Đang tải... (xem toàn văn)
Xe lăn điện là sản phẩm kết hợp giữa xe lăn tay truyền thống và hệ thống động cơ, ắcquy hiện đại giúp cho người dùng dễ dàng điều khiển mà không tốn công sức như điều khiển xe lăn tay. Tìm hiểu về module cảm biến IMU cũng như thuật toán lọc nhiễu cho cảm biến. Tìm hiểu về kit Arduino Nano và vi điều khiển ATmega328P. Thiết kế và xây dựng bộ điều khiển cho xe lăn điện. Xây dựng mô hình và tiến hành kiểm tra đánh giá kết quả.
MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ XE LĂN ĐIỆN 10 1.1 Giới thiệu loại xe lăn điện thị trường 10 1.2 Vai trò xe lăn 16 1.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động xe lăn điện 17 1.3.1 Cấu tạo 19 1.3.2 Nguyên lý hoạt động 22 1.4 Các yêu cầu xe lăn điện 22 1.4.1 Yêu cầu kỹ thuật 22 1.4.2 Yêu cầu hệ thống điện tính đơn giản 24 1.4.3 Yêu cầu độ thẫm mỹ tiện lợi 25 1.5 Kết luận chương 25 CHƯƠNG PHÂN TÍCH LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG 26 2.1 Thiết bị xe lăn điện thực tế 26 2.2 Sơ đồ khối hệ thống 26 2.3 Lựa chọn điều khiển cho hệ thống 27 2.3.1 Bộ điều khiển PLC 27 2.3.2 Bộ điều khiển dùng vi điều khiển (MCU) 30 2.4 Lựa chọn cấu chấp hành 31 2.4.1 Động điện không chổi than (BLDC) 31 2.4.2 Động điện chiều (ĐCĐMC) 38 2.5 Lựa chọn thiết bị đầu vào cho hệ thống 42 2.5.1 Cảm biến gia tốc (Accelerometer) 42 2.5.2 Cảm biến vận tốc góc (Gyroscope ) 43 2.5.3 Cảm biến đo từ trường (Magnetometer) 44 2.6 Kết luận chương 45 CHƯƠNG PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 47 3.1 Sơ đồ khối chức điều khiển 47 3.2 Tổng quan vi điều khiển ATmega328P 47 3.2.1 Giới thiệu họ vi điều khiển AVR 47 3.2.2 Vi điều khiển ATmega328P 48 3.3 Giới thiệu kit Arduino Nano 51 3.3.1 Sơ lược lịch sử Arduino 51 3.3.2 Chi tiết kit Arduino Nano 51 3.3.3 Tập lệnh cho Arduino Nano 52 3.4 Module GY – 86 64 3.4.1 Giới thiệu công nghệ MEMS 64 3.4.2 Giới thiệu module cảm biến GY-86 69 3.4.3 Ứng dụng lọc dùng cho module cảm biến GY-86 75 3.5 Kết luận chương 83 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH 84 4.1 Xây dựng mạch phần cứng 84 4.1.1 Mạch điều khiển động 84 4.1.2 Mạch Arduino Nano 89 4.1.4 Mạch cảm biến GY – 86 91 4.2 Xây dựng chương trình điều khiển 93 4.2.1 Lưu đồ thuật toán 93 4.2.2 Chương trình điều khiển (phụ lục) 96 4.3 Thử nghiệm đánh giá kết 96 4.4 Kết luận chương 96 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 PHỤ LỤC 99 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ý nghĩa Kí hiệu ADC Analog Digital Converter BLDC Brushless Direct Current Motor CPU Central Processing Unit ĐCĐMC Động điện chiều IMU Inertial Measurement Unit MCU Micro Controller Unit MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems – hệ vi điện tử PLC Programmable logic controller PWM Pulse Width Modulation TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Xe lăn điện 10 Hình 1.2: Bộ điều khiển xe lăn điện tay 11 Hình 1.3: Xe lăn điện phục hồi chức 12 Hình 1.4: Xe lăn điện cao cấp dành cho người khuyết tật 13 Hình 1.5: Xe lăn điện ba bánh 14 Hình 1.6: Xe lăn điện bốn bánh 15 Hình 1.7: Xe lăn hỗ trợ người di chuyển 17 Hình 1.8: Cấu tạo xe lăn 17 Hình 1.9: Sơ đồ bố trí phận kích thước thực tế xe lăn điện 19 Hình 1.10: Bộ truyền động nhơng xích 20 Hình 1.11: Bộ truyền động đai ốc 20 Hình 1.12: Động có kèm hộp số 21 Hình 1.13: Bình điện 21 Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống xe lăn điện 26 Hình 2.2: PLC S7 - 1200 module kết nối hãng Siemens 27 Hình 2.3: Sơ đồ khối thiết bị điều khiển PLC 28 Hình 2.4: Ứng dụng PLC điều khiển băng chuyền 29 Hình 2.5: Vi điều khiển 30 Hình 2.6: Cấu trúc vi xử lý 30 Hình 2.7: Cấu tạo động chiều khơng chổi than 32 Hình 2.8: Các phận động BLDC điển hình 32 Hình 2.9: Các dạng Rotor động chiều không chổi than 34 Hình 2.10: Cảm biến Hall A3144 35 Hình 2.11: Động BLDC bánh xe đạp điện 38 Hình 2.12: Phần cảm ĐCĐMC 39 Hình 2.13: Phần ứng ĐCĐMC 39 Hình 2.14: Cổ góp chổi than 41 Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý động điện chiều 42 Hình 2.16: Thứ tự trục cảm biến gia tốc 43 Hình 2.17: Cảm biến gia tốc chế tạo theo cơng nghệ MEMS 43 Hình 2.18: Con quay hồi chuyển 44 Hình 2.19: Cảm biến vận tốc góc chế tạo theo cơng nghệ MEMS 44 Hình 2.20: Cảm biến từ trường chế tạo theo công nghệ MEMS 45 Hình 3.1: Sơ đồ khối điều khiển 47 Hình 3.2: Vi điều khiển ATmega328P 48 Hình 3.3: Sơ đồ khối ATmega328P 49 Hình 3.4: Sơ đồ chân ATmega328P 50 Hình 3.5: Kit Arduino Nano 52 Hình 3.6: Các cảm biến chế tạo từ công nghệ MEMS 65 Hình 3.7 Module GY-86 69 Hình 3.8 MPU-6050 70 Hình 3.9 Sơ đồ chân MPU6050 71 Hình 3.10: Sơ đồ khối MPU6050 73 Hình 3.11: Cảm biến HMC5883L 73 Hình 3.12: Sơ đồ chân HMC5883L 74 Hình 3.13 Mạch lọc thông thấp - RC 76 Hình 3.14: Mạch lọc thơng cao – RC 76 Hình 3.15 Thuật tốn Kalman cổ điển 80 Hình 3.16: Sơ đồ minh họa trình hoạt động lọc bù 83 Hình 4.1: Mạch cầu H 84 Hình 4.2: Nguyên lý hoạt động mạch cầu H 85 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 86 Hình 4.4: Mạch cầu H dùng relay thực tế 87 Hình 4.5: Sơ đồ khối mạch điều khiển tốc độ 87 Hình 4.6: Mạch điều khiển tốc độ động 88 Hình 4.7: Kết nối sử dụng mạch 89 Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý mạch Arduino Nano 90 Hình 4.9: Mạch Arduino Nano thực tế 91 Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý module GY-86 92 Hình 4.11: Sơ đồ kết nối module GY-86 với kit Arduino Nano 93 Hình 4.12: Lưu đồ chương trình 93 Hình 4.13: Lưu đồ nhận tín hiệu từ cảm biến 94 Hình 4.14: Lưu đồ điều khiển cấu chấp hành 95 Hình 4.15: Hình ảnh sản phẩm thực tế đề tàiError! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Giá số loại xe lăn điện nhập thị trường 13 Bảng 1.2: Bảng thích phận xe lăn 17 Bảng 3.1: Bảng thông số, đặc điểm ATmega328P 48 Bảng 3.2: Mô tả chân vi điều khiển 50 Bảng 3.3: Các thông số Arduino Nano 52 Bảng 3.4: Bảng thông số 56 Bảng 3.5: Các toán tử logic 63 Bảng 3.6: Các toán tử so sánh 63 Bảng 3.7: Bảng thông số kỹ thuật mdule GY-86 69 Bảng 3.8: Thông số MPU6050 71 Bảng 3.9: Thông số HMC5883L 74 Bảng 4.1: Các thông số mạch 88 MỞ ĐẦU Theo báo cáo Bộ Lao động Thương Binh Xã hội (năm 2010), số người khuyết tật Việt Nam khoảng 5,4 triệu người chiếm 6,34% dân số Trong số người khả lại chiếm 18%, số người cao tuổi khoảng 8,6 triệu người chiếm 9,78% dân số Đối với họ có phương tiện giúp họ di chuyển dễ dàng giúp họ cảm thấy thoải mái sinh hoạt hàng ngày điều cần thiết Hiện nay, số công ty bán thị trường nhiều loại xe lăn: xe lăn tay, xe lăn điện Tuy nhiên, giá thành xe thường cao nhiều so với mức thu nhập bình dân người sử dụng tính xe chưa thực đáp ứng hết nhu cầu sử dụng Vì thiết kế chế tạo xe lăn điện với nhiều tính đặc biệt điều khiển cử động đầu giúp cho người khuyết tật người già cảm thấy thoải mái tinh thần - khỏe thể chất thấy có ý nghĩa với sống CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ XE LĂN ĐIỆN 1.1 Giới thiệu loại xe lăn điện thị trường Xe lăn điện sản phẩm kết hợp xe lăn tay truyền thống hệ thống động cơ, ắc-quy đại giúp cho người dùng dễ dàng điều khiển mà không tốn công sức điều khiển xe lăn tay Trước kia, chưa có xe lăn điện xe lăn tay dùng máy nổ chạy xăng, dầu sử dụng phổ biến Tuy nhiên loại xe lăn gây ô nhiễm môi trường, tốn nhiên liệu, không di chuyển địa hình khó khăn mà lại tốn sức, khơng an tồn cho người sử dụng Do xe lăn điện đời khắc phục nhược điểm loại xe trước đó, kể đến công dụng bật xe lăn điện ngày sau: Hình 1.1: Xe lăn điện Thứ nhất, xe lăn điện dễ dàng điều khiển, người dùng cần hướng lái hướng muốn chạy, tiến, lùi, trái, phải… thực thao tác Xe khởi động nhanh, dễ dàng hãm phanh gặp chướng ngại vật Thứ hai, xe lăn điện đảm bảo an toàn cho người sử dụng, điều khiển sai nguyên tắc xe 10 Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý mạch Arduino Nano 90 Hình 4.9: Mạch Arduino Nano thực tế 4.1.4 Mạch cảm biến GY – 86 Mạch module cảm biến 10 bậc tự GY-86 bao gồm cảm biến vận tốc gia tốc trục MPU6050, la bàn số trục HMC5883L cảm biến áp suất MS5611 Các cảm biến module dùng giao tiếp I2C với địa khác nhau, để xuất liệu cảm biến cẩn phải gửi địa truy cập cảm biến 91 Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý module GY-86 92 A4 A5 5V GND Hình 4.11: Sơ đồ kết nối module GY-86 với kit Arduino Nano 4.2 Xây dựng chương trình điều khiển 4.2.1 Lưu đồ thuật tốn a) Lưu đồ chương trình Bắt đầu S Bật cơng tắt mở Kết thúc Đ S Có tín hiệu từ cảm biến Đ S Tiến Đ Xe tiến S Phải S Trái Đ Xe sang phải S Đ Xe sang trái S Dừng Lùi Đ Xe lùi Đ Xe dừng Kết thúc Hình 4.12: Lưu đồ chương trình 93 Khi bật cơng tắc cấp nguồn cho hệ thống, có tín hiệu từ cảm biến gửi điều khiển tiến hành điều khiển xe lăn theo hướng tiến, lùi, trái, phải lặp lại kết thúc b) Lưu đồ chương trình nhận tín hiệu từ cảm biến (GY-86) Bắt đầu Khởi tạo Module GY-86 Gửi địa đến cảm biến Các cảm biến nhận địa Kiểm tra địa S Đúng địa cảm biến Đ Gửi liệu vi điều khiển Kết thúc Hình 4.13: Lưu đồ nhận tín hiệu từ cảm biến 94 Khi cảm biến bắt đầu hoạt động khởi tạo giá trị ban đầu sau đợi địa gửi đến từ vi điều khiển trung tâm để lấy liệu, địa cảm biến gởi liệu trả cho vi điều khiển trung tâm lặp lại kết thúc c) Lưu đồ điều khiển cấu chấp hành Bắt đầu Bộ điều khiển trung tâm nhận tín hiệu từ cảm biến S gocR20 Đ Sang phải DC1 quay thuận DC2 quay nghịch S gocP30 Đ Sang trái DC1 quay nghich DC2 quay thuận Đ Xe lùi DC1 quay nghịch DC2 quay nghịch gocR>10&& gocR
