Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình bicycle robot

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỒNG SĨ LINH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH BICYCLE ROBOT Chun ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2011 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét :TS.PHẠM CÔNG BẰNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét :TS.NGUYỄN VĂN GIÁP (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 25 tháng7 năm 2011 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) TS.TRẦN THIÊN PHÚC (Chủ tịch) TS.TRẦN VIỆT HỒNG (Thư kí) TS.PHAN ĐÌNH HUẤN TS.NGUYỄN VĂN GIÁP TS.PHAN TẤN TÙNG Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc oOo -Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên :ĐỒNG SĨ LINH Ngày, tháng, năm sinh : 06/05/1982 Giới tính : Nam ⊠/ Nữ □ Nơi sinh : BR-VT Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Khoá (Năm trúng tuyển) : 2009 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊU CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH BICYCLE ROBOT 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Tìm hiểu tình hình nghiên cứu cân dạng xe đạp giới Việt nam Thiết kế mơ hình Bicycle robot Thi cơng mơ hình Bicycle robot làm sở thực nghiệm thông số điều khiển Nghiên cứu ứng dụng loại cảm biến đo góc lệch vận tốc chuyển động Nghiên cứu ứng dụng công cụ Labview phịng thí nghiệm INTEL làm cơng cụ cho việc thực nghiệm thông số điều khiển Xây dựng giải pháp điều khiển cân cho mơ hình 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 2/7/2011 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Người thực luận văn tốt nghiệp xin gởi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy Cô Trường Đại Học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, người truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt thời gian qua Xin trân trọng gởi lời cảm ơn đến tất Thầy Cô Bộ môn Cơ Điện Tử Thầy Nguyễn Ngọc Phương giúp đỡ nhiệt tình tạo điều kiện lợi để tơi hồn thành tốt đề tài Gởi lời cảm ơn đến tất bạn lớp Cao học Cơ Điện Tử khóa 2009, người gắn bó, học tập giúp đỡ trong suốt thời gian qua Tp.HCM, ngày…tháng năm 2011 Người thực TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mơ hình bicycle robot” giúp mở hướng cho lĩnh vực điều khiển tự cân nước ta Đề tài thực hố mơ hình lý thuyết lắc ngược, để chế tạo mô hình xe đạp hai bánh tự cân Phương pháp giữ cân cho xe đạp việc não người phát lực tác động điều khiển thể tự cân Đề tài áp dụng lý thuyết quay hồi chuyển học sinh lực Coriolis giúp xe tự cân Từ đó, viết chương trình vi điều khiển để xử lý góc nghiên từ Gyroscope Accelerometer để điều khiển đáp ứng động giúp xe đạp tự cân ABSTRACT Project "Research, design, manufacturing model bicycle robot" help open new direction for the field of self – balancing control in our country Project realize this theoretical model of the shaking back, to build a model two-wheeled bicycle self – balancing Balance method for bicycles as well as the human brain detected force and self-control body balance Subjects applied the theory of gyro the Coriolis force students to help balance the car himself Since then, the writing program the microcontroller to handle the corner from Gyroscop Research and Accelerometer response to control motor bike help frome quilibrium MỤC LỤC Trang bìa Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp Lời cảm ơn Tóm tắt luận văn Mục lục CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Các dạng điều khiển tự cân 14 1.1.1 Xe Scooter 14 a Segway 14 b Balancing Scooter 16 c HTV 18 1.1.2 Dạng xe đạp hai bánh tự cân 19 a Robot Murata Boy 19 b Xe đạp Gyrowheel 19 1.1.3 Dạng xe đạp bánh tự cân 20 a Robot Murata Girl 20 b SBU (self balancing unicycle) 21 1.2 Thực trạng nghiên cứu Việt Nam 21 1.2.1 Xe Scooter sinh viên Trường Đại học Bách khoa TP HCM 21 1.2.2 Xe Scooter CĐT04 22 1.2.3 Lý chọn đề tài 22 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 23 1.4 Các vấn đề cần đạt 23 1.5 Phương pháp phương tiện nghiên cứu 23 1.5.1 Phương pháp nghiên cứu 23 1.5.2 Phương tiện nghiên cứu 24 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết động lực học tính tốn thiết kế mơ hình 26 2.1.1 Nền tảng lăc ngược 26 2.1.2 Phân tích mơ hình động học xe đạp hai bánh 26 2.1.3 Mơ hình hóa động bánh đà 30 2.1.4 Nguyên lý hoạt động cảm biến Aceelerometer 33 2.1.5 Accelerometer MMA7620QT 37 2.2 Gyroscope 39 2.3.1 Lực Coriolis Gyro 40 2.3.2 Nguyên lý hoạt động cảm biến Gyroscope 41 2.3.3 Gyroscope LPY550AL Dual-Axis Gyro 2.3 Phương pháp điều khiển động 2.4.1 Phương pháp điều khiển chiều quay động (H-bridge) 44 44 2.4.2 Phương pháp điều khiển động (phương pháp điều xung PWM) 44 2.4 Vi điều khiển (ATMEGA32) 45 2.5.1 Chế độ xung nhanh 45 2.5.2 Chế độ PWM hiệu chỉnh pha 46 2.5.3 Chế độ PWM hiệu chỉnh pha tần số (chỉ có TCNT1) 47 2.5 Lọc nhiễu tín hiệu cảm biến 48 2.6.1 Khái niệm lọc 38 2.6.2 Bộ lọc Kalman gì? 49 2.6.3 Quy trình ước lượng 49 2.6.4 Kỹ thuật lọc nhiễu tác giả sử dụng kiểm nghiệm 52 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH 3.1 Thiết kế mơ hình 3.1.1 Thiết kế khí 53 53 3.1.2 Thiết kế điện 3.2 Thi cơng mơ hình thực tế 60 3.2.1 Bộ truyền động bánh sau 60 3.2.2 Bộ phuộc trước 60 3.2.3 Động lái 60 3.2.4 Bánh đà 60 3.2.5 Động 61 3.2.6 Khung xe 61 3.2.7 Mạch cầu H 61 3.2.8 Mạch vi điều khiển 62 3.2.9 Bánh xe 62 3.2.10 Một số hinh ảnh xe sau lắp ráp hoàn chỉnh 62 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 4.1 Mô working model 63 4.2 Thông số đối tượng mô 63 4.3 Mô thu thập liệu Labview 63 4.4 Các thông số điều khiển 66 4.5 Thiết kế xây dựng giải thuật điều khiển 66 4.2.1 Mối quan hệ PWM với góc nghiêng 67 4.2.2 Sơ đồ khối giải thuật điều khiển 68 4.6 Thực tế đạt 75 4.7 Các vấn đề gặp phải 77 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận 78 5.1.1 Những kết đạt 78 5.1.2 Những kết chưa đạt 78 5.2 Đề nghị hướng phát triển PHỤ LỤC 79 10 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Segway i180 ( Segway INC 2005) Hình 1.2 Cách bố trí cảm biến Segway HT Hình Pin Ni-HT sử dụng Segway HT Hình Đồng hồ hiển thị tốc độ LCD Segway Hình Các version Segway Inc 2005 ( i180, p133, XT, GT) Hình 1.6 Balancing scooter Hình 1.7 Xe tự cân HTV nhóm thực Hình 1.8 Robot Murata Boy Hình 1.9 Xe đạp Gyrowheel Hình 1.10 Robot Murata Boy Murata Girl Hình 1.11 Xe đạp bánh tự cân Hình 1.12 Mơ hình xe Scooter Hình 1.13 Xe Scooter vận hành Hình 1.14 Đang sử dụng xe Hình 1.15 Card NI 6221 Hình 2.1 Mơ hình lắc ngược Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống mơ lắc ngược Matlab Hình 2.4 Mơ hình xe tự cân Hình 2.5 Phân tích lực mơ hình xe tự cân Hình 2.6 Mơ hình ngun lý Accelerometer Hình 2.5 Mơ tả lực Coriolis Gyroscope Hình 2.6 Gyroscope LPY550AL Hình 2.7 Kích thước Gyroscope LPY550AL Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý cách kết nối Gyro LPY550AL Hình 2.9 Accerlerometer MMA7260QT Hình 2.10 Kích thước Acclerometer Hình 2.11 Sơ đồ mạch Accelerometer MMA760QT Hình 2.12 Biểu đồ xung ngõ chế độ PWM nhanh 31 ... NGHIÊU CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH BICYCLE ROBOT 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Tìm hiểu tình hình nghiên cứu cân dạng xe đạp giới Việt nam Thiết kế mơ hình Bicycle robot Thi cơng mơ hình Bicycle robot. .. ĐỀ TÀI Đề tài ? ?Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mơ hình bicycle robot? ?? giúp mở hướng cho lĩnh vực điều khiển tự cân nước ta Đề tài thực hoá mơ hình lý thuyết lắc ngược, để chế tạo mơ hình xe đạp hai... đà thiết kế với kích thước vẽ  Bánh đà đóng vai trị Gyroscope khí  Thiết kế với vật liệu nhơm, có khối lượng 0.34kg 55 b Hình 3.2 Bản vẽ thiết kế bánh đà Mơ hình thiết kế xe tự cân Mơ hình thiết