NGHIÊN CỨU LABVIEW TRONG ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU LABVIEW TRONG ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG SINH VIÊN : HỒ VĨNH TRÌNH MSSV : 11235911 LỚP : DHDI7B GVHD : ThS NGUYỄN ĐỨC TOÀN TP HCM, NĂM 2015 PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP - Họ tên sinh viên/nhóm sinh viên giao đề tài Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình (1): Hồ Vĩnh Trình, MSSV: 11235911 Tên đề tài - NGHIÊN CỨU LABVIEW TRONG ĐIỀU KHIỂN XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Nội dung - - Tìm hiểu loại scooter, nguyên lý cân - Tính tốn tham số động lực học, hàm trạng thái (space-state) c mơ hình - Xây dựng mơ Labview 2014 - Thiết kế mạch điều khiển trung tâm, làm nhiệm vụ xử lý tín hiệu đo đưa định điều khiển - Thiết kế mạch điện tử kết hợp cảm biến thực chức đo góc (phần cứng) - Giải thuật cho Labview kết hợp bù trừ cảm biến để có giá trị đo góc xác - Xây dựng thuật tốn điều khiển cho động cơ, giữ thăng ngăn ngừa tải bánh xe - Lập trình điều khiển Kết - - Thiết lập mơ hình tốn hàm trạng thái cho mơ hình -Xây dựng chương trình mơ hoạt động Labview -Hồn thành mơ hình xe hai bánh tự cân hoạt động tốt đ ịa hình phẳng Giảng viên hướng dẫn Tp HCM, ngày 15 tháng 06 năm 2015 Sinh viên Nguyễn Đức Tồn Hồ Vĩnh Trình NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN -2 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình - Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN -4 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình MỤC LỤC Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ỤC CÁC BẢNG Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình TĨM TẮT ĐỒ ÁN Mục tiêu đồ án xây dựng mô hình thử nghiệm xe điện bánh tự cân Ý tưởng đề tài xuất phát từ hai nhu cầu thực tế Thứ nhất, Ơ nhiễm mơi trường, tắc đường biến đổi khí hậu vấn đề cấp bách hàng đầu nước ta Theo khảo sát, giao thơng tác nhân gây 60 – 70% nhiễm khơng khí Việt Nam Do việc sử dụng chế tạo phương tiện sử dụng lượng “sạch” trở thành xu hướng nước ta giới Các phương tiện sử dụng động điện không phát khí thải lựa chọn lý tưởng Thứ hai, xã hội ngày phát triển, vui chơi giải trí trở thành nhu cầu thiết yếu sống Xe điện bánh tự cân chế tạo thành công hứa hẹn trở thành cơng cụ giải trí đầy thú vị cho người Dưới hướng dẫn thầy giáo ThS Nguyễn Đức Toàn em bắt tay vào triển khai đề tài “Nghiên cứu Labview điều khiển xe hai bánh tự cân bằng” Các kết ban đầu trình bày chương khóa luận Chương 1: Tổng quan Chương 2: Nhiệm vụ lý thuyết tiếp cận Đồ án Chương 3: Tính tốn mơ Chương 4: Thực Đồ án Chương 5: Kết luận   Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình CHƯƠNG : TỔNG QUAN Lời nói đầu Đồ án xuất phát từ ý tưởng thương mại hóa cơng ty Segway:kết hợp ý tưởng cách giữ thăng người đôi chân độ động di chuyển loại xe di chuy ển bánh Thông qua nghiên cứu, ta phần nắm bắt ý tưởng giữ thăng cho loại humanoid robot (robot dạng người), cách phối hợp xử lý tín hi ệu tốt từ cảm biến Tuy vậy, giá thành sản phẩm Segway khơng rẻ (khoảng 5000USD/xe) chi phí cao từ cảm bi ến tích h ợp xử lý v ới đ ộ xác tin cậy cao (khoảng 900USD/bộ) Do vậy, tìm cách k ết hợp cảm biến riêng lẻ với giá thành thấp xử lý tín hiệu cảm biến chúng để có tín hiệu tinh khiết xác mong mu ốn v ới giá thành khơng cao Mơ hình xe có hai bánh đặt d ọc tr ục v ới (khác v ới xe đạp trục hai bánh xe song song) Trên mơ hình sử dụng cảm bi ến đ ể đo góc nghiêng thân xe, vận tốc quay (lật) sàn xe quanh tr ục bánh v ận tốc di chuyển xe so với mặt đất Nhờ cảm bi ến này, xe có th ể tự gi ữ thăng di chuyển Với cấu trúc này, trọng tâm mơ hình ph ải ln n ằm vùng đỡ bánh xe (supporting area) để có th ể thăng di chuy ển bề mặt từ đơn giản đến phức tạp Trong hệ thống cảm biến, để loại trừ tín hiệu nhi ễu từ hệ th ống nhiễu từ tín hiệu đo, sai số ngõ ra, đồng th ời có th ể ước lượng xác giá trị đo tương lai cảm biến kết hợp tín hi ệu, b ộ lọc Kalman nghiên cứu sử dụng nhằm cho kết tối ưu v ề tình tr ạng xe gồm góc nghiêng, vận tốc quay xe từ mơ hình c ảm bi ến thành phần Nói cách khác, hệ thống xử lý tín hiệu lọc Kalman công cụ đ ể bi ến cảm biến đơn giản, giá rẻ thành tập hợp cảm biến có giá tr ị h ệ th ống T tín hiệu đo, thơng qua số đại lượng đặc trưng mơ hình (kh ối l ượng, chiều dài, chiều cao vật, đường kính bánh…) ta tính momen qn tính Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình nghiêng (lật mơ hình), từ đưa giá trị điều ển phù h ợp cho bánh xe để giữ cho mơ hình đứng vững di chuy ển v ới m ột v ận t ốc ổn định Tồn mơ hình điều khiển Card NI MyRio Đây m ột b ộ kít lập trình đa chức NI MyRIO tảng lập trình nhúng National Intruments phát hành MyRIO giải pháp ph ần cứng tích h ợp g ồm b ộ vi x lý nhân ARM 667 MHz, FPGA, , Cùng ngõ giao ti ếp nh Analog In, I2C, PWM, SPI, UART, ngõ tương tự, ngõ âm thanh, Ngồi ra, MyRIO cịn tích hợp sẵn gia tốc kế trục, Wi-Fi Bộ vi điều khiển đóng vai trị đề tài tính tốn đưa tín hi ệu điều khiển truyền động, đến bánh xe để giữ thăng bằng/di chuy ển, th ẳng, quay, quẹo Đây phương tiện vận chuyển thành phố tương lai với nhiều ưu điểm: gọn, nhẹ, chiếm diện tích đường phố, dễ mang vác, tháo lắp vận chuyển, nhiên liệu sạch, dễ điều khiển cho người lớn tr ẻ em, số địa hình phức tạp Khái niệm xe bánh tự cân Xe bánh tự cân xe có hai bánh đ ặt d ọc tr ục v ới (khác với xe đạp trục hai bánh xe song song) Trên mơ hình s d ụng cảm biến để đo góc nghiêng thân xe, vận tốc quay (l ật) c sàn xe quanh trục bánh vận tốc di chuyển xe so với mặt đất Nh c ảm bi ến này, xe tự giữ thăng di chuyển Với cấu trúc này, tr ọng tâm c mơ hình phải ln nằm vùng đỡ bánh xe (supporting area) đ ể có th ể thăng di chuyển bề mặt từ đơn giản đến phức tạp Hình 1 Mơ tả ngun lý giữ thăng Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình Đối với xe ba hay bốn bánh, việc thăng ổn định chúng nhờ trọng tâm chúng nằm bề mặt chân đế bánh xe t ạo Đ ối với xe bánh có cấu trúc xe đạp, việc thăng b ằng khơng di chuy ển hồn tồn khơng thể, việc thăng xe dựa tính chất quay h ồi chuyển hai bánh xe quay Còn xe hai bánh tự cân b ằng, lo ại xe có hai bánh với trục hai bánh xe trùng nhau, xe cân b ằng, tr ọng tâm xe (bao gồm người sử dụng chúng) cần giữ nằm bánh xe Điều giống ta giữ gậy dựng thẳng đứng cân b ằng lịng bàn tay Thực ra, trọng tâm tồn scooter khơng bi ết n ằm vị trí nào, khơng có cách tìm nó, khơng có kh ả di chuy ển bánh xe đủ nhanh để giữ ln tồn trọng tâm Về mặt kỹ thuật, góc sàn scooter chiều tr ọng l ực có th ể bi ết đ ược Do vậy, thay tìm cách xác định trọng tâm nằm gi ữa bánh xe, tay lái c ần giữ thẳng đứng, vuông góc với sàn xe (góc cân zero) Nếu tay lái đẩy nghiêng tới trước, scooter chạy t ới tr ước đẩy nghiêng sau, scooter ch ạy lùi Đây m ột phân tích lý tính Hầu hết người kiểm sốt tay lái vịng vài giây để gi ữ lấy Để dừng lại, cần kéo trọng tâm xe nghiêng ngược h ướng di chuyển tốc độ xe giảm xuống Do tốc độ cảm nhận phản ứng thăng b ằng người khác nhau, nên xe scooter hai bánh tự cân b ằng ch ỉ đ ược thi ết kế cho người sử dụng Lý cần thiết kế xe hai bánh tự cân Những mobile robot xây dựng hầu hết robot robot di chuyển ba bánh xe, với hai bánh lái l ắp ráp đồng tr ục, m ột bánh nh ỏ Có nhiều kiểu khác nhau, ki ểu thơng dụng Cịn đ ối v ới xe bánh, thường đầu xe có hai bánh truyền động đ ầu xe l ại đ ược g ắn hai bánh lái Việc thiết kế ba hay bốn bánh làm cho xe/mobile robot thăng ổn định nhờ trọng lượng chia cho hai bánh lái bánh đi, hay khác để đỡ trọng lượng xe Nếu tr ọng lượng đặt 10 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình CHƯƠNG THỰC HIỆN ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ Tóm tắt thiết kế Cấu trúc khí đề tài chia làm phần: khung, sàn, đ ộng c Khung làm thép Sàn làm thép dày 5mm, vững Hai động gắn vào trục hai bánh xe Một số hình ảnh phần khí xe: Hình 4.1 Sơ đồ đấu dây 100 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình Hình 4.1 Mơ hình xe hồn chỉnh Hình 4.1 Động gắn vào sàn xe Mạch Điện Tử Nguồn gồm nguồn 12V mắc nối tiếp để có nguồn 24V cung cấp cho động Phần điện áp out 5V lấy thêm để cấp cho mạch driver a Drive chuyển tín hiệu điện áp( Driver DC motor) - Hoạt động: - chuyển từ điện áp ±10VDC lên ±24VDC điện áp dương động quay thuận, điện áp âm động quay ngược + Mạch gồm có: - Ngõ vào: - 24V, GND: nguồn 24V cấp cho mạch điều khiển +10VDC, -10VDC: tín hiệu điều khiển ±10VDC từ card nhúng - Ngõ ra: - VM1 – VM2: điện áp đặt vào động 101 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình  Hình 4.1.2.a Drive chuyển tín hiệu Analog từ ±10VDC sang 0-24VDC Hình 4.1.2.a.1 Sơ đồ linh kiện mạch drive chuyển tín hiệu Analog từ ±10VDC sang 0-24VDC 102 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình Hình 4.1.2.a.2 Sơ đồ đấu dây mạch drive chuyển tín hiệu Analog từ ±10VDC sang 0-24VDC Chú ý:  Khơng cung cấp ngược cực tính nguồn cho bo mạch  Không để bo tiếp xúc vật liệu dẫn điện làm chạm chập phận công suất  Dây nối vào bo gọn gàng tránh làm chạm sang kết nối bên cạnh Hình 4.1.2.a.1 Sơ đồ nguyên lý đầy đủ mạch drive chuyển tín hiệu Analog từ ±10VDC sang 0-24VDC 103 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình b Ngun lí hoạt động mạch - Mạch gồm có khối chính: khối khuếch đại dòng điện, khối khuếch đại điện áp, khối cổng logic khối mạch cầu H xuất tín hi ệu ều ển - động Nguyên lí hoạt động: mạch nhận tín hiệu ện áp từ card NI myRio 1900 ( từ -10V đến 10V), tín hiệu qua kh ối khu ếch đại dòng ện điện áp, khối IC logic xử lí tín hiệu vào PWM để ều ển IR2184 điều khiển động quay thuận ( 0V – 10V) quay nghịch (-10V – 0V) Hình 4.1.2.b.1 Khối khuếch đại dịng điện Hình 4.1.2.b.2 Khối khuếch đại điện áp 104 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình Hình 4.1.2.b.3 Khối IC logic Hình 4.1.2.b.4 Mạch cầu H 105 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình PHẦN MỀM Thư Viện Lập Trình Khối lệnh Tên Giải thích Khối thu thập tín hiệu cảm biến quay hồi Accelerometer.v chuyển NI myRio i xuất trục X,Y,Z Lọc cắt tần số đầu vào PID Control với tỉ lệ 1/10 xung đầu Input Filter.vi vào PID.vi Round To Nearest Function Build Array Function Khối PID sử dụng thuật toán PID cho hệ thống điều khiển Làm trịn tín hiệu số đầu vào đến số nguyên gần Xử lý tín hiệu bảng đầu vào thành mảng n chiều Analog output Ghi giá trị nhiều kênh đầu analog NI myRIO Bundle Function Ráp tín hiệu lại thành cụm tín hiệu từ tín hiệu phần tử riêng lẻ Bảng Tập lệnh Bảng lệnh mơ tả số lệnh LabVIEW mà đồ án có s dụng tới Bên cạnh LabVIEW cịn có thư viện l ập trình phong phú v ới hàng ngàn khối lệnh tích hợp đa với chức tương tự với vi m ạch tích hợp lại Với nội dung đồ án chúng em ch ỉ dừng l ại vi ệc nghiên c ứu khối lệnh số khối lệnh bổ trợ so sánh, định th ời 106 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình Chương Trình Đồ án Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật Với lưu yêu cầu nhóm tiến hành nghiên cứu viết chương trình cho đồ án để đạt yêu cầu Sau chương trình đồ án mà nhóm xây dựng được: 107 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình Hình 4.2 Chương trình Hình 4.2 Dạng sóng tín hiệu ngõ - Nhận xét: Sau thời gian tính tốn thực nghi ệm, ta ch ọn giá trị Kp = 0.89, Ki = 0.01 , Kd = 7.667 cho đáp ứng tương đối tốt với yêu cầu đề hệ thống Ta thấy biều đồ sóng h ệ dao đ ộng tuần hồn với dạng sóng ổn định Đường hiển thị sóng khơng mịn, 108 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình nhấp nhơ khơng phải hệ thống bị nhiễu mà trình cân xe lắc lư khơng đứng n tuyệt đối dẫn đến tín hiệu từ cảm biến accerlerometer đưa liên tục, làm PID liên tục xử lí tín hiệu cho đáp ứng 109 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình CHƯƠNG KẾT LUẬN Những kết đạt - Thiết lập mô hình tốn hàm trạng thái cho mơ hình - Xây dựng chương trình mơ hoạt động Labview - Hồn thành mơ hình xe hai bánh tự cân hoạt động tốt địa hình phẳng Những kết chưa đạt Không thực cơng suất MOSFET đủ lớn để scooter có th ể di chuyển bề mặt dốc Việc quẹo vấn đề vận chuyển người cịn gặp khó khăn ều khiển, việc điều khiển quẹo biến trở không cân b ằng m ột gi ải pháp không tốt Nếu thay biến trở tự vị trí cân m ột c ảm biến khoảng cách để xác định tư người điều ển xe mu ốn qu ẹo tốt nhiều Và mơ hình xây dựng hạn chế để vận chuyển người Chưa tạo hệ thống nạp điện lại cho bình giảm tốc hay thắng Mạch cơng suất chưa an tồn quay ngược chiều quay động dòng điện động phức lọc, đồng thời phải cải tiến thêm Hoạt động hạn chế tiếng, nghĩa chạy khoảng chừng tối đa 20km Những vấn để cần giải Xây dựng mơ hình lớn cho đề tài, đáp ứng yêu cầu mơ đề ra, mang tải trọng lớn mà khơng ảnh hưởng đến q trình điều khiển Cấu trúc kín bền, chịu va đập cho gầm xe để scooter có th ể địa hình gập ghềnh rung động cao vượt qua vũng nước nhỏ Làm đơn giản hóa quy trình khởi động xe sạc bình Tìm giải pháp thay cho nguồn điện để hoạt động lâu 110 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình Hướng phát triển Tạo giao diện vi điều khiển scooter với vi điều ển/ máy tính khác, để scooter đóng vai trị platform cho mobile robot Đối với xe dùng để di chuyển, cần thiết kế lại giao di ện ều ển đ ơn giản lúc quẹo cua Tăng khả tải trọng xe lên 100kg, phải giải vấn đề điện tử công suất Làm nhẹ bớt trọng lượng xe, cách chuy ển đổi khung inox sang khung sợi cacbon vật liệu tổng hợp Thay đổi động bánh xe từ có chổi than thành loại brushless đ ể tang ngẫu lực dùng công suất Nâng cao khả thắng gấp di chuyển vận tốc cao Thiết kế mơ hình xe đẹp mắt thương mại hóa sản phẩm tương lai 111 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trà Ti Ni, Nguyễn Tấn Hậu, Robot hai bánh tự cân bằng, Báo cáo nghiên cứu khoa học, Đại học Lạc Hồng, 2013 [2] Nguyễn Văn Quân, Nghiên cứu phát triển xe điện bánh tự cân bằng, Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách khoa Hà Nội, 2013 [6] Đỗ Bình Nguyên, Điều khiển lắc ngược di động dùng phương pháp điều khiển phi tuyến, Luận văn thạc sĩ, 2012 [4] Maria R Bageant, Balancing a two- wheeled Segway robot, Bachelor’s thesis, 2006 [5] Welch, G and G Bishop, An Introduction to the Kalman Filter, 2006 112 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình PHỤ LỤC P1 Các bảng số liệu dùng mô Bảng P1.1 Tham số mô cho động Tham số Giá trị Công suất định mức 20 [W] Tốc độ định mức 760[rpm] Mômen định mức 0.343 [ Nm] Số đôi cực Điện áp định mức 24 [V] Dòng điện định mức 1,2[A] Điện trở stator 0.8 [Ω] Điện cảm stator 2.14 [mH] Hằng số sức phản điện động 0.018 [V/rpm] Từ thông rotor 0.021486 [Wb] Bảng P1.2 Thông số bánh thân xe sử dụng mô Tham số Giá trị Bán kính bánh xe 0,5 [cm] Khối lượng bánh xe 200 [g] Chiều dài khung 30 [cm] Chiều rộng khung 20 [cm] Khối lượng khung 500 [g] Khoảng cách trọng tâm khung 15 [cm] 113 Khóa luận tốt nghiệp Sinh viên: Hồ Vĩnh Trình LỜI CẢM ƠN Trong thời gian đề tài nghiên cứu khoa học bước ngoặt cuối đánh dấu trưởng thành sinh viên giảng đường đại học Để trở thành cử nhân hay kỹ sư đóng góp học cho phát triển đất nước Lời em xin kính gửi đến thầy Nguyễn Đức Tồn khoa Công nghệ điện, trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM lời cảm ơn chân thành sâu sắc nhất, cám ơn thầy tận tình giúp đỡ, dạy em su ốt q trình hồn thành đ án Thầy hướng dẫn em tìm hiểu kiến thức cần thiết để thực đề tài Bên cạnh chúng em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy Ngơ Thanh Quyền, thầy ln nhiệt tình hướng dẫn, sẵn sàng giúp đỡ chúng em gặp khó khăn việc lập trình, thiết kế bo mạch Em xin chân thành cám ơn quý thầy cô trường Đại học Cơng Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh nói chung khoa Cơng Nghệ Điện mơn Tự Động Hóa trường Đại học Cơng Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh nói riêng tận tình giảng dạy, trang bị cho chúng em nh ững ki ến th ức c ần thi ết quý báu cho học tập cơng việc sau Ngồi ra, em xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè anh, chị sinh viên khóa ln ủng hộ giúp đỡ suốt trình chúng em thực đề tài Tp.HCM, ngày 15 tháng 06 năm 2015 Sinh viên thực Hồ Vĩnh Trình 114 ... liệu sạch, dễ điều khiển cho người lớn tr ẻ em, số địa hình phức tạp Khái niệm xe bánh tự cân Xe bánh tự cân xe có hai bánh đ ặt d ọc tr ục v ới (khác với xe đạp trục hai bánh xe song song) Trên... độc l ập bánh xe với tốc độ khác Khi xe nghiêng trước, động làm hai bánh xe quay v ề trước giữ trạng thái nghiêng Khi xe nghiêng sau, động c làm hai bánh xe quay sau Khi người lái điều khiển tay... đế bánh xe t ạo Đ ối với xe bánh có cấu trúc xe đạp, việc thăng b ằng khơng di chuy ển hồn tồn khơng thể, việc thăng xe dựa tính chất quay h ồi chuyển hai bánh xe quay Còn xe hai bánh tự cân