực Trên xe gắn lắc thuận Con lắc ln có xu hướng xi theo hướng trọng lực, sử dụng điều để đo góc thân xe lắc Mơ hình kiều có ưu điểm đo góc nghiêng mà khơng phụ thuộc vào góc nghiêng mặt đường, bất địa hình phẳng hay lên xuống không ảnh hưởng đến hoạt động xe (ở ý tưởng sau thấy ảnh hưởng địa hình) Tuy nhiên có vấn đề: lắc dao động, để giảm dao động cần tăng ma sát trục quay, điều ảnh hướng tới đáp ứng xe Theo quan điểm nhóm em mơ hình kiểu khơng ổn định, khó cân Mơ điều khiển PID8 1.2.Đo góc thân xe mặt sàn Ở kiểu mơ hình này, lắc thuận kéo dài, tiếp xúc với mặt sàn, góc đo góc thân xe mà mặt sàn Do lắc tiếp xúc với mặt sàn nên k bị dao động, đáp ứng nhanh Tuy nhiên góc đo góc lắc với mặt sàn, nên xe hoạt động mặt phẳng có độ nghiêng khơng đổi Mơ điều khiển PID9 Cơ sở thiết kế mơ hình: ϴ” = (g / R)ϴ (cơng thức lấy từ tài liệu 00964A – Microchip, lắc ngược) Gia tốc góc lắc ngược tỉ lệ nghịch với R khoảng cách từ tâm xoay tới trọng tâm lắc Như mơ hình có trọng tâm cao dễ cân bằng, ổn định, phần thân đổ chậm, điểm quan trọng, giúp cho công việc sau dễ dàng Mô điều khiển PID10 Lựa chọn truyền Nhóm em đưa hai phương án là: sử dụng truyền bánh đai 3.1.Bộ truyền bánh Bộ truyền bánh làm việc theo nguyên lý ăn khớp, thực truyền chuyển động công suất dựa vào ăn khớp bánh Ưu điểm: • • • • • Kích thước nhỏ, khả tải lớn Tỷ số truyền khơng thay đổi Hiệu suất cao, đạt từ 0.97 – 0.99 Làm việc với vận tốc cao Tuổi thọ, độ tin cậy cao Nhược điểm: • Chế tạo phức tạp • Địi hỏi độ xác cao • Có nhiều tiếng ồn vận tốc lớn 3.2.Bộ truyền đai Bộ truyền đai làm việc theo nguyên lý ma sát, tải trọng truyền nhờ lực ma sát sinh dây đai bánh đai Ưu điểm: • Truyền động trục xa • Làm việc êm khơng ồn • Nhờ tính chất đàn hồi đai nên có khả tránh đc dao động lớn sinh tải trọng thay đổi • Đề phịng q tải nhờ khả trượt đai • Kết cấu, vận hành đơn giản Nhược điểm: • Kích thước truyền lớn • Tỉ số truyền thay đổi trượt • Tuổi thọ thấp 3.3.Kết luận Bộ truyền đai nhờ khả làm việc êm khơng cần xác cao khoảng trục truyền bánh nên giải pháp tốt cho phần truyền động mơ hình Tuy nhiên chuyền bánh (nhựa), thực tế dễ dàng mua giá TRISD = 0; ANSELH = 0; // khai chon ngo vao so } // void write_LCD(unsigned char a, unsigned char t) { // VÐK RD0 RD3 tuong duong LCD: BD4 BD7 unsigned char x; LCD_RW=0; LCD_RS=a; x=t; x=x>>4; // dich phai bit de lay 4bit cao PORTD=((PORTD & 0xF0)|(x & 0x0F)); LCD_STROBE(); delay_us(30); PORTD=((PORTD & 0xF0)|(t & 0x0F)); LCD_STROBE(); delay_us(30); } // void init_LCD(void) // hàm khoi tao LCD theo buoc muc 6.2.3 { LCD_RS =0; write_LCD(0,0x33); delay_ms(65); write_LCD(0,0x32); delay_ms(65); write_LCD(0,0x28); delay_ms(65); write_LCD(0,0x01); // xoa man hinh - clear display delay_ms(10); write_LCD(0,0x03); delay_ms(10); write_LCD(0,0x0e); delay_ms(10); } // void init_ADC(void) { VCFG1=0; VCFG0=0; //chon nguon noi ADCS1=0; ADCS0=1; //TAD=Fosc/8 ADFM=1; //chon cach doc gia tri bit cao bit thap ADON=1; //cho phep ADC hoat dong delay_ms(1); } // void init_interrupts(void) { GIE=1; //cho phep ngat toan cuc PEIE=1; //cho phep ngat xem so khoi chuong 14 ADIE=1; //cho phep ADC ngat ADIF=0; //xoa co ngat } // void interrupt adc(void) { int tram,chuc,donvi,nghin,giatri_ADC; if(PEIE&&ADIE&&ADIF) { ADIF=0; giatri_ADC = (ADRESH ) { RC3 = ; RC4 = 1;} //dao chieu if ( Err1 < -2 ) { RC3 = ; RC4 = 1;} //dao chieu if ( -2