Một số bộ điều khiển tuyến tính đòi hỏi phƣơng trình toán học hệ thống (LQR, đặt cực…), một số bộ điều khiển tuyến tính thì không yêu cầu (PID…).Nhƣ vậy, đối với đối tƣợn[r]
(1)BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
TRẦN ANH TỨ
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, THỬ NGHIỆM XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số ngành: 60520114
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN DUY ANH
(2)CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
Cán hƣớng dẫn khoa học: TS NGUYỄN DUY ANH
Giảng viên trƣờng Đại học Bách Khoa TPHCM
Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại học Công nghệ TP.HCM ngày10 tháng năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT Họ tên Chức danh Hội đồng
1 PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Chủ tịch TS Nguyễn Thanh Phƣơng Phản biện TS Nguyễn Hùng Phản biện TS Võ Hoàng Duy Ủy viên TS Võ Đình Tùng Ủy viên, Thƣ ký
Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có)
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
(3)TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc
TP HCM, ngày … tháng… năm 20 … NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Anh Tứ Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 28/9/1971 Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử MSHV:1241840021 I-Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, THỬ NGHIỆM XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG II-Nhiệm vụ nội dung:
- Nghiên cứu thiết kế phần khí mạch điện phù hợp với xe hai bánh tự cân
- Nghiên cứu cài đặt, lập trình CCS Matlab/Simulink cho DSP C2000 để thực việc thu thập liệu điều khiển hệ thống
- Nghiên cứu giải thuật điều khiển phù hợp để xe tự giữ cân bằng, chạy tới, chạy lui, quẹo trái, quẹo phải
III-Ngày giao nhiệm vụ: ngày 12 tháng năm 2013
IV-Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ngày……tháng……năm…… V-Cán hƣớng dẫn: Tiến sĩ NGUYỄN DUY ANH
Giảng viên Trƣờng Đại học Bách Khoa TPHCM
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(4)LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác
Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn đƣợc cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn đƣợc rõ nguồn gốc
Học viên thực Luận văn
(5)LỜI CÁM ƠN
Trong suốt trình thực đề tài, gặp phải nhiều khó khăn nhƣng đƣợc giúp đỡ, hƣớng dẫn từ quý Thầy,Cô bạn nên Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ hoàn thành tiến độ Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS.Nguyễn Duy Anh tận tình hƣớng dẫn, bảo kinh nghiệm quý báu nhƣ tạo điều kiện thuận lợi suốt trình tìm hiểu, nghiên cứu đề tài
Đồng thời, Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy,Cô Khoa Cơ – Điện -Điện tử tạo điều kiện, cung cấp cho Tôi kiến thức bản, cần thiết để Tơi có điều kiện đủ kiến thức để thực trình nghiên cứu
Bên cạnh đó, Tơi xin cảm ơn bạn lớp cao học có ý kiến đóng góp, bổ sung, động viên giúp đỡ Tơi hồn thành tốt đề tài
Ngồi ra, Tơi nhận đƣợc bảo anh trƣớc Các anh hƣớng dẫn giới thiệu tài liệu tham khảo thêm việc thực nghiên cứu
Mặc dù Tôi cố gắng thực hoàn thiện đƣợc đồ án đề tài, nhƣng trình soạn thảo, nhƣ kiến thức cịn hạn chế nên cịn nhiều thiếu sót Kính mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến quý Thầy,Cô bạn học viên
Sau Tôi xin chúc quý Thầy,Cô sức khoẻ, thành công tiếp tục đào tạo sinh viên giỏi đóng góp cho đất nƣớc Chúc bạn sức khỏe, học tập thật tốt để không phụ công lao Thầy Cô giảng dạy Tôi xin chân thành cảm ơn
(6)TĨM TẮT
Luận văn trình bày cách thức chế tạo phần cứng mơ hình xe hai bánh tự cân bằng, bao gồm phần mạch điện khí Ngồi ra, luận văn cịn trình bày cách thức xây dựng điều khiển PID điều khiển LQR cho hệ xe hai bánh tự cân Kết điều khiển PID LQR đƣợc mô chạy tốt môi trƣờng Matlab/Simulink
(7)ABSTRACT
This thesis represents the methods of creating a hardware of a two-wheeled self-balancing cart, including electronic and mechanical elements Morever, this thesis also represents methods of building a PID controller and LQR controller for a two-wheeled self-balancing cart The controlling results were simulated well in Matlab/Simulink
(8)MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CÁM ƠN ii
TÓM TẮT iii
MỤC LỤC v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii
DANH MỤC CÁC BẢNG viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ix
MỞ ĐẦU
CHƢƠNG1TỔNGQUANVỀĐỀTÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ROBOT BÁNH TỰ CÂN BẰNG HIỆN NAY
1.2.1 Các mơ hình robot bánh tự cân phịng thí nghiệm
1.2.2 Một số sản phẩm thực tế dựa mơ hình robot bánh tự cân
1.2.3 Tình hình nghiên cứu robot hai bánh tự cân nƣớc 11
1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 11
CHƢƠNG CÁC CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC 13
2.1.1 Mơ hình hóa robot bánh tự cân địa hình phẳng 13
2.1.2 Mơ hình hóa robot Simulink 18
2.2 GIỚI THIỆU VỀ BỘ LỌC KALMAN ĐỌC CẢM BIẾN ĐỘ NGHIÊNG 19
2.3 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 20
2.3.1 Cấu trúc điều khiển PID cho robot hai bánh tự cân 20
2.3.2 Bộ điều khiển LQR 21
2.3.3 Các thành phần mơ hình 26
CHƢƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MÔ HÌNH ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG 32 3.1.1 Thiết kế khí 32
(9)3.2 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 35
3.2.1 Lƣu đồ giải thuật 35
3.2.2 Bộ điều khiển nhúng cho robot bánh tự cân 39
CHƢƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 GIẢI THUẬT PID 41
4.1.1 Chƣơng trình mơ 41
4.1.2 Kết mô 41
4.1.3 Nhận xét 43
4.2 GIẢI THUẬT LQR 44
4.2.1 Chƣơng trình mơ 44
4.2.2 Kết mô 44
4.2.3 Nhận xét 50
CHƢƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 5.1 ĐIỀU KHIỂN PID ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED 5.1.1 Điều khiển đứng yên vị tr1i cân 52
5.1.2 Nhận xét 53
5.2 ĐIỀU KHIỂN LQR ERROR!BOOKMARK NOT DEFINED 5.2.1 Điều khiển đứng yên vị trí cân Error! Bookmark not defined 5.2.2 Nhận xét …… 55
5.2.3 Điều khiển vị trí đặt khác 56
5.2.4 Nhận xét Error! Bookmark not defined 5.3 CHƢƠNG TRÌNH THU NHẬP DỮ LIỆU 64
CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN 67
6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN 68
(10)DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
(11)DANH MỤC BẢNG BIỂU
(12)DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Robot dạng bánh xe di chuyển địa hình phẳng
Hình 1.2: Robot dạng bánh xe xuống dốc
Hình 1.3: Robot dạng bánh xe lên dốc
Hình 1.4: Robot bánh di chuyển địa hình khác theo hƣớng bảo tồn thăng
Hình 1.5: nBot
Hình 1.6: JOE
Hình 1.7: NXTway-GS LEGO MINDSTORMS
Hình 1.8: Xe Segway I2, I2 cargo, X2 Adventure
Hình 1.9: Xe Winglet 10
Hình 1.10: Xe Iswing
Hình 2.1: Mơ hình robot bánh tự cân mặt phẳng 13
Hình 2.2：Mơ hình phi tuyến robot hai bánh tự cân Matlab Simulink 18
Hình 2.3: Bên khối Two Wheeled Balancing Robot (Non-Linear Model) 18
Hình 2.4: Bên khối “DeCoupling” 19
Hình 2.5: Cấu trúc điều khiển PID cho hệ robot hai bánh tự cân 20
Hình 2.6: Sơ đồ điều khiển LQR 22
Hình 2.7: Sơ đồ chi tiết điều khiển LQR cho hệ xe hai bánh tự cân 26
Hình 2.8: Nguồn cấp Error! Bookmark not defined Hình 2.9: DSP TMS320F28335 27
Hình 2.10: IMU MPU6050 28
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 29
Hình 2.12: Mạch cầu H thực tế 30
Hình 2.13: Nguyên lý hoạt động đọc nhân 31
Hình 2.14: Động 31
(13)Hình 3.2: Sơ đồ kết nối phần cứng Error! Bookmark not defined
Hình 3.3: Lƣu đồ giải thuật điều khiển PID 35
Hình 3.4: Sơ đồ khối điều khiển PID 36
Hình 3.5: Cấu trúc điều khiển PID cho hệ robot hai bánh tự cân 37
Hình 3.6: Sơ đồ khối điều khiển LQR 38
Hình 3.7: Thƣ viện Target Support Package cho DSP F28335 39
Hình 4.1: Sơ đồ lập trình thực cho điều khiển PID 41
Hình 4.2: Sơ đồ khối điều khiển PID 41
Hình 4.3: Tín hiệu vị trí góc quay bánh xe (rad) 42
Hình 4.4: Tín hiệu góc nghiêng bánh xe (rad) 42
Hình 4.5: Tín hiệu điện áp điều khiển (Volt) 43
Hình 4.6: Chƣơng trình lập trình LQR 44
Hình 4.7: Góc bánh xe (rad) 45
Hình 4.8: Góc nghiêng (rad) 45
Hình 4.9: Góc xoay (rad) 46
Hình 4.10: Điện áp cấp cho động phải (Volt) 47
Hình 4.11: Điện áp cấp cho động trái (Volt) 47
Hình 4.12: Góc bánh xe (rad) 48
Hình 4.13: Góc nghiêng (rad) 49
Hình 4.14: Góc xoay (rad) 49
Hình 4.15: Tín hiệu điện áp cấp cho động trái (volt) 50
Hình 4.16: Tín hiệu điện áp cấp cho động bánh phải (volt) 50
Hình 5.1: Chƣơng trình thực tế điều khiển PID hệ thống 52
Hình 5.2: Khối điều khiển PID 52
Hình 5.3: Khối phân tích thành phần psi, teta, phi 53
Hình 5.4: Khối phân tích thành phần phi teta 53
Hình 5.5: Góc teta (degree) 54
Hình 5.6: Góc psi (degree) 54
(14)Hình 5.10: Điện áp cấp cho hai động (volt) 54 Hình 5.11: Chƣơng trình điều khiển quẹo Error! Bookmark not defined Hình 5.12: Góc tới teta (độ) Error! Bookmark not defined Hình 5.13: Góc lệch psi (độ) Error! Bookmark not defined Hình 5.14: Góc xoay phi (độ) Error! Bookmark not defined Hình 5.15: Điện áp cấp cho động trái Error! Bookmark not defined Hình 5.16: Điện áp cấp cho động phải Error! Bookmark not defined Hình 5.17: Góc tới teta (độ) Error! Bookmark not defined Hình 5.18: Góc nghiêng psi (độ) Error! Bookmark not defined Hình 5.19: Góc xoay phi (độ) Error! Bookmark not defined Hình 5.20: Điện áp cấp cho động trái Error! Bookmark not defined Hình 5.21: Điện áp cấp cho động phải Error! Bookmark not defined Hình 5.22: Chƣơng trình thu thập liệu thơng qua cổng USB Error! Bookmark not defined.
(15)MỞ ĐẦU 1.Lý chọn đề tài
Hệ thống xe hai bánh tự cân đối tƣợng phi tuyến MIMO thƣờng đƣợc dùng phòng thí nghiệm để kiểm chứng giải thuật điều khiển Ngoài ra, hệ thống đƣợc ứng dụng thành công thực tế, phát triển thƣơng mại nƣớc phát triển Tuy nhiên, Việt Nam, đề tài mẻ, nhiều thách thức tính chất MIMO hệ xe hai bánh tự cân khó điều khiển với hai động cơ, ta phải thực điều khiển thỏa mãn vị trí xe tới, quẹo, đứng yên mà không ngã, tức hệ thống ta hệ hai vào, ba
2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài
Mục tiêu đề tài xây dựng mơ hình robot bánh tự cân dựa tảng lý thuyết mơ hình lắc ngƣợc Trong thời gian làm đề tài, mục tiêu đề tài đƣợc đặt nhƣ sau:
Tìm hiểu mơ hình xe, robot bánh tự cân nguyên lý cân
Tính tốn thơng số động lực học, xây dựng hàm không gian-trạng thái (state-space) mô hình
Tìm hiểu, lựa chọn loại cảm biến điều khiển trung tâm Trong đề tài sử dụng cảm biến IMU DOF điều khiển DSP F28335
Mơ mơ hình Matlab Simulink cho giải thuật điều khiển PID LQR
Tìm hiểu ứng dụng lọc Kalman để đọc cảm biến góc nghiêng, xây dựng thuật tốn bù trừ để có giá trị góc xác
Xây dựng thuật toán điều khiển động cơ, giữ thăng cho robot 3 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu
Đảm bảo đối tƣợng xe 02 bánh tự cân di chuyển mặt phẳng có tính chất điều khiển nhƣ ta mong muốn
(16)nhau Các giải thuật điều khiển thƣờng đƣợc sử dụng điều khiển tuyến tính, điều khiển phi tuyến điều khiển thơng minh Đa số điều khiển thực tế điều khiển tuyến tính (PID,LQR…) cho đáp ứng tốt Một số điều khiển tuyến tính địi hỏi phƣơng trình tốn học hệ thống (LQR, đặt cực…), số điều khiển tuyến tính khơng yêu cầu (PID…).Nhƣ vậy, đối tƣợng điều khiển phi tuyến nhƣ hệ xe hai bánh tự cân giải thuật điều khiển tuyến tính có đáp ứng tốt không? Đáp ứng tốt mức độ nhƣ nào? Các luật điều khiển tuyến tính có ƣu khuyết điểm so với nhƣ nào? Đó câu hỏi mà luận văn muốn hƣớng đến để giải vấn đề thắc mắc
Trong khuôn khổ luận văn này, mục tiêu điều khiển thực giải thuật PID LQR đối tƣợng hệ thống xe hai bánh tự cân Các kết kiểm chứng đƣợc trình bày mơi trƣờng mơ Matlab/Simulink có kết thực tế để kiểm chứng
4 Phƣơng pháp nghiên cứu 4.1 Phƣơng pháp lý thuyết
Thơng qua tìm hiểu từ sách vở, nguồn tài liệu internet, học viên nghiên cứu phƣơng pháp PID LQR điều khiển đối tƣợng phi tuyến, đặc biệt hệ thống xe hai bánh tự cân Việc nắm rõ phƣơng pháp bao gồm hiểu lý thuyết hình thành, xây dựng điều khiển, cách thức tinh chỉnh thông số điều khiển, dạng đáp ứng ngõ tƣơng ứng…
Kết xây dựng đƣợc thử nghiệm phần mềm mô Trong khuôn khổ luận văn, học viên sử dụng phần mềm Matlab/Simulink
4.2 Phƣơng pháp thực nghiệm
Thực chế tạo khí, mạch điện để kiểm chứng mơ hình thực Qua đáp ứng thực hệ thống, học viên đƣa nhận xét, kết luận phƣơng pháp
5 Kết cấu luận văn
(17)phịng thí nghiệm số sản phẩm thực tế tình hình nghiên cứu Robot xe 02 bánh tự cân nƣớc.Nêu lên giới hạn đề tài
Chƣơng : “Cơ sở lý thuyết” Tìm hiểu đặc tính động lực học nhƣ mơ hình hóa robot bánh tự cân địa hình phẳng, mơ hình hóa Simulink, từ tìm mối quan hệ điện áp điều khiển hai động qua phƣơng trình động lực học, giới thiệu lọc Kalman ứng dụng đọc cảm biến góc nghiêng cho IMU,với giải thuật lọc Kalman đƣợc tích hợp bên chƣơng trình đọc cảm biến dộ nghiêng giao tiếp Arduino IMU MPU 6050 Trình bày giải thuật điều khiển PID LQR giới thiệu thành phần mơ hình nhƣ: Nguồn, DSP TMS320F28335, cảm biến IMU, mạch cầu H, động
Chƣơng 3: “ Thiết kế hệ thống ” Trình bày thiết kế mơ hình cứng xe 02 bánh tự cân nhƣ thiết kế khí, cấu trúc điều khiển phần cứng Thiết kế phần mềm lƣu đồ giải thuật PID, LQR Giới thiệu khối chức chƣơng trình Matlab điều khiển nhúng cho xe hai bánh tự cân
Chƣơng 4: “ Kết mô ” dùng giải thuật điều khiển PID mơ theo lý thuyết, để có nhận xét qua mơ góc nghiêng (psi), góc tới(teta), góc xoay (phi) , mà ta khơng điều khiển đƣợc góc xoay Dùng giải thuật LQR mơ nhƣ PID cho giá tri đặt, qua mô có nhận xét ổn định thành teta, phi, psi, teta-dot, phi-dot, psi-dot điện áp cấp cho thành phần động
Chƣơng 5: “ Kết thực nghiệm ” chƣơng trình điều khiển PID cho xe đứng yên vị trí cân bằng, điều khiển quẹo trái phải Nhận thấy ƣu điểm PID q trình thử sai thơng số điều khiển mà khơng cần biết phƣơng trinh tốn học hệ thống Cũng nhƣ PID chƣơng trình điều khiển LQR cho ta thấy điều khiển thõa hiệp hệ thống phụ thuộc hồn tồn ta tính tốn chọn thông số chƣa đƣợc tối ƣu, nên tồn sai số xác lập
(18)CHƢƠNG
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề
Trong ngành tự động hóa - điều khiển tự động nói chung điều khiển học nói riêng, mơ hình lắc ngƣợc đối tƣợng nghiên cứu điển hình đặc thù đặc tính động khơng ổn định mơ hình nên việc điều khiển đƣợc đối tƣợng thực tế đặt nhƣ thử thách
Kết nghiên cứu mơ hình lắc ngƣợc bản, ví dụ nhƣ mơ hình xe-con lắc, lắc ngƣợc quay… ứng dụng kế thừa sang mơ hình tƣơng tự khác nhƣng có tính ứng dụng thực tiễn hơn, chẳng hạn nhƣ mơ hình tên lửa, mơ hình xe hai bánh tự cân bằng… khắc phục đƣợc nhƣợc điểm vốn có robot hai ba bánhkinh điển Các robot hai ba bánh kinh điển, theo có cấu tạo gồm bánh dẫn độngvà bánh tự (hay khác) để đỡ trọng lƣợng robot Nếu trọng lƣợng đƣợc đặt nhiều vào bánh lái robot khơng ổn định dễ bị ngã, cịn đặt vào nhiều bánh hai bánh khả bám Nhiều thiết kế robot di chuyển tốt địa hình phẳng nhƣng khơng thể di chuyển lên xuống địa hình lồi lõm mặt phẳng nghiêng Khi di chuyển lên đồi, trọng lƣợng robot dồn vào đuôi xe làm khả bám trƣợt ngã
Robot dạng bánh xe di chuyển địa hình phẳng trọng lƣợng đƣợc chia cho bánh lái bánh dẫn nhỏ
(19)Robot dạng bánh xe xuống dốc, trọng lực dồn vào bánh sau khiến xe bị lật úp
Hình 1.2: Robot dạng bánh xe xuống dốc
Robot dạng bánh xe lên dốc, trọng lƣợng dồn vào bánh trƣớc khiến lực ma sát giúp xe bám mặt đƣờng khơng đƣợc đảm bảo
Hình 1.3: Robot dạng bánh xe lên dốc
Ngƣợc lại, robot dạng hai bánh đồng trục lại thăng linh động di chuyển địa hình phức tạp, thân robot hệ thống khơng ổn định Khi robot di chuyển địa hình dốc, tự động nghiêng trƣớc giữ cho trọng lƣợng dồn hai bánh Tƣơng tự, di chuyển xuống dốc, nghiêng sau giữ trọng tâm rơi vào bánh Vì vậy, khơng có
(20)Hình 1.4: Robot bánh di chuyển địa hình khác theo hƣớng bảo toàn thăng
1.2 Tình hình nghiên cứu robot bánh tự cân
1.2.1 Các mơ hình robot bánh tự cân phịng thí nghiệm 1.2.1.1 nBot
Robot nBot David P.Anderson chế tạo Nguyên tắc điều khiển nBot nhƣ sau: bánh xe chạy theo hƣớng mà phần robot ngã, bánh xe đƣợc lái theo cách giữ vững trọng tâm robot robot đƣợc giữ cân