Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân bằng

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................... 3 1.1 Thế nào là xe hai bánh tự cân bằng ........................................................................ 3 1.2 Tình hình nghiên cứu robot 2 bánh tự cân bằng hiện nay ..................................... 3 1.2.1 JOE .................................................................................................................. 3 1.2.2 nBot ................................................................................................................. 4 1.3 Nhiệm vụ của đề tài ............................................................................................... 4 CHƯƠNG II. MÔ HÌNH HOÁ ĐỐI TƯỢNG .................................................................... 5 2.1 Xây dựng mô hình toán .......................................................................................... 5 2.2 Phương trình động lực học ................................................................................... 12 CHƯƠNG III. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ........................................................................ 14 3.1 Tổng quan cấu trúc phần cứng ............................................................................. 14 3.2 Xác định phần cứng thích hợp ............................................................................. 14 3.3 Các linh liện chính ............................................................................................... 15 3.3.1 Module L298 ................................................................................................. 15 3.3.2 Động cơ JGA25 kèm encoder ....................................................................... 15 3.3.3 Cảm biến gia tốc MPU6050 .......................................................................... 16 3.3.4 Cảm biến dòng INA219 ................................................................................ 16 3.4 Thiết lập và xác định biến quá trình từ cảm biến ................................................. 17 3.4.1 Cách tính góc nghiêng thân xe  : ................................................................. 17 3.4.2 Cách tính góc hướng của xe (góc quay quanh trục z): .................................. 18 3.4.3 Cấu hình PWM điều khiển động cơ: ............................................................. 19 3.4.4 Đo dòng điện ................................................................................................. 19 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .................................................................. 21 4.1 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển ................................................................................ 21 4.2 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQR ............................................................... 21 4.2.1 Cơ sở lý thuyết .............................................................................................. 21 4.2.2 Tính toán bộ điều khiển ................................................................................. 22 4.3 Bộ điều khiển dòng điện ...................................................................................... 25 4.3.1 Nhận dạng hàm truyền dòng điện của động cơ ............................................. 25 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân bằng 2 4.3.2 Tính toán bộ điều khiển dòng ........................................................................ 27 4.4 Mô phỏng và kết quả ............................................................................................ 27 CHƯƠNG V. KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................... 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 31

Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân MỤC LỤC CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Thế xe hai bánh tự cân 1.2 Tình hình nghiên cứu robot bánh tự cân 1.2.1 JOE 1.2.2 nBot 1.3 Nhiệm vụ đề tài CHƯƠNG II MƠ HÌNH HỐ ĐỐI TƯỢNG 2.1 Xây dựng mơ hình tốn 2.2 Phương trình động lực học 12 CHƯƠNG III PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 14 3.1 Tổng quan cấu trúc phần cứng 14 3.2 Xác định phần cứng thích hợp 14 3.3 Các linh liện 15 3.3.1 Module L298 15 3.3.2 Động JGA25 kèm encoder 15 3.3.3 Cảm biến gia tốc MPU6050 16 3.3.4 Cảm biến dòng INA219 16 3.4 Thiết lập xác định biến trình từ cảm biến 17 3.4.1 Cách tính góc nghiêng thân xe  : 17 3.4.2 Cách tính góc hướng xe (góc quay quanh trục z): 18 3.4.3 Cấu hình PWM điều khiển động cơ: 19 3.4.4 Đo dòng điện 19 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 21 4.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển 21 4.2 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQR 21 4.2.1 Cơ sở lý thuyết 21 4.2.2 Tính tốn điều khiển 22 4.3 Bộ điều khiển dòng điện 25 4.3.1 Nhận dạng hàm truyền dòng điện động 25 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân 4.3.2 4.4 Tính tốn điều khiển dịng 27 Mô kết 27 CHƯƠNG V KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Thế xe hai bánh tự cân Đối với xe ba hay bốn bánh, việc thăng ổn định chúng nhờ trọng tâm chúng nằm bề mặt chân đế bánh xe tạo Đối với 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 đối xe hai bánh tự cân bằng, loại xe có hai bánh với trục bánh xe trùng nhau, xe cân trọng tâm xe giữ nằm bánh xe Điều giống ta giữ gậy dựng thẳng đứng lịng bàn tay Hình Mơ tả ngun lý giữ thăng 1.2 Tình hình nghiên cứu robot bánh tự cân 1.2.1 JOE JOE phịng thí nghiệm điện tử công nghiệp viện Công nghệ Liên bang Lausanne, Thuỵ Sĩ tạo năm 2002 Hình dạng gồm hai bánh xe đồng trục, bánh gắn với động DC, robot xoay theo hình chữ U Hệ thống điều khiển gồm hai điêu khiển “không gian trạng thái” state space tách rời nhau, kiểm soát động để giữ cân cho hệ thống Thông tin trạng thái cug cấp hai encoder quang hai cảm biến gia tốc góc quay hồi chuyển JOE điều khiển điều khiển từ xa RC Bộ điều khiển trung tâm xử lý tín hiệu board xử lý tín hiệu số DSP phát triển nhóm viện Federal, kết hợp với FPGA XILINC Hình JOE Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân 1.2.2 nBot Robot nBot David P.Anderson chế tạo Nguyên tắc điều khiển nBot sau: bánh xe chạy theo hướng mà phần robot ngã, bánh xe lái theo cách giữ vững trọng tâm rbobot robot giữ cân Quá trình điều khiển sử dụng tín hiệu từ hai cảm biến: cảm biến góc nghiêng thân robot so với phương trọng lực encoder gắn bánh xe để đo vị trí robot Tín hiệu hình thành nên biến: góc nghiêng thân robot, vận tốc, góc nghiêng ,vị trí robot vận tốc rbot Bốn biến tính tốn thành điện áp điều khiển động robot Hình nBot 1.3 Nhiệm vụ đề tài Nhiệm vụ đề tài nghiên cứu, thiết kế mơ hình thử nghiệm xe hai bánh tự cân đáp ứng nhiệm vụ:  Bài toán điều khiển cân bằng: giữ cho xe tự đứng thẳng được, không bị đổ  Bài toán điều khiển chuyển động xe Các điều khiển áp dụng:  Bộ điều khiển dòng điện vòng giúp xe đáp ứng nhiệm vụ điều khiển momen, đáp ứng tốt có nhiễu tải  Bộ điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu LQR vịng ngồi tính tốn giá trị đặt cho điều khiển dòng điện bên Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân CHƯƠNG II MƠ HÌNH HỐ ĐỐI TƯỢNG 2.1 Xây dựng mơ hình tốn Chọn hệ trục toạ độ xét đến vị tri xe, chuyển động thành phần    gầm xe, lắc hệ toạ độ cố định {N} hệ Oxyz  (n1 , n2 , n3 ) , hệ toạ độ gắn với trung    điểm nối bánh xe {C} (c1 , c2 , c3 ) , hệ toạ độ gắn với điểm B trọng tâm    {B} (b1 , b2 , b3 ) Hình Mơ hình tổng qt hệ xe hai bánh Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân Bảng kí hiệu: Kí hiệu Đơn vị Chú thích q1= xc m Toạ độ điểm C theo phương x (Oxyz cố định) q2= yc m Toạ độ điểm C theo phương y (Oxyz cố định) q3= rad Góc quay xe (góc hướng) xung quanh trục z q4=  L rad Góc xoay bánh trái q5=  R rad Góc xoay bánh phải q6=  rad Góc lắc xe d m Khoảng cách bánh xe l m Khoảng cách từ trọng tâm xe tới trục nối bánh xe r m Bán kính bánh xe M kg Khối lượng thân xe m kg Khối lượng bánh xe J, K kg.m² Momen quán tính bánh xe với trục bánh xe trục đứng I1 , I , I kg.m² Momen qn tính thân xe rad/s Vận tốc góc (L, R, B) m/s Vận tốc thẳng (L, R, B) m/s, rad/s Vận tốc thẳng góc C fL, fR Nm Momen cản xoắn bánh trái bánh phải TL, TR Nm Momen tác động vào bánh trái bánh phải    L ,R ,B    vL ,vR ,vB   vC ,C c Hệ số cản nhớt động Km Nm/A Hệ số momen động iL, iR A Dòng điện phần ứng bánh trái, bánh phải Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân Mơ hình động học xe mơ tả hình dưới: Hình Mơ hình động lực học xe hai bánh tự cân Hình Vị trí xe hệ toạ độ chuẩn Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân Các phương trình động học:  xB  xc  l sin  cos  y  y  l sin  sin c  B  z B  l cos    xL  xc  ( d / 2) sin  y  y  (d / 2) cos c  L  xR  xc  (d / 2) sin   yR  yc  (d / 2) cos Đạo hàm vế ta thu được:  xB  xc  l cos  cos  l sin  sin   y B  y c  l cos  sin  l sin  cos    zB  l sin    xL  xc  ( d / 2) cos  y  y  (d / 2) sin c  L  xR  xc  ( d / 2) cos   y R  y c  (d / 2) sin Mối quan hệ vận tốc xe thể hình (khơng xét đến yếu tố trượt): Hình Mối quan hệ vận tốc xe Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân Chiếu thành phần vận tốc bánh trái bánh phải lên hệ trục {tq} với trục t có phương vng góc với nối, trục q có phương trùng với nối bánh xe  xL cos  y L sin  rL   xR cos  y R sin  rR ( x  x )sin  ( y  y ) cos  L R L R Ta thu ràng buộc vận tốc xe sau:  xC cos  yC sin  ( d / 2)  rL    xC cos  yC sin  ( d / 2)  rR   x sin  y cos  C  C Ta xác định từ ràng buộc có ràng buộc nonholomic ràng buộc holomic: xC cos  yC sin  r (L  R ) xC sin  yC cos    r r (R  L )    ( R   L ) d d Đặt xC cos  yC sin  r (L  R )  x vận tốc theo phương vng góc với trục nối 2 bánh xe (vận tốc tịnh tiến xe) ta thu được: x  (d / 2)   L  r   R  x  (d / 2)  r Ta khẳng định: Hướng chuyển động tịnh tiến ln vng góc với trục nối bánh xe chủ động Cả chuyển động tịnh tiến chuyển động quay xe hoàn toàn phụ thuộc vào chuyển động lăn bánh xe chủ động Ta tính vận tốc bánh xe thân xe so với hệ toạ độ cố định {N}: Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân    v L  ( xC  ( d / 2) cos ) n1  (y C  (d / 2) sin ) n R   v  ( xC  ( d / 2) cos ) n1  (y C  (d / 2) sin ) n    B    v  ( xC  l cos  cos  l sin  sin ) n1  (y C  l cos  sin  l sin  cos ) n  l sin  n3 Ta dễ dàng tính vận tóc góc bánh xe thân xe:       L   C  L c2   c3  L c2   R C        R c2   c3  R c2      B C  b   cos  b       b    sin  b   2  Hình Hệ trục gắn liền với bánh xe Trong hệ trục gắn liền với bánh xe trái ta tính vận tốc tóc bánh xe trái tương tự bánh xe phải sau:        L   c3  L c2   sin  Ll1  Ll2  cos  Ll3        R   c3  R c2   sin  Rl1  Rl2  cos  Rl3 Động hệ tính theo cơng thức: T  Ttrans  Trot Ttrans  Trot  2 mvL  mvR  MvB2 2 L T 1 ( ) I L L  ( R )T I R R  ( B )T I B B 2 Với: 10 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân Hình 10 Sơ đồ nguyên lý module đo dòng INA219 3.4 Thiết lập xác định biến trình từ cảm biến 3.4.1 Cách tính góc nghiêng thân xe  : MPU6050 sử dụng giao tiếp I2C với thiết lập sau:  Địa Slave: 0x86  Tần số lấy mẫu 8Khz Đối với mơ hình thực tế mà nhóm thiết kế, góc nghiêng  đặt trùng với trục x cảm biến tính tốn sau   a tan 2(a y , az ) Thực tế đo về, góc nghiêng xe có nhiễu đo lớn, ta cần thiết kế lọc Kalman để lọc bỏ nhiễu Bộ lọc Kalman thực phương pháp truy hồi chuỗi giá trị đầu vào bị nhiễu, nhằm tối ưu hóa giá trị ước đốn trạng thái hệ thống Kết việc sử dụng lọc Kalman so với khơng có lọc thể rõ qua hình sau: 17 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân Hình 11 Góc nghiêng xe có khơng có lọc Kalman 3.4.2 Cách tính góc hướng xe (góc quay quanh trục z): Động sử dụng động có tỉ số truyền 1:34, encoder có độ phân giải 13 xung/vịng Do vịng quay bánh xe tương ứng với 442 xung Thực đếm số xung cấu hình ngắt bắt xung sườn lên sau: Kênh B động nối vào chân I/O bất kì, kênh A nối vào chân ngắt Khi có xung sườn lên chân ngắt, vi điều khiển kiểm tra xung kênh B hay 0, động xem quay thuận, số xung đếm tăng lên đến giá trị max (442 xung) reset 0, xung kênh B 0, động xem quay theo chiều ngược, số xung đếm giảm Khi đó, số xug đếm N, ta có cơng thức tính góc quay bánh xe sau :  L/ R  2 N (rad) 442 Khi đó, vị trí xe góc hướng(góc quay quanh trục z ) tính sau: x r ( L   R ) r ,   ( R   L ) d 18 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân 3.4.3 Cấu hình PWM điều khiển động cơ: Chọn tần số PWM 31Khz, đảm bảo cho động hoạt động êm Hai tín hiệu PWM kênh A B có dạng đối xứng, ngược pha đưa vào nửa cầu mạch cầu H-L298 giúp động quay theo hai chiều thuận nghịch Nguyên lý hoạt động mạch cầu H thể sau: Ta dùng bảng logic cho chân tín hiệu điều khiển: Enable A IN1.A IN2.A Mơ tả Động A tắt 0 Động A dừng 1 Động A quay thuận 1 Động A quay ngược 1 Động A dừng Bảng mô tả cách thức hoạt động mạch cầu H Muốn thay đổi tốc độ động cơ, ta thay đổi điện áp hai chân IN1 IN2 động cơ, điện áp đảo chiều động đảo chiều quay tương ứng 3.4.4 Đo dòng điện Ta sử dụng cảm biến INA219 cho động Có thể dùng phối hợp nhiều cảm biến hệ thống với địa khác cấu hình cách hàn tiếp điểm định sẵn để thay đổi địa Các cảm biến dùng giao thức I2C cấu sau:  INA219 cho bánh trái với địa slave: 0x40 19 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân  INA219 cho bánh phải với địa slave: 0x41 Cảm biến dùng nguyên lý đo điện trở shunt, giá trị dòng điện đo tính theo cơng thức: I Vshunt V 105  0.1 0.1 20 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển Hình 12 Cấu trúc điều khiển xe hai bánh tự cân 4.2 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQR 4.2.1 Cơ sở lý thuyết Bộ điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu (LQR) xây dựng cho hệ tuyến tính tham số hằng: u *  D 1 BT K (t ) x  R(t ) x Mục tiêu xác định tín hiệu điều khiển tối ưu u *  u ( x , t ) đưa hệ từ x0 tuỳ ý cho trước tới xT bất kỳ, đồng thời thoả mãn hàm mục tiêu J đạt giá trị nhỏ J có dạng tồn phương sau: J T T ( x Cx  u T Du )dt  Với giả thiết hai ma trận C, D đối xứng, C bán xác định dương D xác định dương ( C  C T  0, D  DT  ) Khoảng thời gian T xảy trình tối ưu hữu hạn cho trước vơ hạn Giải tốn tối ưu xác định điều khiển phản hồi trạng thái: u *  D 1 BT K (t ) x  R(t ) x K(t) xác định cách tính ma trận hàm mũ, giải phương trình vi phân Riccati (khi T hữu hạn), phương trình đại số Riccati (khi T vơ hạn) Hình 13 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu ( phản hồi dương ) 21 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân 4.2.2 Tính tốn điều khiển Từ phương trình động lực học xe, ta đưa hệ dạng mơ hình trạng thái: Vector trạng thái: x  [ x1 x2 x3 x4 x5 x6 ]T  [ x   x   ]T Vector đầu vào: u  [u1 u2 ]T  [iL iR ]T Ta có hệ:  x1  x4  f1 ( x , u )  x  x  f ( x , u )   x3  x6  f3 ( x , u )  x  f ( x , u )   x  f ( x , u )   x5  f5 ( x , u )   x6  f ( x , u ) Trong đó: f4 ( x , u )    4  1  2 , f5 ( x , u )  , f6 ( x , u )    6 Với: K x   C 1  r ( Ml  I )  m (u1  u2 )   x5    Ml sin x2 ( x52  x62 )  r r   r   x      Mlr cos x2   cos x2 sin x2 ( Ml  I1  I ) x62  K m (u1  u2 )  2C  x5    Mgl sin x2  r      x    3  (2 J  Mr  2mr )   cos x2 sin x2 ( Ml  I1  I ) x62  K m (u1  u2 )  2C  x5    Mgl sin x2  r     K C x      Mlr cos x2  m (u1  u2 )   x5    Ml sin x2 ( x52  x62 )  r r   r  K d Cd  5  2r  m (u1  u2 )  x6 sin x2 [ Mlx4  x5 cos x2 (2 Ml  I1  I )]  x6  2r  2r  2 2 2 2 2 2 6  Jd  I 3r  Kr  md r  I1r sin x2  I r sin x2  Ml r sin x2   I J  M 2l r  JMl  I Mr  I mr  2Ml mr  M 2l r sin x2 Điểm cân hệ thoả mãn: f ( x , 0)   xe  [* * 0 0]T Tuyến tính hệ quanh điểm cân ta được: x  xe  A( x  xe )  Bu Đặt   I J  JMl  I Mr  I mr  Ml mr hệ đưa e  Ae  Bu 22 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân A f x x  (*,0,*,0,0,0) 0 0  0  0 a42 0 a52  0 0 0 0 0 a44 a45 a54 a55 0 0 0  1 f ,B 0 u 0  a66  x  (*,0,*,0,0,0) 0 0 0 0   0 0   b41 b42  b51 b52    b61 b62   M gl r 2C ( Ml  I )  2CMlr 2Cr ( Ml  I )  CMlr a42  , a44  , a45     C 2CMl  (2 J  Mr  2mr ) Mgl (2 J  Mr  2mr ) r a52  , a54    2 2C (2 J  Mr  2mr )  2CMlr Cd a55  , a66   Jd  I r  Kr  d mr K m r ( Ml  I )  K m Mlr   K m (2 J  Mr  2mr )  K m Mlr b51  b52    K m dr b 61   b62  2 Jd  I r  Kr  d mr b41  b42  Trong   I J  JMl  I Mr  I mr  Ml mr Với thông số xe sau: M = 0.750 Kg, m = 0.044 Kg, l= 0.08 m, d =0.16 m, r = 0.033 m, g = 9.81m/ s c = 0.005, Km = 0.41202 Nm/A Momen quán tính thân xe góc  : I  ml 2 Momen qn tính thân xe góc  : I  md = I1 Momen quán tính thân xe trục bánh xe: J= mr 2 Momen quán tính thân xe trục thẳng đứng: K  mr 23 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân Hai ma trận A, B tính tốn bằng: 0  0 0 A  -12.8403  188.7526  0   0 1.0000  0 1.0000   -30.6492 1.0114  297.4974 -9.8174   0 -5.6138  1.0000 0 0     0     0 B   101.1423 101.1423   -981.7415 -981.7415     -231.5692 231.5692  Chọn ma trận Q=diag(1.5, 0.5, 1, 3, 0.25, 0.5), R=diag(1, 1) Ma trận phản hồi trạng thái K tính lệnh lqr() Matlab: K=lqr(A, B, Q, R) ta thu kết quả:  -0.8660 -3.3627 -0.7071 -1.6941 -0.5343 -0.4911  K    -0.8660 -3.3627 0.7071 -1.6941 -0.5343 0.4911  Bộ điều khiển bao gồm ma trận phản hồi trạng thái nhân với sai lệch biến trạng thái phản hồi về, sơ đồ khối điều khiển LQR có dạng: Hình 14 Bộ điều khiển LQR 24 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân 4.3 Bộ điều khiển dòng điện 4.3.1 Nhận dạng hàm truyền dòng điện động Để thiết kế điều khiển dòng điện, ta cần xây dựng hàm truyền dòng điện động Để đơn giản, ta tiến hành xây dựng hàm truyền dòng điện thực nghiệm: Phương pháp: Đặt vào động điện áp cố định đo tín hiệu dịng điện đầu động Cách 1: Sử dụng toolbox matlab để nhận dạng hàm truyền dòng điện: Từ số liệu thu được, ta sử dụng khối Identification Toolbox Matlab để nhận dạng mơ hình động Dễ dàng nhận thấy mơ hình dịng điện động DC có dạng qn tính bậc Hình15 Đáp ứng dòng điện với đầu vào U=7V k Hàm truyền dòng điện thu G1 ( s )  với  Ts k  0.15398 { T  0.2965.103 , best fit=87.96% 25 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân Cách 2: Thực nghiệm tính tốn hàm truyền dịng điện cơng thức: Phương trình khâu qn tính bậc có dạng sau: H (t )  u.k (1  e  t T ) , với u đầu vào Số liệu đo đầu vào u= 7V:  Dòng điện xác lập: H   1.079 A k  H  1.079   0.15414 u  Tại thời điểm t1  0.25*103 ( s ) : H (t1 )  0.6041  T1  t1  3.0.104 H1 ln(1  ) k  Tại thời điểm t2  0.5*103 ( s ) : H (t )  0.8741  T2  t2  3.046.104 H2 ln(1  ) k  Tại thời điểm t3  0.75*10 3 ( s ) : H (t )  0.9905  T3  Do đó: T  t3  2.9988.10 4 H3 ln(1  ) k T1  T2  T3  0.30149.10 3 Như vậy, hàm truyền dòng điện xấp xỉ cách tính tốn: k G2 ( s)  với  Ts k  0.15414 { T  0.30149.103 Nhận xét: Hàm truyền dòng điện động mà ta đạt cách sử dụng toolbox Matlab tính tốn cơng thức thực nghiệm xấp xỉ nhau, sử dụng hai hàm truyền để tính tốn 26 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân 4.3.2 Tính tốn điều khiển dịng Từ mơ hình dịng điện động trên, ta thiết kế điều khiển dòng điện dùng phương pháp gán độ điều chỉnh thời gian xác lập (OSA): Chọn thời gian xác lập T2%  1ms Tính tốn thu điều khiển dòng PI sau: T ln(0.02)  7.533 kT2% Ti T  0.2965.103 { Kp  Ta có hàm truyền điều khiển dòng điện : R ( s )  K p (1  1 )  7,533.(1  ) Ti s 0, 2965.10 3 Khi đó, đáp ứng dịng điện với giá trị đặt 0.6A thể sau: Hình 16 Đáp ứng dịng điện với giá trị đặt 0.6A Nhận xét: Đáp ứng nhanh, đảm bảo u cầu điều khiển dịng điện 4.4 Mơ kết Thực mô hệ thống Matlab&Simulink với điều khiển tính tốn 27 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân Sơ đồ Simulink điều khiển: Hình 17 Bộ điều khiển mô Simulink Thực mô với giá trị đặt vị trí xe xsp  1.4m , góc nghiêng  sp  0o , góc hướng  sp  0.5( rad ) ta thu kết sau: Hình18 Vị trí xe với vị trí đặt 1.4m 28 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân Hình19 Góc nghiêng xe di chuyển Hình 20 Góc hướng xe với góc đặt 0.5 rad Nhận xét: Xe tiến tới vị trí quay theo góc quay mong muốn mà giữ thăng bằng, điều khiển đáp ứng yêu cầu thiết kế 29 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân CHƯƠNG V KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Sau q trình thực hiện, nhóm thu kết sau:  Thiết kế hoàn chỉnh mơ hình xe hai bánh tự cân thực tế  Xây dựng triển khai thuật toán, thiết kế điều khiển theo yêu cầu ( kết đáp ứng tốt mô phỏng)  Hiểu thêm lập trình nhúng cách thiết lập, giao tiếp tính tốn giá trị từ cảm biến  Áp dụng lọc Kalman vào xử lý tín hiệu  Xây dựng hàm truyền đối tượng thực nghiệm Tuy nhiên chưa tìm hiểu thật kỹ vi điều khiển trước vào làm sản phẩm thực tế nên vi điều khiển lựa chọn có tốc độ xử lý cịn thấp, khơng đáp ứng u cầu điều khiển dịng điện ( đối tượng có tính động học cao, yêu cầu tốc độ xử lý nhanh) nên sản phẩm chưa thiết kế thành cơng Trong thời gian nhóm cố gắng thay đổi vi điều khiển phù hợp tiếp tục hoàn thiện sản phẩm phát triển thêm đề tài 30 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Doãn Phước, “Lí thuyết điều khiển tuyến tính”, Hà Nội 2014 [2] Nguyễn Dỗn Phước: “Tối ưu hóa điều khiển điều khiển tối ưu”.NXB Bách Khoa Hà Nội, 2015 [3] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung: “Lý thuyết điều khiển phi tuyến” NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2006 [4] Nguyễn Phùng Quang: “Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động” NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2005 [5] Sangtae K and SangJoo K (2015) Dynamic Modeling of a Two-wheeled Inverted Pendulum Balancing Mobile Robot [6] ĐATN anh khoá trước 31 ... 0.1 0.1 20 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển Hình 12 Cấu trúc điều khiển xe hai bánh tự cân 4.2 Bộ điều khiển phản... trái, bánh phải Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân Mơ hình động học xe mơ tả hình dưới: Hình Mơ hình động lực học xe hai bánh tự cân Hình Vị trí xe hệ toạ độ chuẩn Thiết kế hệ thống điều. .. cầu điều khiển dịng điện 4.4 Mơ kết Thực mô hệ thống Matlab&Simulink với điều khiển tính tốn 27 Thiết kế hệ thống điều khiển xe hai bánh tự cân Sơ đồ Simulink điều khiển: Hình 17 Bộ điều khiển