(Đồ án tốt nghiệp) nghiên cứu thuật toán điều khiển robot hai bánh tự cân bằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG GVHD: ThS VÕ LÂM CHƯƠNG SVTH: TRỊNH ĐÌNH VIỆT MSSV: 11146183 SVTH: TRỊNH CƠNG TRƯỜNG MSSV: 11146182 SVTH: TRẦN NHẬT HUY MSSV: 11146195 SKL003764 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG” Giảng viên hƣớng dẫn: ThS VÕ LÂM CHƢƠNG Sinh viên thực hiện: TRỊNH ĐÌNH VIỆT TRỊNH CÔNG TRƢỜNG TRẦN NHẬT HUY 11146CLC Lớp: 2011 -2015 Khố: Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2015 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn: Ths Võ Lâm Chƣơng Sinh viên thực hiện:Trịnh Đình Việt Trần Nhật Huy Trần Nhật Huy Tên đề tài: Nghiên cứu thuật toán điều khiển robot hai bánh tự cân Nội dung đồ án: Đề tài tập trung vào việc xây dựng mơ hình thuật tốn điều khiển robot hai bánh tự cân bằng điều khiển PID( Proportional Integral Derivative) LQR (Linear-quadratic-regulator) Xây dựng giải thuật lọc tín hiệu từ cảm biến sử dụng lộc bổ phụ, lọc kalman Đồng thời thiết kế chế tạo mơ hình thực tế robot có khả giữ cân di chuyển linh hoạt địa hình phẳng Các sản phẩm dự kiến - Mơ hình điều khiển robot hai bánh tự cân sử dụng hai điều khiển PID LQR Matlab-Simulink - Mơ hình điều khiển robot hai bánh tự cân sử dụng hai điều khiển PID LQR mơ hình thực tế Ngày giao đồ án: Ngày 06 tháng 02 năm 2015 Ngày nộp đồ án: Ngày 10 tháng 07 năm 2015 TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Đƣợc phép bảo vệ………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) LỜI CAM KẾT - Tên đề tài:Nghiên cứu thuật toán điều khiển robot hai bánh tự cân - GVHD: Ths Võ Lâm Chƣơng - Họ tên sinh viên: Trịnh Đình Việt – Trần Nhật Huy – Trịnh Công Trƣờng - MSSV:11146183-11146195-11146182 Lớp:11146CLC - Địa sinh viên: Phƣờng Linh chiểu–Quận Thủ Đức– TP Hồ Chí Minh - Số điện thoại liên lạc: 01654227381 - Email: tdvmechatronics@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): Ngày 10 tháng 07 năm 2015 - Lời cam kết: “Chúng tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình chúng tơi nghiên cứu thực Chúng không chép từ viết công bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, chúngtơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm” Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20… Ký tên LỜI CÁM ƠN Sau nhiều tháng ngày học tập làm việc nghiêm túc, đồ án hồn thành kì hạn Để có đƣợc thành này, mặt cố gắng kiến thức thân, mặt khác dẫn tận tình thầy cơ, giúp đỡ bạn bè, động viên khích lệ ngƣời thân Xin đƣợc gửi lời tri ơn đến: - Thầy ThS VÕ LÂM CHƢƠNG, giáo viên hƣớng dẫn, ngƣời trực tiếp bảo, động viên nhóm thực suốt thời gian thực đồ án - Thầy PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG, giáo viên phản biện, ngƣời phản biện, góp ý cho đề tài đƣợc hồn thiện tốt - Các giáo viên hộ đồng phản biện, ngƣời phản biện, góp ý cho đồ án với tinh thần khách quan, khoa học, giúp đồ án hoàn thiện - Cuối xin cảm ơn đến tất thầy cô bạn bè trƣờng Đại họcSƣ Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh giúp đỡ nhƣ tạo điều kiện cho đồ án đƣợc hoàn thành tốt đẹp Sinh viên thực Trịnh Đình Việt Trần Nhật Huy Trịnh Công Trƣờng MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CAM KẾT LỜI CÁM ƠN MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH ẢNH LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT ĐỀ TÀI Chƣơng 1: ĐẶT VẤN ĐỀ Đối tƣợng nghiên cứu: Khả ứng dụng: Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc: 3.1 Trong nƣớc 3.2 Ngoài nƣớc Chƣơng 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Mục đích đề tài: Giới hạn đề tài: Phƣơng pháp nghiên cứu: 3.1 Phƣơng pháp nghiên cứu chung: 3.2 Lựa chọn phƣơng án thực hiện: 3.2.1 Thu thập xử lý giá trị góc nghiêng, vận tốc góc, quãng đƣờng vận tốc dài: 3.2.1.1 Dùng cảm biến MPU6050 để đọc giá trị góc nghiêng vận tốc góc: 3.2.1.2 Dùng cảm biến Encoder để đọc giá trị vị trí vận tốc dài: 3.2.2 Lựa chọn lọc cho cảm biến gia tốc vận tốc góc: 3.2.3 Thiết kế điều khiển cho robot: 3.2.3.1 Vi mạch điều khiển robot: 3.2.4 Kết cấu khí robot: 3.2.5 Lựa chọn nguồn nuôi cho robot: Chƣơng3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mô hình hóa robot hai bánh tự cân Lý thuyết điều khiển PID 2.1 Giới thiệu 2.2 Lý thuyết điều khiển PID 2.2.1 Bộ PID liên tục a) Giới thiệu b) Sử dụng mơ hình xấp xỉ bậc có trễ c Xác định thông số thực nghiệm 2.2.2 Bộ PID số a Nguyên lý điều khiển PID số b) Xác định tham số cho PID số thự c) Xác định hàm độ đối tƣợng d) Xác định từ giá trị tới hạn Lý thuyết điều chỉnh tồn phƣơng tuyến tính (Linear Quadratic Regulator - LQR) 3.1 Bài toán dạng LQR liên tục 3.2 Bài toán LQR rời rạc Chƣơng4: BỘ LỌC CHO CẢM BIẾN Giới thiệu MPU6050 1.1 Giới thiệu 1.2 Lấy liệu từ cảm biến 1.3 Xử lý tín hiệu MPU6050 a) Đối với liệu lấy từ Gyro: b) Đối với liệu lấy từ Accelerometer 1.4 Các phƣơng pháp xử lý tín hiệu từ cảm bi 1.4.1 Lọc bổ phụ thông tần (complementary) 1.4.2) Lọc thích nghi – Bộ lọc Kalman a) Giới thiệu chung lọc kalman b) Tóm tắc lý thuyết lọc Kalman c) Áp dụng lọc Kalman cho việc xử lý d) Giải thuật lọc Kalman áp dụng cho e) Kết thực nghiệm lọc Kalman 1.4.3 So sánh lọc Chƣơng5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN Thiết kế điều khiển robot hai bánh tự cân Matlab/Simulink 1.1 Thiết kế điều khiển PID (Proportional 1.2 Thiết kế bợ điều khiển LQR (Linear Quad 1.3 So sánh hai điều khiển 53 Thiết kế điều khiển robot hai bánh tự cân mơ hình robot 54 2.1 Thiết kế điều khiển PID mơ hình 54 2.1.1 Thuật toán điều khiển PID cân robot dựa góc nghiêng khơng có giá trị hồi tiếp vị trí, vận tốc dài .54 Chƣơng6: .61 THIẾT KẾ MƠ HÌNH 61 Thiết kế khí 61 1.1 Tính tốn thiết kế mơ hình cho hệ thống 61 1.1.1 Tính tốn lựa chọn linh kiện cho mơ hình 61 1.1.2 Thiết kế mơ hình vẽ solidworks 62 1.1.3 Mô hình robot hai bánh tự cân thực tế 63 Mạch điện tử 64 2.1 Vi điều khiển (Arduino) 64 2.1.1 Giới thiệu 64 2.1.1.1 Tổng quát 64 2.1.1.2 Phần cứng Arduino 64 2.1.1.3 Phần mềm Arduino 64 2.1.2 Arduino Mega2560 65 2.1.3 Phần công suất (L298) .70 2.1.3.1 Giới thiệu IC L298 2.1.3.2 Sơ đồ khối 70 71 2.1.3.3 Các giá trị định mức 71 2.1.3.4 Sơ đồ chân 72 2.1.3.5 Thông số nhiệt độ 72 2.1.3.6 Thông tin ứng dụng 72 2.1.3.7 Sơ đồ nguyên lý 73 Phan mềm điều khiển 73 Chƣơng 7: 74 KẾT LUẬN, ĐỀ NGHỊ 74 Những vấn đề đƣợc giải luận văn: 74 1.1 Những vấn đề nghiên cứu: 74 1.2 Những vấn đề thực hiện: 74 Các phƣơng hƣớng phát triển đề tài: 75 TÀI LIỆU KHAM KHẢO .76 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 0.1:Sơ đồ khối đồ án Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động robot bánh tự cân Hình 1.2: Robot lúc cân va di chuyển phía trƣớc Hình 1.3: Khi robot xuống dốc (bên trái) thân robot nghiêng sau để giảm vận tốc giữ thăng bằng; robot lên dốc (bên phải) thân robot nghiêng với góc nghiêng lớn góc nghiêng dốc Hình1.4: Mơ hình robot hai bánh tự cân luận văn thạc sĩ tác giả Nguyễn Gia Minh Thảo, trƣờng Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Hình 1.5: Robot Nhật Bản EMIEW Hitachi Hình 1.6: Automated Music Personality Ologic Hình 2.1: Mơ hình Robot Hình 3.1: Mơ hình phân tích robot hai bánh tự cân Hình 3.2: Bộ điều khiện PID Hình 3.3: Lý thuyết điều khiển PID Hinh 3.4: Đồ thị hàm số độ đối tƣợng Hinh 3.5: Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ biểu thức (3.4) đối tƣợng Hinh 3.6 : Xác định số khuếch đại Hình 3.7 : Điều khiển với PID số Hình 3.8 : Minh học cơng thức xấp xỉ thành phần tích phân Hình 3.9 : Xác định tham số PID số theo phƣơng pháp Takahashi Hình 4.1 :Protocol chuẩn I2C Hình 4.2 : Bộ lọc phụ thông tần Hình 4.3 :Bộ lọc phụ thông tần Hình 4.4 :Đáp ứng tín hiệu góc Roll chƣa qua lọc (màu đỏ) Roll qua lọc complementary (màu xanh) trạng thái tĩnh Hình 4.5 :Đáp ứng tín hiệu góc Roll chƣa qua lọc (màu đỏ) Roll qua lọc complementary (màu xanh) trạng thái động Hình 4.6 : Phƣơng trình lọc kalman Hình 4.7 : Đáp ứng tín hiệu góc Roll chƣa qua lọc (màu đỏ) Roll qua lọc Kalman (màu xanh) trạng thái tĩnh Hình 4.8 :Đáp ứng tín hiệu góc Roll chƣa qua lọc (màu đỏ) Roll qua lọc Kalman (màu xanh) trạng thái động Hình 4.9 :Đáp ứng tín hiệu góc Roll chƣa qua lọc (màu đỏ), góc Roll qua lọc Complementary (màu xanh cây) góc Roll qua lọc Kalman (màu xanh dƣơng) trạng thái tĩnh Hình 4.10 :Đáp ứng tín hiệu góc Roll chƣa qua lọc (màu đỏ), góc Roll qua lọc Complementary (màu xanh cây) góc Roll qua lọc Kalman (màu xanh dƣơng) trạng thái động Hình 5.1:giá trị tham số mơ hình robot Hình 5.2:Mơ hình Simulink mô robot hai bánh tự cân sử dụng thuật toán điều khiển PID Hình 5.3 :Mơ hình tốn học robot hai bánh tự cân Hình 5.4 :Biều đổ đáp ứng góc nghiêng Hình 5.5 :Biều đổ đáp ứng vị trí Hình 5.6 :Mơ hình tốn học robot hai bánh tự cân Hình 5.7 :Biều đổ đáp ứng góc nghiêng vị trí Hình 5.8 : Biều đồ đáp ứng đầu giá trị góc nghiêng với góc đặt góc Hình 5.9 :Biều đổ đáp ứng vị trí Hình 5.10 :Bộ điều khiển PID cân robot dựa góc nghiêng Hình 5.11 : Giải thuật điều khiển Hình 5.12 :Đáp ứng góc lệch θ Robot trạng thái cân không di chuyển Hình 5.13 :Đáp ứng vị trí Robot trạng thái cân Hình 5.14 : Giải thật điều khiển Hình 5.15 : Đáp ứng góc lệch θ Robot trạng thái cân không di chuyển Hình 5.16 :Đáp ứng vị trí Robot trạng thái cân với vị trí xét ban đầu -0.2 mét Hình 5.17 : Giải thuật điều khiển Hình 5.18 : Đáp ứng góc lệch θ Robot trạng thái cân không di chuyển Hình 5.19 : Đáp ứng vị trí Robot trạng thái cân với vị trí xét ban đầu -0.4 mét Hình 6.1 : Mơ tả thời gian robot ngã từ trạng thái cân đến gócnghiêng 20 độ Hình 6.2: Mơ hình Robot solidworks Hình 6.3 : Mơ hình robot hai bánh tự cân Hình 6.4 : Chu trình hoạt động Arduino Hình 6.5 : Board Arduino Mega2560 Hình 6.6 : Sơ đồ nguyên lý Arduino Mega2560 Hình 6.7 : Sơ đồ khối IC L298 Hình 6.8 : Sơ đồ chân Hình 6.9 : Sơ đồ nguyên lý Hình 7.0 : Phần mềm android điều khiển robot 1.1.3 Mơ hình robot hai bánh tự cân thực tế - Đề tài sử dụng bo mạch Arduino mega2560 đóng vai trị nhƣ “bộ não” robot, điều khiển cho robot giữ cân Khung robot đƣợc chế tạo từ chất liệu với hai động DC đƣợc đặt đồng trục, cho phép robot di chuyển đƣợc theo hai hƣớng trƣớc sau Hai động đƣợc điểu khiển mạch cầu H L298, cảm biến MPU6050 đƣợc sử dụng để xác định góc nghiêng robot Hai động DC 12V, 1.25W tốc độ 126 vòng/phút, encoder 334 xung/vòng Hai bánh xe đƣợc bọc cao su có nhiều rãnh để tăng độ bám cao giúp robot cân tốt Hình 6.3 : Mơ hình robot hai bánh tự cân 63 Mạch điện tử 2.1 Vi điều khiển (Arduino) 2.1.1 Giới thiệu 2.1.1.1 Tổng quát - Là tảng mã nguồn mở đƣợc sử dụng để xây dựng ứng dụng điện tử Arduino gồm board mạch lập trình đƣợc( Vi điều khiển) phần mềm hỗ trợ phát triễn tích hợp IDE dùng để biên dịch code, nạp chƣơng trình cho board - Phần cứng bao gồm bảng mạch điện tử phần cứng dạng nguồn mở đƣợc thiết từ vi xử lý 8-bit Atmel AVR , 32-bit Atmel ARM Phần mềm cho phần cứng bao gồm trình biên dịch ngơn ngữ lập trình chuẩn nạp khởi động, để thực lệnh vi điều khiển 2.1.1.2 Phần cứng Arduino - Một bảng mạch Arduino bao gồm vi điều khiển Atmel AVR 8-bit thành phần bổ sung để tạo điều kiện lập trình tích hợp cách mạch điện khác với bảng mạch Arduino Một khía cạnh quan trọng Arduino dựa tiêu chuẩn kết nối thống nhất, cho bo mạch CPU đƣợc kết nối với loạt mô-đun chuyển đổi tiện ích bổ sung đƣợc gọi shield (bộ chắn) Một số shield giao tiếp bo mạch Arduino trực tiếp từ chân nối khác nhau, nhƣng shield đƣợc định địa riêng biệt thông qua bus kết nối nối tiếp I² C, cho phép shield đƣợc xếp chồng lên đƣợc sử dụng song song Arduino chuẩn sử dụng megaAVR tổ chợp chip, đặc biệt ATmega8, Atmega168, ATmega328, ATmega1280, ATmega2560 Một số vi xử lý khác đƣợc sử dụng tƣơng thích chuẩn Arduino Hầu hết bo mạch bao gồm điều áp tuyến tính 5V dao động tinh thể 16 MHz (hoặc cộng hƣởng gốm số biến thể dao động), số thiết kế nhƣ LilyPad chạy MHz chia sẻ điều áp bo mạch hạn chế thông số định dạng thể Bộ vi điều khiển Arduino đƣợc lập trình trƣớc nhờ nạp khởi động theo cách đơn giản tải lên chƣơng trình vào nhớ flash chip, so với thiết bị khác thƣờng cần lập trình viên bên hỗ trợ sử dụng - Bảng mạch Arduino cho thấy hầu hết chân nối I/O pins vi điều khiển để sử dụng mạch khác Các Diecimila, Duemilanove , Uno cung cấp 14 chân I/O số, sáu số có thểtạo tiến hiệu điều biến độ rộng xung, sáu đầu vào tƣơng tự Các chân nằm mặt bo mạch, thông qua đầu chân 0.10-inch (2,5 mm) Một số shield ứng dụng nhúng plug-in có dạng thƣơng mại 2.1.1.3 Phần mềm Arduino - Môi trƣờng phát triển tích hợp (IDE) Arduino ứng dụng đa tảng đƣợc viết Java, đƣợc dẫn xuất từ IDE cho ngơn ngữ lập trình xử lý dự án lắp ráp Nó đƣợc thiết kế để làm nhập mơn lập trình cho nhà lập trình ngƣời sử dụng khác khơng quen thuộc với phát triển phần mềm Nó bao gồm trình soạn thảo mã với tính nhƣ làm bật cú pháp, khớp dấu ngặc khối chƣơng trình, thụt đầu dịng tự động, có khả biên dịch tải lên chƣơng trình 64 vào bo mạch với nhấp chuột Một chƣơng trình mã viết cho Arduino đƣợc gọi "sketch" Chƣơng trình Arduino đƣợc viết C C++ Arduino IDE kèm với thƣ viện phần mềm đƣợc gọi "Wiring" từ dự án lắp ráp ban đầu, cho hoạt động đầu vào/đầu phổ biến trở nên dễ dàng nhiều Ngƣời sử dụng cần định nghĩa hai hàm để thực chƣơng trình điều hành theo chu kỳ : - setup() : hàm chạy lần vào lúc bắt đầu chƣơng trình dùng để khởi tạo thiết lập - loop() : hàm đƣợc gọi lặp lại liên tục bo mạch đƣợc tắt Khi bạn bật điện bảng mạch Arduino, reset hay nạp chƣơng trình mới, hàm setup() đƣợc gọi đến Sau xử lý xong hàm setup(), Arduino nhảy đến hàm loop() lặp vô hạn hàm bạn tắt điện bo mạch Arduino Chu trình mơ tả hình dƣới đây: Hình 6.4 :Chu trình hoạt động Arduino 2.1.2 Arduino Mega2560 Hình 6.5 :Board Arduino Mega2560 65 Điện áp hoạt động: 5V Điện áp đầu vào : 7V-12V Kỹ thuật số I / O: 54 (trong có 15 cung cấp đầu PWM) Đầu vào tƣơng tự: 16 DC I / O: 40 mA Flash Memory: 256 KB có KB đƣợc sử dụng nạp khởi động SRAM: KB EEPROM: 4KB -Hỗ trợ tốc độ BAUD cao -Tần số hoạt động :16MHz Những đặc trưng giao tiếp ngoại vi: -Một timer/counter bit với đếm dồn riêng biệt, chế độ so sánh - Bốn timer/counter 16 bit với đếm dồnriệngbiệt, chế độ so sánh, chế độ thu nhận giá trị tức thời - Hỗ trợ đầy đủ nguồn ngắt ngồi - Bộ đếm thời gian thực chạy từ dao động riệngbiệt - Hỗ trợ 15 kênh PWM - Hỗ trợ 16 kênh ADC 10 bit - Hỗ trợ giao tiếp USART - Hỗ trợ giao tiếp SPI - Watchdog timer với dao động riêng biệt on-chip, lập trình đƣợc - Arduino Mega2560 có số sở để giao tiếp với máy tính, Arduino, vi điều khiển khác CácATmega2560 cung cấp bốn phần cứng UARTs cho TTL (5V) giao tiếp nối tiếp Một ATmega16U2 kênh vi điều khiển qua cổng USB cung cấp cổng com ảo để phần mềm máy tính (máy tính Windows cần tập tin inf., nhƣng OSX Linux công nhận vi điều khiển nhƣ cổng COM tự động Các phần mềm Arduino bao gồm hình nối tiếp cho phép liệu văn đơn giản đƣợc gửi đến từ vi điều khiển RX TX LED bảng nhấp nháy liệu đƣợc truyền qua ATmega8U2/ATmega16U2 chip kết nối USB với máy tính (nhƣng khơng cho giao tiếp nối tiếp chân 1) - Một thƣ viện SoftwareSerial cho phép giao tiếp nối tiếp chân kỹ thuật số Mega2560 - SPI: 50 (miso), 51 (Mosi), 52 (SCK), 53 (SS) Các chân hỗ trợ SPI giao tiếp cách sử dụng thƣ viện SPI Các chân SPI đƣợc chia tiêu đề ICSP - TWI: 20 (SDA) 21 (SCL) Hỗ trợ giao tiếp TWI cách sử dụng thƣ viện dây - Sơ đồ chân chip ATmega 256 - Pin 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 69 - Sơ đồ nguyên lý Arduino Mega2560 Hình 6.6 : Sơ đồ nguyên lý Arduino Mega2560 2.1.3 Phần công suất (L298) 2.1.3.1 Giới thiệu IC L298 IC L298 mạch tích hợp đơn chip có kiểu vỏ công suất 15 chân (multiwaitt 15) PowerSO20 (linh kiện dán công suất) Là IC mạch cầu đôi có khả hoạt động điện áp cao, dịng cao Nó đƣợc thiết kế tƣơng thích với chuẩn TTL lái cảm kháng Relay, cuộn Solenoid, động DC động bƣớc Nó có chân enable(cho phép) phép/không cho phép IC hoạt động, độc lập với chân tín hiệu vào 70 2.1.3.2 Sơ đồ khối Hình 6.7 : Sơ đồ khối IC L298 2.1.3.3 Các giá trị định mức Ký hiệu Vs Vss Io Vsens Ptot Top Tstg, Tj 71 -N -Đ -K -L -D -Đ -T 75 -N -L 2.1.3.4 Sơ đồ chân Hình 6.8 : Sơ đồ chân 2.1.3.5 Thơng số nhiệt độ Kí hiệu Thơng số Rth-j-case Rth-j-amp Độ bền nhiệt mối nối PN – v Độ bền nhiệt mối nối PN – m 2.1.3.6 Thông tin ứng dụng - IC L298 tích hợp tầng cơng suất (A B) Với điện áp làm tăng phần cơng suất đầu từ 5V-47V, dịng lên đến 4A L298 thích hợp cho loại đơng DC có cơng suất vừa nhỏ - Tóm tắc chức chân L298 + chân input IN1, IN2, IN3, IN4 đƣợc nối lần lƣợt với chân 5, 7, 10, 12 L298 Đây chân tính hiệu điều khiển + chân output OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 đƣợc nối với chân 2, 3, 13,14 L298 Đây chân nối với động + chân ENA, ENB dùng để điều khiển mạch cầu H L298 Nếu mức logic cho cầu H hoạt động ngƣợc lại 72 2.1.3.7 Sơ đồ nguyên lý Hình 6.9 : Sơ đồ nguyên lý Phần mềm điều khiển robot Phần mềm đƣợc viết ngơn ngữ java dành cho smartphone có hệ điều hành android Phầm mềm sử dụng giao thức Bluetooth, truyền tín hiệu điều khiển từ smartphone cho robot di chuyển tới, lùi, quay trái, quay phải đồng thời nhận tín hiệu từ camera truyền điện thoại Hình 7.0 :phần mềm android điều khiển robot 73 Chƣơng 7: KẾT LUẬN, ĐỀ NGHỊ Những vấn đề đƣợc giải luận văn: 1.1 Những vấn đề nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan tình hình phát triển robot cân bằng, scooter, nguyên lý cân ngồi nƣớc - Nghiên cứu, tìm hiểu thuật toán điều khiền nhƣ: phƣơng pháp điều khiển PID, điều khiển tối ƣu tồn phƣơng tuyến tính LQR, ƣớc lƣợng trạng thái tối ƣu (lọc kalman),… - Tính tốn tham số động lực học, hàm trạng thái mơ hình Thiết kế, mơ điều khiển hệ robot hai bánh xe giữ cân sử dụng phƣơng pháp điều khiển PID LQR lọc kalman Matlab-Simulink - Thiết kế robot với phần mềm Solidworks, phần mềm vẽ kỹ thuật mạnh - Nghiên cứu, sử dụng cảm biến MPU6050 sử dụng lọc (Thông thấp, thơng cao, bổ phụ, kalman) để tăng chất lƣợng tín hiệu - Thiết kế điều khiển PID LQR hệ mơ hình robot bánh tự cân thực tế - Nghiên cứu, sử dụng board nhúng Raspberry pi Board nhúng thông dụng - Nghiên cứu sử dụng board Arduino mega2560 Một board đƣợc sử dụng rộng rãi với mã nguồn mở - Nghiên cứu sử dụng Module Wifi truyền liệu không dây - Nghiên cứu Động RC Servo DC Servo Module điều khiển DC Servo dùng LM298 1.2 Những vấn đề thực hiện: - Xây dựng thành cơng mơ hình robot thực tế hƣớng đến mục tiêu phục vụ cho việc giảng dạy phịng thí nghiệm chun ngành Cơ điện tử - Thu thập liệu trực tiếp từ robot truyền máy tính thơng qua cổng UART sau vẽ đồ thị phần mềm C# để đánh giá, so sánh kết thực nghiệm giá trị góc nghiêng thơ giá trị sau qua lọc Complementary, lọc Kalman - Xây dựng thành công giải thuật cân bám theo vị trí ban đầu dựa thuật toán PID LQR Matlab-Simulink Đồng thời so sánh, đánh giá kết điều khiển 74 - Xây dựng thành công giải thuật cân bám theo vị trí ban đầu dựa thuật tốn PID LQR mơ hình khí thực tế Đồng thời so sánh, đánh giá kết điều khiển - Xây dựng thêm giải thuật di chuyển điều khiển thông qua Wifi, Bluetooth dựa hệ điều hành Android để phát triển thành sản phẩm giải trí hồn thiện Các phƣơng hƣớng phát triển đề tài: - Đề tài bƣớc nghiên cứu thực hành lý thuyết học nhóm thực hiện, sau đề tài đƣợc phát triển thêm mặt ý tƣởng ứng dụng Sau hƣớng phát triển đề tài:  Tìm hiểu thêm thuật toán điều khiển khác nhƣ: fuzzy, nơ ron, điều khiển trƣợt… để tăng thêm hiệu cho thuật toán cân  Đề tài nhƣ tiền đề cho việc xây dựng mơ hình xe hai bánh tự cân di chuyển địa hình phẳng 75 TÀI LIỆU KHAM KHẢO [1] Nguyễn Gia Minh Thảo, Robot hai bánh tự cân bằng, Luận văn thạc sĩ, 2010 [2] Đỗ Bình Nguyên, Điều khiển lắc ngƣợc di động dùng phƣơng pháp điều khiển phi tuyến, Luận văn thạc sĩ, 2012 [3] Jian Fang , The LQR Controller Design of TwoWheeled Self-Balancing Robot Based on the Particle Swarm Optimization Algorithm [4] Christian sundin, Filip thorstensson, Autonomous balancing robot, Master’s thesis, 2012 [5] David P Anderson, nBot Balancing Robot [6] Một số luận án đồ án tốt nghiệp khoá trƣớc: - Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh - Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [7] Các tài liệu datasheet, viết internet: - http://www.arduino.cc - http://blog.tkjelectronics.dk/ - http://www.instructables.com/ - http://www.codientu.org - http://en.wikipedia.org/ - http://roboticssamy.blogspot.pt/ 76 ... Tên đề tài: Nghiên cứu thuật toán điều khiển robot hai bánh tự cân Nội dung đồ án: Đề tài tập trung vào việc xây dựng mô hình thuật tốn điều khiển robot hai bánh tự cân bằng điều khiển PID( Proportional... hình điều khiển robot hai bánh tự cân sử dụng hai điều khiển PID LQR Matlab-Simulink - Mơ hình điều khiển robot hai bánh tự cân sử dụng hai điều khiển PID LQR mơ hình thực tế Ngày giao đồ án: ... trị tham số mơ hình robot Hình 5.2:Mơ hình Simulink mơ robot hai bánh tự cân sử dụng thuật toán điều khiển PID Hình 5.3 :Mơ hình tốn học robot hai bánh tự cân Hình 5.4