THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE CÂN BẰNG

Đề tài tập này tập trung phân tích mô hình xe máy điện cân bằng sử dụng bánh đàphản ứng, khảo sát ảnh hưởng cảm biến, thiết kế chế tạo mô hình và xây dựng giải thuậtđiều khiển để xe có khả năng tự cân bằng.Nội dung của đề tài gồm có 6 chương:Chương 1: Tổng quan.Chương 2: Mô hình hóa xe máy điện cân bằng.Chương 3: Khảo sát cảm biến.Chương 4:. Thiết kế bộ điều khiển.Chương 5: Thiết kế, chế tạo mô hìnhChương 6: Tổng kết và hướng phát triển đề tài.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ SƯ CHẤT LƯỢNG CAO VIỆT PHÁP -o0o - ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ MƠ HÌNH XE CÂN BẰNG GVHD: Thầy Lưu Phú SVTH: Lý Trung Kiên – 1611682 Chế Tiệp Chân Khoa - 1611594 TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2020 LỜI CẢM ƠN Nhóm thực đồ án xin chân thành cảm ơn bạn bè, anh khóa đặc biệt thầy Lưu Phú tận tình hướng dẫn, giúp đỡ việc hoàn thành đồ án Tuy nhiên q trình thực khơng thể tránh khỏi sai sót, chúng em mong q thầy góp ý bổ sung để nhóm rút kinh nghiệm cho trình học tập làm việc sau Nhóm xin chân thành cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 07 năm 2020 Sinh viên thực Lý Trung Kiên – Chế Tiệp Chân Khoa TÓM TẮT ĐỒ ÁN Kể từ đời năm 2001 đến nay, xe hai bánh cân sử dụng rộng rãi đời sống Tuy nhiên, cịn tồn nhiều khuyết điểm vể qng đường, tốc độ Nắm bắt khuyết điểm đó, nhiều tập đồn xe giới khơng ngừng phát triển đưa nhiều mẫu xe máy điện có khả tự cân Honda, Lit Motors,…Đây phương tiện mang xu hướng tương lai Đề tài tập tập trung phân tích mơ hình xe máy điện cân sử dụng bánh đà phản ứng, khảo sát ảnh hưởng cảm biến, thiết kế chế tạo mô hình xây dựng giải thuật điều khiển để xe có khả tự cân Nội dung đề tài gồm có chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Mơ hình hóa xe máy điện cân Chương 3: Khảo sát cảm biến Chương 4: Thiết kế điều khiển Chương 5: Thiết kế, chế tạo mơ hình Chương 6: Tổng kết hướng phát triển đề tài MỤC LỤC I DANH SÁCH HÌNH ẢNH II DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU .8 1.1 Tổng quan 1.2 Nhiệm vụ đề tài 1.3 Giới hạn nghiên cứu 1.4 Tổ chức đề tài .9 CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HĨA XE MÁY ĐIỆN CÂN BẰNG 10 2.1 Mơ hình toán xe máy điện .10 2.2 Khảo sát ảnh hưởng thông số vật lý đến hệ thống 14 2.2.1 Khảo sát moment tác dụng lên bánh đà .16 2.2.2 Khảo sát ảnh hưởng chiều cao bánh đà 18 2.2.3 Khảo sát ảnh hưởng moment quán tính bánh đà 19 2.3 Khảo sát cảm biến đo góc 23 2.3.1 Giới thiệu cảm biến MPU6050 23 2.3.2 Kết nối cảm biến MPU-6050 kiểm tra hoạt động 24 2.3.3 Q trình ca-líp cảm biến gyroscope 25 2.3.4 Ca-líp cảm biến accelerometer 26 2.3.5 Đọc góc từ gyroscope accelerometer 28 2.3.6 Bộ lọc Kalman 30 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 32 3.1 Mơ hình tuyến tính hệ thống 32 3.2 Kiểm tra khả điều khiển hệ thống 34 3.3 Thiết kế điều khiển cân 36 3.3.1 Thiết kế điều khiển PID .36 3.3.2 Kiểm nghiệm thực tế điều khiển PID 42 3.3.3 Thiết kế điều khiển Linear Quadractic Regulator (LQR) .47 3.3.4 Mơ hoạt động mơ hình dùng LQR SimMechanics 52 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH XE MÁY ĐIỆN CÂN BẰNG 55 4.1 Thiết kế khí 55 4.1.1 Tính tốn thiết kế cụm bánh đà 55 4.1.2 Vi điều khiển 56 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ RÚT RA KINH NGHIỆM 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO .59 I DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình Sơ đồ khối mơ hình thiết kế 10 Hình Mơ hình hóa xe máy điện cân 11 Hình Mơ hình khảo sát 15 Hình Sơ đồ mô xe máy điện cân 16 Hình Sơ đồ khảo sát ảnh hưởng moment tác động lên bánh đà 16 Hình Đồ thị góc nghiêng xe ứng với 𝜏 = 0,16 (Nm) 17 Hình Đồ thị góc nghiêng xe ứng với 𝜏 = 0,165 (Nm) 17 Hình Sơ đồ phân tích lực vị trí góc nghiêng 𝜃 18 Hình Đồ thị đáp ứng xe thay đổi chiều cao bánh đà 18 Hình 10 Vận tốc bánh đà 19 Hình 11 Gia tốc bánh đà 20 Hình 12 Đáp ứng vị trí xe khơng có điều khiển 20 Hình 13 Đáp ứng vị trí xe có điều khiển 21 Hình 14 Kết hợp khối động mơ hình xe 22 Hình 15 Đồ thị đáp ứng vị trí xe có khối động 22 Hình 16 Cảm biến MPU-6050 23 Hình 17 Sơ đồ kết nối MPU-6050, vi điều khiển máy tính 24 Hình 18 Mơ hình ca-líp cảm biến 25 Hình 19 Giá trị vận tốc góc theo trục x đọc từ gyroscope trước ca-líp 26 Hình 20 Các trục accelerometer cảm biến MPU-6050 26 Hình 21 Xác định góc từ trục accelerometer 27 Hình 22 Mối quan hệ giá trị góc đầu gia tốc accelerometer 28 Hình 23 Đọc góc từ gyroscope 29 Hình 24 Giá trị góc đọc từ accelerometer 30 Hình 25 Khái niệm lọc Kalman 31 Hình 26 Tóm tắt phương trình lọc Kalman 31 Hình 27 Vị trí cực hệ thống 35 Hình 28 Sơ đồ khối điều khiển PID 36 Hình 29 Sơ đồ điều khiển hệ thống 37 Hình 30 Sơ đồ mô điều khiển PID 38 Hình 31 Sơ đồ mơ xe máy điện cân sử dụng bánh bà quán tính 38 Hình 32 Đáp ứng xe với hệ số 𝐾𝑃, 𝜃 khác 39 Hình 33 Đáp ứng vân tốc bánh đà với hệ số 𝐾𝑃, 𝜃 khác 40 Hình 34 Đáp ứng xe có thêm hệ số 𝐾𝐷, 𝜃 𝐾𝑣𝑡 41 Hình 35 Đáp ứng vận tốc bánh đà có thêm hệ số 𝐾𝐷, 𝜃 𝐾𝑣𝑡 41 Hình 36 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 42 Hình 37 Lưu đồ giải thuật đọc góc 𝜃 43 Hình 38 Lưu đồ giải thuật đọc vận tốc bánh đà 44 Hình 39 Lưu đồ xuất xung PWM 44 Hình 40 Lưu đồ giải thuật điều khiển PID 45 Hình 41 Lưu đồ giải thuật chương trình 46 Hình 42 Sơ đồ điều khiển điều khiển LQR 47 Hình 43 Sơ đồ mô điều khiển LQR 50 Hình 44 Đáp ứng điều khiển LQR với ma trận hệ số 𝐾 khác 50 Hình 45 Đáp ứng vận tốc bánh đà với ma trận hệ số 𝐾 khác 51 Hình 46 Hệ thống xe máy điện SimMechanics 52 Hình 47 Mơ hình điều khiển hệ thống LQR 52 Hình 48 Đáp ứng xe môi trường SimMechanics 54 Hình 49 Đáp ứng vận tốc bánh đà môi trường SimMechanics 54 Hình 50 bánh đà 56 Hình 51 Arduino Mega 2560 57 II DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT CES: Consumer Electronics Show PCM: Power-train Control Module ABRB: Auto-Balanced Robotic Bicycle PCB: Printed Circuit Board PID: Proportional Integral Derivative LQR: The Linear Quadratic Regulator DC: Direct Current PE: Potential Energy KE: Kinetic Energy ADC: Analog to Digital Convert SCL: Serial Clock SDA: Serial Data DMP: Digital Motion Processor ACK: Acknowlegde LSB: Least Significant Bit TXD: Transmit Data RXD: Receive Data PWM: Pulse Width Modulation CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan Xe máy điện cân mẻ, thu hút quan tâm nhiều người, mở nhiều hướng nghiên cứu khả áp dụng thực tiễn Luận văn phân tích thiết kế mơ hình xe máy điện cân sử dụng bánh đà phản ứng 1.2 Nhiệm vụ đề tài Để đạt mục tiêu đề ra, nhiệm vụ sau cần phải thực  Thiết kế kết cấu khung xe: - Thiết kế khí dạng 3D phần mềm SolidWorks thông qua việc phân tích mơ hình xe máy điện cân xác định thành phần mơ hình - Chế tạo mơ hình thử nghiệm từ mơ hình 3D thiết kế vật liệu nhẹ mica, nhôm - Tính tốn kiểm bền truyền động đai trục  Mơ hình hóa xe máy điện khảo sát ảnh hưởng thơng số hình học: - Phân tích động lực học mơ hình mô Simulink Matlab - Khảo sát ảnh hưởng mơ hình thay đổi thơng số hình học như: chiều cao vị trí đặt bánh đà, moment quán tính bánh đà,…bằng phần mềm Matlab Simulink Matlab SimMechanics  Kết nối, thực nghiệm thu nhận tín hiệu cảm biến đo góc: - Xây dựng mơ hình đọc cảm biến từ cảm biến đo góc, khảo sát đáp ứng cảm biến - Phân tích lựa chọn giải thuật lọc nhiễu để đảm bảo kết trả cảm biến xác  Thiết kế điện: - Tính tốn cơng suất lựa chọn thiết bị điện phù hợp - Thiết kế sơ đồ kết nối thiết bị điện: sơ đồ nguyên lý, PCB làm mạch in  Thiết kế lưu đồ giải thuật điều khiển - Phân tích thiết kế điều khiển cân xe dựa giải thuật PID LQR, từ đưa giải thuật phù hợp - Mô đáp ứng phần mềm Matlab Simulink Matlab SimMechanics - Tiến hành thực nghiệm, thu nhận giá trị góc nghiêng xe, so sánh đáp ứng thực tế với mô - Xây dựng giao diện điều khiển xe chạy tới, lùi,… 1.3 Giới hạn nghiên cứu Mơ hình xe máy điện cân thiết kế với thông số sau: - Chiều dài trục sở ước tính 300 mm - Tổng khối lượng xe ước tính 1,4 kg - Khả cân vùng ± 8o 1.4 Tổ chức đề tài Các nhiệm vụ nêu tổ chức thực chương sau: - Chương 2: Mơ hình hóa khảo sát mơ hình xe máy điện cân Chương tập trung phân tích động lực học mơ hình xe máy điện cân bằng, đưa ảnh hưởng thay đổi thông số động học xe như: chiều cao vị trí đặt bánh đà, moment quán tính bánh đà Và khả sát cảm biến đo góc - Chương 3: Thiết kế điều khiển Chương tiến hành xây dựng giải thuật điều khiển bánh đà giúp xe cân - Chương 4: Thiết kế chế tạo mô hình - Chương 5: Tổng kết nêu hướng phát triển đề tài Tính PID Pwm_output = -Ku(600 + 120 + 0,25 ) pwm_output > 255 Đ Pwm_output = 255 S pwm_output < -255 S Đ Pwm_output = -255 Return Hình 40 Lưu đồ giải thuật điều khiển PID 45 Start Cài đặt thông số I 2C, UART, Timer Đọc giá trị cảm biến, đếm xung encoder động bánh đà Calip cảm biến, lọc góc dùng Kalman Tính pwm_output Ngắt nhận liệu S Đ Xuất xung PWM S =0 Đ Kết thúc Hình 41 Lưu đồ giải thuật chương trình Lưu đồ xuất xung PWM cho động quay bánh đà thể hình 39 Chân PWM sử dụng chân 44 Giải thuật cân xe bao gồm giải thuật PID thể qua lưu đồ hình 40 46 Dãy PWM vi điều khiển có giá trị từ đến 255 ứng với giá trị điện áp đầu đến 12V driver công suất Vì vậy, tín hiệu điều khiển cần nhân cho hệ số 𝐾𝑢 Giá trị pwm_output giới hạn giá trị max 255 𝐾𝑢 = 255 ≈ 21 12 Lưu đồ giải thuật chương trình thể hình 41 Các thơng số I2C, UART, Timer cài đặt Sau đó, giá trị góc nghiêng 𝜃 xe xung encoder động bánh đà trả vi điều khiển Giá trị góc nghiêng sau qua lọc Kalman sử dụng để tính tốn giá trị pwm_ouput Tiếp theo, liệu truyền nhận từ vi điều khiển máy tính Cuối cùng, vi điều khiển xuất xung PWM để điều khiển cân xe Vận tốc bánh đà lệch vì: trọng tâm xe ln bị lệch so với phương ngang Do đó, xe ln có xu hướng ngã phía Nên động bánh đà quay để bù độ lệch trọng tâm Để khắc phục mặt hạn chế điều khiển PID, phần khảo sát lý thuyết thiết kế điều khiển LQR cho mơ hình xe máy điện cân 3.3.3 Thiết kế điều khiển Linear Quadractic Regulator (LQR) Bộ điều khiển LQR (Linear Quadractic Regulator) mơ hình tốn điều khiển tồn phương tuyến tính [28] Bộ điều khiển áp dụng đối tượng tuyến tính thể hình 278 Desired value + error LQR u =A +B - Hình 42 Sơ đồ điều khiển điều khiển LQR Đối tượng tuyến tính mơ tả dạng phương trình trạng thái sau: 𝑥̇ (𝑡 ) = 𝐴𝑥 (𝑡 ) + 𝐵𝑢(𝑡 ) 47 𝑥 (0) = 𝑥0 Trong 𝑥 (𝑡 ): vector trạng thái 𝑢(𝑡 ): vector tín hiệu điều khiển 𝑥0 : trạng thái ban đầu hệ thống Bộ điều khiển xác định giá trị 𝑢(𝑡 ) nhằm điều chỉnh hệ thống từ trạng thái ban đầu 𝑥0 đến trạng thái cuối 𝑥(𝑡𝑓 ) = 0, cho tối thiểu tiêu chất lượng dạng toàn phương với liên tục thời gian vô hạn (𝑡𝑓 → ∞): 𝐽𝑢 = ∞ 𝑇 ∫ [𝑥 (𝑡 ) 𝑄 𝑥 (𝑡 ) + 𝑢𝑇 (𝑡 ) 𝑅 𝑢(𝑡)]𝑑𝑡 (5.13) Ma trận Q ma trận có dạng: 𝑄11 𝑄=[ 0 𝑄22 0 0 𝑄33 0 ] 𝑄44 Trong đó: 𝑄11 , 𝑄22 , 𝑄33 , 𝑄44 , trọng số trạng thái hệ thống Các giá trị ma trận Q thay đổi dựa vào đáp ứng yêu cầu hệ thống Giá trị trọng số trạng thái cao trạng thái có tầm quan trọng điều khiển cao trọng số khác 𝑅 đại lượng vơ hướng có giá trị đầu vào hệ thống Tín hiệu điều khiển tối ưu là: 𝑢(𝑡 ) = −𝐾𝑥(𝑡) Với 𝐾 = 𝑅−1 𝐵𝑇 𝑃, 𝑃 nghiệm phương trình đại số Riccati: 𝑃 𝐴 + 𝐴𝑇 𝑃 + 𝑄 − 𝑃 𝐵 𝑅−1 𝐵𝑇 𝑃 = (5.14) Các bước để tìm hồi tiếp 𝐾 điều khiển LQR thực sau:  Lựa chọn thông số ma trận 𝑄 𝑅  Giải phương trình Riccati (5.14)  Tìm ma trận trạng thái hồi tiếp: 𝐾 = 𝑅 −1 𝐵 𝑇 𝑃  Luật điều khiển tối ưu: 𝑢(𝑡) = −𝐾𝑥(𝑡) Ma trận trạng thái hồi tiếp 𝐾 giải công cụ Matlab qua câu lệnh: 48 𝐾 = 𝑙𝑞𝑟(𝐴, 𝐵, 𝑄, 𝑅) Từ phương trình (5.5), ma trận hệ số A, B xác định sau: 93,93 𝐴=[ −93,93 0 0 0 0 0,034 −0,76 ],𝐵 = [ ] −3,86 85,88 Tùy theo độ lớn tương đối trọng số tương đối 𝑄 𝑅 mà hệ thống có đáp ứng độ lượng tiêu tốn khác Muốn hệ thống đáp ứng nhanh tăng thành phần 𝑄 tương ứng Muốn giảm lượng tăng thành phần 𝑅 Ma trận 𝑄 𝑅 chọn bảng 5.3 Thành phần 𝑄11 , 𝑄22 chọn lớn để đáp ứng 𝜃 𝜃̇ nhanh Thành phần 𝑄33 , 𝑄44 chọn nhỏ đáp ứng 𝜑 𝜑̇ không cần nhanh Giá trị ma trận hệ số 𝐾 tương ứng thể bảng 3.3 Các trọng số tìm phương pháp thử sai Matlab để tìm thơng số thích hợp cho hệ thống Bảng 3.3 Các hệ số điều khiển LQR Bộ hệ số 𝑸𝟏𝟏 𝑸𝟐𝟐 𝑸𝟑𝟑 𝑸𝟒𝟒 𝑹 𝑲 G1 1 0,01 0,1 [-971,62 -100,6 -0,1 -0,387] G2 1000 400 0,01 0,1 0,1 [-2574,7 -273,9 -0,3 -1,1] G3 1000 400 0,01 0,025 0,1 [-1537,9 -171,1 -0,3 -0,6] Từ kết bảng 3.3, mơ hình Simulink mô điều khiển LQR thiết lập hình 37 Tín hiệu điều khiển điện áp đưa vào xe máy điện sử dụng bánh đà phản ứng Ngõ tín hiệu thơng số 𝜃, 𝜃̇, 𝜑, 𝜑̇ Tín hiệu ngõ qua MUX tạo thành ma trận 4x1, sau nhân với ma trận hệ số 𝐾 có kích thước 1x4 để 49 điều chỉnh giá trị sai lệch hệ thống Hình 43 Sơ đồ mơ điều khiển LQR Kết mô phần mềm Matlab: Kết mô thể qua đồ thị hình 44 hình 45 Đồ thị hình 44 thể đáp ứng góc nghiêng xe với ma trận hệ số 𝐾 khác Đồ thị hình 45 thể đáp ứng vận tốc bánh đà Hình 44 Đáp ứng điều khiển LQR với ma trận hệ số 𝐾 khác 50 Hình 45 Đáp ứng vận tốc bánh đà với ma trận hệ số 𝐾 khác Kết mô cho thấy điều khiển LQR đáp ứng tốt yêu cầu đặt ban đầu hệ thống Khi tăng thành phần trọng số 𝑄11 ứng với biến trạng thái 𝜃, hệ số G2 cho đáp ứng nhanh hệ số G1 Khi tăng thành phần 𝑅 làm cho đáp ứng hệ thống chậm Qua kết mô phỏng, ma trận hệ số 𝐾 ứng với số G2 chọn làm điều khiển Nhận xét: Qua kết mô hai điều khiển PID LQR cho thấy, điều khiển LQR cho thời gian đáp ứng tốt điều khiển PID, cụ thể khoảng 1,5s Giá trị vận tốc bánh đà nhỏ so với điều hiển PID 51 3.3.4 Mô hoạt động mơ hình dùng LQR SimMechanics Hình 46 Hệ thống xe máy điện SimMechanics Hình 47 Mơ hình điều khiển hệ thống LQR Việc mơ mơ hình SimMechanics giúp quan sát hoạt động mô hình cách trực quan Bên cạnh đưa vào yếu tố vật lý ma sát, nhiễu,…để mô cách gần với thực tế Hình 46 thể khối mơ hình hệ thống Trong mơ hình có khối quan trọng: 52  Khối “trucnghieng”: Được giới hạn bậc tự quay quanh truc Ox, cài đặt thơng số góc nghiêng ban đầu xe, hệ số ma sát bánh xe với mặt đường  Khối “banh da”: Đặc trưng thông số cho bánh đà khối lượng, moment quán tính,…  Khối “Than”: Đặc trưng thông số cho phần thân xe Khối “Than” liên kết với khối “banh da” thông qua khối “Revolute2” thể chuyển động quay bánh đà với thân xe Sau xây dựng mơ hình hệ thống, giải thuật điều khiển đưa vào thể hình 47 Mơ hình gồm khối điều khiển LQR, khối động dc khối mô tả xe máy điện Tín hiệu ngõ vào điện áp cấp vào khối động Khối động sinh moment cấp vào khối xe máy điện Ngõ giá trị thông số 𝜃, 𝜃̇, 𝜑, 𝜑̇ hồi tiếp điều khiển LQR Thiết lập ban đầu cho việc mô phỏng:  Bộ số chọn mơ G2 có ma trận hệ số 𝐾 tương ứng bảng 5.3  Góc nghiêng ban đầu xe 8𝑜 cài đặt khối “Initial Angle”  Hệ số ma sát giảm chấn: 0,009 thiết lập khối “He so ma sat”  Chọn thời gian mô 5s Kết mô thể hình 5.24 5.25 Hình 5.24 thể góc nghiêng 53 xe hình 5.25 thể đáp ứng vận tốc bánh đà Hình 48 Đáp ứng xe mơi trường SimMechanics Hình 49 Đáp ứng vận tốc bánh đà mơi trường SimMechanics Theo hình 48 49, đồ thị góc nghiêng vận tốc bánh đà mơ mơi trường SimMechanics có dạng tương tự mô lý thuyết Tuy nhiên, mơi trường SimMechanics có tác động yếu tố vật lý làm cho xe có xu hướng ngã phía nên dạng đồ thị bị nhấp nhô tại số thời điểm 54 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH XE MÁY ĐIỆN CÂN BẰNG Kết cấu khí hệ thống điện ảnh hưởng đến đáp ứng mơ hình xe máy điện cân Kết cấu tốt giúp xe cân ổn định Chương tiến hành tính tốn lựa chọn động cơ, driver, vi điều khiển, xây dựng sơ đồ kết nối thiết bị điện, thiết kế khí dựa kết mô chương 4.1 Thiết kế khí 4.1.1 Tính tốn thiết kế cụm bánh đà a Tính tốn lựa chọn động bánh đà  Phương án lựa chọn động cơ: Bánh đà mơ hình xe máy điện cân tác dụng động DC Có hai phương án khả thi: - Động DC có hộp giảm tốc: cho moment xoắn lớn, vận tốc tối đa nhỏ Hộp giảm tốc thường chế tạo từ hệ thống bánh bị mài mịn chế tạo khơng xác dễ gây tượng rơ, lắc làm tăng sai số hệ thống - Động DC khơng có hộp giảm tốc: cho moment xoắn nhỏ, vận tốc lớn Loại động giảm sai số hệ thống không bị rơ, lắc Điều phù hợp cho hệ thống mơ hình xe máy điện cân Vận tốc bánh đà thông số quan trọng trình điều khiển Do đó, động DC gắn bánh đà cần kết hợp encoder để phản hồi vận tốc Như vậy, động DC servo chọn cho cụm bánh đà  Tính tốn lựa chọn động cơ: Mục tiêu thiết kế mơ hình xe máy điện cân có khả cân phạm vị ±8o Theo tính tốn phần 2.2.2 chương 2, động cần chọn có moment τ ≥ 0,164 (Nm)  Tính tốn thiết kế bánh đà Bánh đà có chức trì thời gian sinh moment động Theo kết mơ 55 chương 2, bánh đà có moment qn tính lớn trì khả sinh moment động lâu Tuy nhiên, moment tính bánh đà lớn kéo theo khối lượng hệ lớn Do đó, moment qn tính bánh đà 0,000263 (kg.m2) chọn Bánh đà có đường kính 100 mm, dày 10 mm cho moment quán tính 0,000263 (kg.m2) nặng 220 (g), biểu diễn qua hình 4.3b Các thơng số kích thước thể hình 4.3a Lỗ Ø4 dùng để lắp với trục động siết chặt nhờ vào hai ốc lục giác chìm khơng đầu M4 a) Thơng số kích thước b)Mơ hình 3D Hình 50 bánh đà 4.1.2 Vi điều khiển Vi điều khiển có ảnh hướng định đến khả điều khiển mơ hình xe máy điện cân Việc lựa chọn vi điều khiển cần đảm bảo yếu tố sau: - Có đủ số chân để kết nối với thiết bị - Đáp ứng thời gian lấy mẫu hệ thống Trong thiết bị điện, thời gian đọc encoder động gắn bánh đà lớn Thời gian đáp ứng vi điều khiển phải thỏa mãn thời gian đọc encoder động gắn bánh đà Tốc độ động gắn bánh đà dự tính điện áp 12V theo kết mô chương 300 (rad/s) ≈ 48 (vòng/s) Mỗi vòng quay động trả 500x4 xung (đọc 56 encoder chế độ x4) Do đó, tần số tối thiểu vi điều khiển cần đạt thỏa mãn phương trình (4.27) 𝑓 = 48.500.4 = 96000 𝐻𝑧 = 96 𝑘𝐻𝑧 (4.27) Hình 51 Arduino Mega 2560 Arduino Mega 2560 có thơng số kỹ thuật sau: - Số chân digital: 54 chân - Giao tiếp UART: kênh - Số chân PWM: 15 chân - Giao tiếp I2C: kênh - Ngắt ngoài: chân - Giao tiếp SPI: kênh - Số chân Analog: 16 chân - Xung clock: 16 MHz Hiện nay, có nhiều dịng vi điều khiển PIC, ARM, STM, ARDUINO, đáp ứng nhu cầu Trong số vi điều khiển kể trên, Arduino có nhiều đặc điểm bật phù hợp với đề tài Phần cứng Arduino tích hợp vi điều khiển AVR Atmel bit Arduino có mơi trường phát triển ứng dụng dể sử dụng, ngơn ngữ lập trình học cách nhanh chống Arduino xây dựng dựa mã nguồn mở, tổng hợp thư viện code toàn giới Không giống với vi điều khiển khác, Arduino không cần có mạch nạp chuyên dụng để nạp liệu chương trình Arduino nạp chương trình trực tiếp qua cổng USB Chính lý đó, Arduino chọn sử dụng cho đề tài Board mạch sử dụng Arduino Mega 2560 biểu diễn qua hình 4.18 57 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ RÚT RA KINH NGHIỆM  Đạt - Tìm hiểu mơ hình xe máy điện cân ngun lý cân xe máy điện phổ biến - Mơ hình hóa xe máy điện cân sử dụng bánh đà phản ứng Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến đáp ứng xe như: moment động sinh ra, chiều cao đặt bánh đà, moment qn tính bánh đà cơng cụ SimMechanics phần mềm Matlab - Giới thiệu cảm biến MPU6050 Thiết kế mơ hình để khảo sát calip cảm biến Xây dựng thuật toán lọc nhiễu Kalman cho cảm biến - Kiểm tra khả điều khiển hệ thống Thiết kế điều khiển PID, LQR cho mơ hình mô Simulink/SimMechanics Kết cho thấy điều khiển LQR cho đáp ứng tốt  Khuyết điểm đề tài: - Vận tốc di chuyển xe cịn thấp so với xe máy thực tế - Góc nghiêng cho phép mơ hình cịn nhỏ mơ moment động sinh không cao 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kiattisin Kanjanawanishkul: LQR and MPC controller design and comparision for a stationary self-balancing bicycle robot with a reaction wheel Kbernetika – volume 51 (2015), number 1, pages 173-191 [2] T Bui and M Parnichkun: Balancing control of bicyrobo by particle swarm optimizationbased structure-specified mixed h2/hinf control Internat J Adv Robot Syst (2008), 4, 395–402 [3] Huỳnh Thái Hoàng, Bài giảng Lý thuyết điều khiển nâng cao, Khoa Điện – Điện tử, ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [4] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hồng (2012) Lý thuyết điều khiển tự động Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh [5] SOHO DC Motor catalog 7E4065B-28Y 09-2014 [6] InvenSense (2013) MPU-6000 and MPU-6050 Resister Map and Descriptions, Revision 4.2 [7] Y.Tanaka and T.Murakami: Self sustaining bicycle robot with steering controller In: Proc.IEEE International Workshop on Advanced Motion Control, Kawasaki 2005, pp.193197 [8] Phan Hữu Anh Tú, Nguyễn Trọng Trân (2017) Phân tích thiết kế mơ hình xe máy điện cân bằng, Luận văn đại học Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [9] Nguyễn Trọng Nghĩa (2014) Phân tích điều khiển xe hai bánh cân Luận văn đại học Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [10] Trần Quốc Bình (2016) Phân tích thiết kế mơ hình lắc ngược Luận văn đại học Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [11] http://www.freescale.com/files/sensors/doc/app_note/AN3461.pdf 59 ... Hình Sơ đồ khối mơ hình thiết kế 10 Hình Mơ hình hóa xe máy điện cân 11 Hình Mơ hình khảo sát 15 Hình Sơ đồ mô xe máy điện cân 16 Hình Sơ đồ khảo sát ảnh... Thiết kế kết cấu khung xe: - Thiết kế khí dạng 3D phần mềm SolidWorks thơng qua việc phân tích mơ hình xe máy điện cân xác định thành phần mơ hình - Chế tạo mơ hình thử nghiệm từ mơ hình 3D thiết. .. Mơ hình xe máy điện cân mơ tả hình 2.1 bao gồm: bánh đà (1) gắn với động (2), bánh xe (3) khung xe (4) Bánh đà Động Bánh xe Khung xe Hình Sơ đồ khối mơ hình thiết kế 2.1 Mơ hình tốn xe máy điện